CN109787504A - 一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及呼吸监测设备技术领域，具体涉及一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法。本发明的盒体结构的底壁上设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元均包括依次层叠的基底层、导电电极层、摩擦层，第二摩擦单元固定于盒体结构的底壁，第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层正相对；第一摩擦单元的基底层处设有受力挡板，盒体结构与受力挡板之间连接有气球，气球与盒体结构上设置的进气管连通，盒体结构的侧壁设有出气管，第一摩擦单元的导电电极层与第二摩擦单元的导电电极层分别通过导线与外部的静电计电连接，本发明利用人体呼吸气流微能量实现自供能，对人体呼吸行为的实时自供能监测。

Description

一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备 方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)及呼吸监测领域，具体为一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法。

背景技术

呼吸作为人体重要的生理行为，不仅是反应人体健康状况的重要生理指标，相较于传统的血液检测、比色法等技术，呼吸诊断方法具有实时性、可连续性、无损伤性和舒适性等特点。近几十年以来，随着化石能源的不断消耗并枯竭，寻找一种绿色、低碳、广泛、易获得的能源至关重要。在电子产品十分普及的情况之下，电池的使用数目急剧增加。然而传统电池内部有害物质的回收利用势必会对环境造成污染，且频繁地更换电池也会减少器件的使用寿命。因此，需要开发自供能呼吸监测器件以解决传统呼吸传感器的不足。

在2012年，一种新型的能量产生装置——摩擦纳米发电机的问世为微能源的利用提供了契机，它被证明是一种具有极高转换效率的装置。通过摩擦起电与静电感应的耦合作用，摩擦纳米发电机可广泛收集环境中各种形式的微能源，如风能、人体运动机械能或海洋能等，并将其转化为电信号输出。呼吸气流本身作为一种微能量，可通过设计合适的发电机结构实现易于呼吸气流自驱动的自供能呼吸监测传感器制备，实现无需外部电源的自发自主呼吸参数监测，这类呼吸气流自驱动的呼吸监测传感器突破了传统柔性传感器局限，为实现柔性可穿戴的无创多参数呼吸监测开创了新途径，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对上述的问题，本发明的目的在于提供一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法，该呼吸监测传感器可充分利用人体呼吸气流微能量实现自供能，可实现对人体呼吸行为的实时自供能监测，其具有易于呼吸气流驱动、制备工艺简单、加工成本低、可大批量生产等优点。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，包括内部中空的盒体结构，盒体结构的底壁上设有均呈波浪型板的第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元均包括依次层叠的基底层、导电电极层、摩擦层，第二摩擦单元固定于盒体结构的底壁，第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层正相对；第一摩擦单元的基底层处设有受力挡板，盒体结构与受力挡板之间连接有气球，气球与盒体结构上设置的进气管连通，盒体结构的侧壁还设有出气管，在人体呼吸作用下，气球通过挡板带动第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层不断接触分离；第一摩擦单元的导电电极层与所述第二摩擦单元的导电电极层分别通过导线与外部的静电计电连接。

具体地，第一摩擦单元与第二摩擦单元之间保持适当距离，当使气球膨胀到最大程度时第一单元的摩擦层与第二单元的摩擦层刚好重叠在一起，以获得最优的输出电信号。在人体呼吸作用下，呼气过程气球膨胀将第一摩擦单元推向第二摩擦单元，吸气过程气球收缩拉回第一摩擦单元，使得两个摩擦层不断接触分离，在两层金电极上形成感应电荷，从而在外部电路产生交变输出。不同呼吸气流量驱动下，气球膨胀程度的不同使得两个摩擦层之间接触距离发生改变，从而改变输出电信号，以此实现对不同呼吸气流量的监测，测试过程通过一个微型流量计对限流程度进行标定。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，导电电极层呈薄片结构，导电电极层的材料为铝、镍、铜、银、金中的任意一种。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，导电电极层的厚度为100-200nm，以保证良好的电子传导与静电感应能力。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，基底层为有机薄膜，有机薄膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，第一摩擦单元的摩擦层为具有摩擦正电性的材料，摩擦正电性的材料为尼龙、聚氨酯泡沫体、纸张或金属，优选尼龙材料。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，第二摩擦单元的摩擦层为具有摩擦负电性的材料，所述摩擦负电性的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚酰亚胺中的任意一种。优选聚四氟乙烯材料。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，第一摩擦单元的摩擦层厚度为100-250μm，第二摩擦单元的摩擦层厚度为100-250μm。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，进气管上依次连接有测试吹嘴和节流阀。

根据上述的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其制备方法包括以下步骤：

(1)取两片的柔性有机薄膜作为基底层材料，经去离子水等清洗并干燥。

(2)使用蒸发工艺在两片柔性有机薄膜上分别蒸镀一层导电电极材料，得到两片相同的导电电极。

(3)在一片导电电极表面制备一层具有摩擦正电性的材料，可以通过激光处理或模板压印法将其表面改性，以增加材料表面粗糙程度，得到第一摩擦单元，将所述第一摩擦单元以一定角度弯折定型，并在所述第一摩擦单元的基底层表面固定一个轻薄的挡板。

(4)在另一片导电电极表面制备一层摩擦负电性材料，可通过激光处理或模板压印法等对其进行表面微/纳改性处理，得到第二摩擦单元，将所述第二摩擦单元以第一摩擦单元相同角度弯折定型。

(5)取绝缘封装材料，通过激光切割机将其切割并组装成长方体的盒体结构，其中绝缘封装材料可选用有机玻璃板、绝缘纸板、橡皮板、塑料板、陶瓷板等，以便于后期组装。

(6)将步骤(4)所制备的第二擦单元固定在盒体结构一侧，同时第二摩擦单元的导电电极层引出导线；将一个弹性气球固定在挡板上，放置于盒体结构的底部，气球的进气端连接进气管，进气管固定在测试腔的另一侧，同时第一摩擦单元的导电电极层处引出导线。

(7)在盒体结构的进气管端接上一个限流阀及易于收集呼吸气流的测试吹嘴，完成器件组装；人体呼吸过程气球的膨胀-收缩不断推拉第一摩擦单元，使得第一摩擦单元与第二摩擦单元产生周期性接触-分离运动，从而产生交变电信号输出。

(8)采用静电计进行数据采集，通过计算单位时间内输出的波形个数即得呼吸频次，通过观察输出幅值测量呼吸气流量。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，静电计的型号为Keithley 6514。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的呼吸监测传感器可直接利用呼吸气流驱动正常工作，实现对人体呼吸频次及呼吸气流量的自发自主监测，相比于传统的呼吸监测传感器，本发明不需要外部供电系统。与此同时，本发明涉及的呼吸监测传感器具有结构简单、输出信号稳定、携带方便、易于安装、对材料要求低、加工成本低等诸多优点，在呼吸监测领域具有较大的应用前景。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的三维折叠式自供能呼吸监测传感器的结构示意图；

图2为本发明所提供的三维折叠式自供能呼吸监测传感器基本工作原理图；

图3为自供能呼吸监测传感器对不同呼吸气流量的响应图；

图4为自供能呼吸监测传感器输出电压值随呼吸气流量变化曲线图；

图5为自供能呼吸监测传感器对不同呼吸气流量响应线性拟合图；

图6为恒定呼吸气流量下不同频率对呼吸监测传感器输出的影响；

图7为在恒定呼吸气流量下传感器呼吸监测重复性测试图；

图8为经飞秒激光进行表面改性后的PTFE薄膜表面形貌图；

图9为经压印模板法进行表面改性后的PDMS薄膜表面形貌图。

附图标记：1-盒体结构，2-第一摩擦单元，3-第二摩擦单元，4-挡板，5-气球，6-进气管，7-限流阀，8-测试吹嘴，9-静电计，10-数据采集电脑，11-导线，13-出气管，21、31-摩擦层，22、32-导电电极层，23、33-摩擦层。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解为，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

三维折叠式自供能呼吸监测传感器制备工艺流程如下：

(1)优选两片长12cm、宽3cm、厚度约为0.1-0.25mm的柔性有机薄膜作为基底层21和基底层31材料，经去离子水等清洗并干燥。

(2)使用热蒸发工艺在两片柔性有机薄膜上均蒸镀一层金电极，得到两片相同的金电极。

(3)在一片金电极表面制备一层具有摩擦正电性的尼龙薄膜，通过激光处理将其表面改性，以增加材料表面粗糙程度，将所制备的第一摩擦单元2以一定角度弯折定型，并在基底层21面固定一个轻薄的挡板4。

(4)在另一片金电极表面制备一层具有摩擦负电性的PTFE薄膜，通过模板法等对其进行表面微/纳改性处理，将所制备的第二摩擦单元3以相同角度弯折定型。该实施例中通过钛宝石激光系统(Spectra-Physics,America)产生的飞秒激光束对PTFE薄膜进行表面改性，从而增大材料表面产生的摩擦电荷量。激光脉冲持续时间、中心波长、频率及扫描速度分别设置为100fs、800nm、1kHz和0.5mm/s，改性后的PTFE薄膜表面形貌如图8所示。

(5)取一块3mm厚的有机玻璃板，通过激光切割机将其切割并组装成一个长12cm宽10cm高10cm的盒体结构1。

(6)将(4)所制备的第二摩擦单元3固定在盒体结构1一侧，同时从第二摩擦单元3的金电极处引出导线11。将一个气球5固定在步骤(3)所制备的第一摩擦单元2的挡板4上，气球5的进气端连接一根直径为6mm的进气管6，进气管6固定在盒体结构1的另一侧，同时从第一擦单元的金电极处引出导线11。

(7)在盒体结构1外的进气管6端接上一个限流阀7及易于收集呼吸气流的测试吹嘴8，完成器件组装；呼吸过程气球5的膨胀-收缩不断推-拉第一摩擦单元2，使得第一摩擦单元2与第二摩擦单元3产生周期性接触-分离运动，从而产生交变电信号输出。

(8)采用Keithley 6514数字静电计9进行数据采集，通过一个微型流量计MF5700对限流程度进行标定，通过计算单位时间内输出的波形个数即得呼吸频次，通过观察输出幅值测量呼吸气流量，通过数据采集电脑10对数据进行采集。

请参照图2，上述所制得的三维折叠式自供能呼吸监测传感器的工作原理如下：当人体呼气，气流进入气球5，气球5的膨胀张力作用于挡板4，挡板4作用已第一摩擦单元2，使得第一摩擦单元2与第二摩擦单元3之间相互靠近，由于摩擦电极性的差别，得电子能力较强的材料将从得电子能力较弱的材料上吸引电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷(图2(b))；当人体吸气，无气流进入气球5使其慢慢收缩，两种材料相互分离，两个接触面之间将会产生电势差，材料背面的电极将产生感应电荷以屏蔽静电电势差(图2(c))；当两个接触面之间的距离达到最大，金属电极上的感应电荷密度将达到最大(图2(d))。一旦两个接触面再次重合，电子反向流动(图2(e))；如此不断地接触和分离，第一摩擦单元2和第二摩擦单元3形成的摩擦纳米发电机将输出交变的电流脉冲信号。

通过增设挡板4，有利于收集气球5膨胀所产生的压力，从而第一摩擦单元2正常工作。由于传感器输出信号取决于每个呼吸周期，所以通过统计一定时间内的输出脉冲波数量可实现对不同人群呼吸频次的实时监测；与此同时，传感器输出大小与呼吸气流量相关，可适用于对病危病人呼吸气流的实时监测以实现对其及时救助，监测结果可参照图3、图4、图5、图6、图7的数据。

实施例2

本实施例中，基于三维折叠式摩擦纳米发电机的自供能呼吸监测传感器结构与实施例1相同，在这里不再赘述。与实施例1区别之处在于，第二摩擦单元3的摩擦层33，选用PDMS薄膜，为提高摩擦纳米发电机的输出电信号，通过模板压印法制备具有表面微结构改性的PDMS薄膜，使薄膜表面具有整齐排列的凸起微结构，具体步骤如下：

(1)通过Auto CAD绘制模板图案；

(2)通过激光切割机将有机玻璃按照设计图案切割制成模板；

(3)将所制备有机玻璃模板放入三甲基氯硅烷(TMCS)中80℃水浴加热1小时做疏水处理；

(4)取适量PDMS溶液及固化剂以10:1的比例混合后搅拌均匀，抽真空30min除去溶液气泡；

(5)将所制备PDMS溶液滴涂在进行疏水处理后的有机玻璃模板上，常温静置4小时后60℃烘干24小时；

(6)将烘干后的PDMS薄膜从有机玻璃模板接下，得到含有微结构改性的薄膜。

经模板压印法改性后的PDMS薄膜表面形貌如图9所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，包括内部中空的盒体结构，所述盒体结构的底壁上设有均呈波浪型板的第一摩擦单元和第二摩擦单元，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元均包括依次层叠的基底层、导电电极层、摩擦层，所述第二摩擦单元固定于盒体结构的底壁，所述第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层正相对；

所述第一摩擦单元的基底层处设有受力挡板，所述盒体结构与受力挡板之间连接有气球，所述气球与盒体结构上设置的进气管连通，所述盒体结构的侧壁还设有出气管，在人体呼吸作用下，所述气球通过挡板带动第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层不断接触分离；

所述第一摩擦单元的导电电极层与所述第二摩擦单元的导电电极层分别通过导线与外部的静电计电连接。

2.根据权利要求1的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述导电电极层呈薄片结构，所述导电电极层的材料为铝、镍、铜、银、金中的任意一种。

3.根据权利要求2的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述导电电极层的厚度为100-200nm。

4.根据权利要求1的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述基底层为有机薄膜，所述有机薄膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

5.根据权利要求1的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述第一摩擦单元的摩擦层为具有摩擦正电性的材料，摩擦正电性的材料为尼龙、聚氨酯泡沫体、纸张或金属。

6.根据权利要求1的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述第二摩擦单元的摩擦层为具有摩擦负电性的材料，所述摩擦负电性的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚酰亚胺中的任意一种。

7.根据权利要求1的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述第一摩擦单元的摩擦层厚度为100-250μm，所述第二摩擦单元的摩擦层厚度为100-250μm。

8.根据权利要求1的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，其特征在于，所述进气管上依次连接有测试吹嘴和节流阀。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)取两片的柔性有机薄膜作为基底层材料，经去离子水等清洗并干燥；

(2)使用蒸发工艺在两片柔性有机薄膜上分别蒸镀一层导电电极材料，得到两片相同的导电电极；

(3)在一片导电电极表面制备一层具有摩擦正电性的材料，可以通过激光处理或模板压印法将其表面改性，以增加材料表面粗糙程度，得到第一摩擦单元，将所述第一摩擦单元以一定角度弯折定型，并在所述第一摩擦单元的基底层表面固定一个轻薄的挡板；

(4)在另一片导电电极表面制备一层摩擦负电性材料，可通过激光处理或模板压印法等对其进行表面微/纳改性处理，得到第二摩擦单元，将所述第二摩擦单元以第一摩擦单元相同角度弯折定型；

(5)取绝缘封装材料，通过激光切割机将其切割并组装成长方体的盒体结构；

(6)将步骤(4)所制备的第二擦单元固定在盒体结构一侧，同时第二摩擦单元的导电电极层引出导线；将一个弹性气球固定在挡板上，放置于盒体结构的底部，气球的进气端连接进气管，进气管固定在测试腔的另一侧，同时第一摩擦单元的导电电极层处引出导线；

(7)在盒体结构的进气管端接上一个限流阀及易于收集呼吸气流的测试吹嘴，完成器件组装；人体呼吸过程气球的膨胀-收缩不断推拉第一摩擦单元，使得第一摩擦单元与第二摩擦单元产生周期性接触-分离运动，从而产生交变电信号输出；

(8)采用静电计进行数据采集，通过计算单位时间内输出的波形个数即得呼吸频次，通过观察输出幅值测量呼吸气流量。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述静电计的型号为Keithley6514。