CN113729712A

CN113729712A - 一种传感器

Info

Publication number: CN113729712A
Application number: CN202110996216.8A
Authority: CN
Inventors: 吴治峄; 王中林; 霍晓晴
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2041-08-27
Also published as: CN113729712B

Abstract

本发明公开了一种传感器，该传感器包括摩擦纳米发电机，且该传感器设置于有液体流过的软管处，使得在软管中有液体流过时，可以对摩擦纳米发电机产生挤压，进而使得摩擦纳米发电机可以输出电信号。若将该软管为输尿管时，该传感器可以监测流过输尿管的尿液，从而给膀胱系统功能障碍患者的治疗提供有效的数据参考；并且，因该传感器包括摩擦纳米发电机，且基于摩擦纳米发电机的特点，使得该传感器具有轻巧便携的特点，可以通过微创手术即可植入体内，避免了给患者造成过多的痛苦；此外，通过摩擦纳米发电机，可以使得该传感器具有自驱动特点，不会受到电池续航能力的影响，提高该传感器的应用范围和应用领域。

Description

一种传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤指一种传感器。

背景技术

膀胱系统功能障碍一直以来困扰着全球数亿患者，随着患者对生活质量要求的不断提高，对于膀胱尿液量的监测显得越来越重要。在电子传感及生物医学领域迅速发展的时代背景下，对于膀胱系统功能障碍患者的膀胱容量监测提出了很多方法，如超声监测、电阻抗层成像等技术，但上述技术的缺点在于设备体积过于庞大而不方便携带，并且使用过程需要顾及患者隐私，十分不便。

发明内容

本发明实施例提供了一种传感器，该传感器具有轻小便捷的优点，通过微创手术即可植入体内，避免了给患者造成过多的痛苦；并且，可以有效监测流入至膀胱的尿液量，对膀胱系统功能障碍患者提供了有效帮助。

本发明实施例提供了一种传感器，所述传感器设置于有液体流过的软管处，所述传感器包括摩擦纳米发电机；

所述摩擦纳米发电机用于：在所述软管中有液体经过且对所述摩擦纳米发电机产生挤压时，输出电信号。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的一种传感器，该传感器包括摩擦纳米发电机，且该传感器设置于有液体流过的软管处，使得在软管中有液体流过时，可以对摩擦纳米发电机产生挤压，进而使得摩擦纳米发电机可以输出电信号。若将该软管为输尿管时，该传感器可以监测流过输尿管的尿液，从而给膀胱系统功能障碍患者的治疗提供有效的数据参考；并且，因该传感器包括摩擦纳米发电机，且基于摩擦纳米发电机的特点，使得该传感器具有轻巧便携的特点，可以通过微创手术即可植入体内，避免了给患者造成过多的痛苦；此外，通过摩擦纳米发电机，可以使得该传感器具有自驱动特点，不会受到电池续航能力的影响，提高该传感器的应用范围和应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种传感器的结构示意图；

图2为沿着图1中黑色粗箭头所示方向上的一种剖视图；

图3为本发明实施例中提供的摩擦纳米发电机的立体结构示意图；

图4为沿着图1中黑色粗箭头所示方向上的另一种剖视图；

图5为沿着图1中黑色粗箭头所示方向上的又一种剖视图；

图6为图4中实线框1内的局部结构放大示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种传感器的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种传感器，如图1至图4所示，传感器20设置于有液体流过的软管10处，传感器20包括摩擦纳米发电机21；

摩擦纳米发电机21用于：在软管10中有液体经过且对摩擦纳米发电机21 产生挤压时，输出电信号。

其中，该电信号可以用于表示：在摩擦纳米发电机输出电信号时软管中流过的液体的量；

如果软管中流过的液体的量较大时，会对软管产生较大的扩张，进而对摩擦纳米发电机产生较大的挤压力，使得摩擦纳米发电机输出的电信号的幅值较大；

如果软管中流过的液体的量较小时，会对软管产生较小的扩张，进而对摩擦纳米发电机产生较小的挤压力，使得摩擦纳米发电机输出的电信号的幅值较小。

如此，因该传感器包括摩擦纳米发电机，且该传感器设置于有液体流过的软管处，使得在软管中有液体流过时，可以对摩擦纳米发电机产生挤压，进而使得摩擦纳米发电机可以输出电信号。若将该软管为输尿管时，该传感器可以监测流过输尿管的尿液，从而给膀胱系统功能障碍患者的治疗提供有效的数据参考。

并且，因该传感器包括摩擦纳米发电机，且基于摩擦纳米发电机的特点，使得该传感器具有轻巧便携的特点，可以通过微创手术即可植入体内，避免了给患者造成过多的痛苦。

此外，通过摩擦纳米发电机，可以使得该传感器具有自驱动特点，不会受到电池续航能力的影响，提高该传感器的应用范围和应用领域。

可选地，在本发明实施例中，软管可以具体为：

1、输尿管；

此时，该传感器可以用于：

监测流过输尿管的尿液；

检测尿液是否反流；

检测输尿管痉挛及输尿管结石等疾病。

2、尿道；

此时，该传感器可以用于：

监测膀胱尿潴留等疾病。

3、肠道；

此时，该传感器可以用于：

监测肠道系统蠕动所的健康状况。

4、非生物性的软管，例如塑料软管等；

此时，该传感器可以用于：

监测软管内的液体流量。

说明一点，在设置传感器时，不管应用至何种场景中，传感器可以放置于软管形变明显的位置处，以便于传感器更好地感知到软管施加的外力，从而使得摩擦纳米发电机可以有效地输出电信号。

在具体实施时，在本发明实施例中，在对摩擦纳米发电机的位置进行设置时，可以包括以下几种方式：

方式1：

可选地，在本发明实施例中，传感器可以为环形设置，且环形包裹在软管之上，而摩擦纳米发电机可以只是位于传感器内且贴于软管的一面，即摩擦纳米发电机21并未包裹或未大部分包围软管10，如图2所示，此时：

由于传感器的外壳(如图2中白色填充的白色环形圈)包裹软管，且摩擦纳米发电机位于外壳内，所以即使摩擦纳米发电机未包裹软管，在软管发生扩张时，依然可以对摩擦纳米发电机形成挤压，也即依然可以对摩擦纳米发电机施加外力，使得摩擦纳米发电机依然可以输出电信号。

可选地，在本发明实施例中，如图2所示，包裹在软管10之上的外壳的内径d1可以大于软管10的外径d2，且外壳的内径d1与软管10的外径d2之间的差值小于预设值。

其中，预设值可以根据检测灵敏度、摩擦纳米发电机输出电信号时需要受到的外力大小等因素进行设置，在此并不限定。

也就是说，外壳的内径要略大于软管的外径，避免外壳对软管进行挤压，进而避免影响摩擦纳米发电机输出电信号，从而保证传感器可以正常有效地工作。

方式2：

可选地，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机包裹在软管之上。

如此，摩擦纳米发电机可以有效地感知到液体流过软管时软管发生的扩张，使得软管的扩张对摩擦纳米发电机产生有效挤压，相当于通过软管的扩张对摩擦纳米发电机施加外力，使得摩擦纳米发电机输出电信号。

此时，在对摩擦纳米发电机进行设置时，可以包括以下情况：

情况1：

可选地，在本发明实施例中，如图3所示，所述摩擦纳米发电机21为螺旋式结构。

此时，传感器的形状即可以为设置螺旋式结构；

如此，使得摩擦纳米发电机可以更好地感知到软管在液体流过时对其施加的挤压力，从而使得摩擦纳米发电机有效地输出电信号，提高传感器的精确度和准确度。

可选地，在本发明实施例中，如图3所示，所述传感器还包括：形状记忆结构22；

所述形状记忆结构22设置于所述摩擦纳米发电机21背离所述软管10的一侧；

所述形状记忆结构22用于：在第一温度范围时为预设状态，在第二温度范围时为非预设状态；

其中，所述预设状态为：将所述摩擦纳米发电机21包裹在所述软管10之上的状态；所述第二温度范围中的任一温度小于所述第一温度范围中的任一温度。

以该传感器为可植入传感器为例，第一温度范围可以为37±1℃，第二温度范围可以为20±5℃，那么：

在第二温度范围时，形状记忆结构可以为平整的铺开状态，进而带动摩擦纳米发电机也可以为平整的铺开状态；

在第一温度范围时，形状记忆结构可以恢复成预设的螺旋式形状，进而带动摩擦纳米发电机成螺旋式形状而包裹在软管表面。

如此，在将传感器植入体内时，可以有效地将传感器包裹在软管表面，提高操作的便捷性，降低了操作难度，从而提高操作的效率。

具体地，在本发明实施例中，形状记忆结构的制作材料包括：形状记忆聚合物，例如但不限于聚乳酸基形状记忆聚合物。

情况2：

可选地，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机为非螺旋式结构，且呈环形结构。

例如，摩擦纳米发电机21可以完全包裹软管10，如图4所示；或者，摩擦纳米发电机21包裹大部分软管10，如图5所示。

也就是说，此时传感器可以不像上述方式1中那样设置外壳，使得摩擦纳米发电机可以直接包裹在软管之上。

此种包裹方式可以应用在多种场景中，例如但不限于软管为体外的软管。

可选地，在本发明实施例中，如图4所示，摩擦纳米发电机21的内径d3 大于软管10的外径d2，且摩擦纳米发电机21的内径d3与软管10的外径d2 的差值小于预设值。

例如，软管为输尿管时，摩擦纳米发电机的内径可以设置为7mm，使得摩擦纳米发电机的内径略大于输尿管的外径。

如此，可以避免摩擦纳米发电机对软管进行挤压，进而避免影响摩擦纳米发电机输出电信号，从而保证传感器可以正常有效地工作。

说明一点，可选地，在此情况2中，在摩擦纳米发电机背离软管的一侧同样可以设置形状记忆结构，以便于将摩擦纳米发电机(或者传感器)缠绕在软管周围，其中对于形状记忆结构的具体设置，在参见上述情况1中的内容，在此不再详述。

总之，在具体实施时，可以根据实际需要选择上述方式1或方式2对摩擦纳米发电机的位置进行设置，在此并不限定。

可选地，在本发明实施例中，传感器为可植入传感器；

可植入传感器还包括：位于摩擦纳米发电机外部的封装层，封装层采用生物相容性材料制作。

其中，可选地，在传感器包括形状记忆结构时，形状记忆结构可以位于封装层与摩擦纳米发电机之间，避免体内的体液和组织对形状记忆结构造成损坏；也即：封装层位于传感器的最外侧(也即传感器背离软管的一侧表面)以用于保护传感器内的结构。说明一点，在图3中并未示出封装层。

如此，在传感器为可植入传感器时，说明该传感器可以植入人的体内，此时设置封装层，且封装层采用生物相容性材料制作，可以避免摩擦纳米发电机直接与体内的组织相接触，避免体内的组织或体液对摩擦纳米发电机造成腐蚀，提高传感器的耐受性和稳定性；同时，还可以避免对组织造成损坏，减少人体的排异反应，从而避免对使用者的健康造成不良影响。

具体地，在本发明实施例中，生物相容性材料可以包括：聚二甲基硅氧烷和脂肪族芳香族无规共聚酯等。

具体地，脂肪族芳香族无规共聚酯的单体可以包括：己二酸、对苯二甲酸、以及1,4-丁二醇等小分子有机物。

当然，在具体实施时，生物相容性材料并不限于上述给出的材料，还可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。

具体地，在本发明实施例中，封装层的厚度可以为40μm-60μm。

具体地，封装层的厚度可以为50μm。

如此，可以避免封装层设置的较厚，进而避免对摩擦纳米发电机受力情况造成不良影响，保证摩擦纳米发电机可以有效地受到软管的积压，从而保证摩擦纳米发电机可以有效工作并输出电信号。

可选地，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机可以为接触-分离模式的摩擦纳米发电机；

其中，在软管的积压下，可以使得摩擦纳米发电机中的两个摩擦层发生接触和分离的过程，进而使得摩擦纳米发电机将会随着两个摩擦层的接触和分离运动而产生交流的电信号。

因此，可选地，在本发明实施例中，如图6所示，摩擦纳米发电机21包括：第一摩擦结构21a和第二摩擦结构21b；

在软管中有液体经过且对摩擦纳米发电机产生挤压时，第一摩擦结构21a 和第二摩擦结构21b发生接触和分离，并通过第一摩擦结构21a和第二摩擦结构21b输出电信号。

如此，可以在软管的积压下使得摩擦纳米发电机输出电信号，以便于后续根据该电信号对软管中的流过的液体进行监测和分析。

具体地，在本发明实施例中，如图6所示，第一摩擦结构21a包括：第一导电层212和第一摩擦层213，第二摩擦结构21b包括：第二导电层215和第二摩擦层214；

其中，第一摩擦层213位于第一导电层212和第二摩擦结构21b之间，第二摩擦层214位于第二导电层215与第一摩擦结构21a之间；

第一导电层212和第二导电层215的厚度均设置为20μm至50μm；

第一摩擦层213和第二摩擦层214的厚度均设置为30μm至50μm。

其中，在图6中，h1表示第一导电层212的厚度，h2表示第二导电层215 的厚度，h3表示第一摩擦层213的厚度，h4表示第二摩擦层214的厚度。

如此，可以避免两个导电层和两个摩擦层设置的较厚，进而避免因厚度较大而影响两个摩擦层的接触和分离，有利于提高电信号的输出能力，从而提高摩擦纳米发电机的性能。

具体地，在本发明实施例中，传感器为可植入传感器；

第一导电层和第二导电层均采用生物相容性金属、生物相容性合金和生物相容性金属浆中的至少一种制作；

第一摩擦层和第二摩擦层均采用柔性高分子聚合物和可拉伸高分子聚合物中的至少一种制作。

其中，生物相容性金属可以包括：银、铂和钛等；

生物相容性合金可以包括：钴镍铬合金、钴铬钼合金和钛合金等；

生物相容性金属浆可以包括：导电银浆等；

柔性高分子聚合物可以包括：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等；

可拉伸高分子聚合物可以包括：聚二甲基硅氧烷、硅胶或聚氨酯等。

如此，在传感器为可植入传感器时，说明该传感器可以植入人的体内，此时对两个导电层的材料进行设置，在摩擦纳米发电机直接与体内的组织相接触时，避免体内的组织或体液对两个导电层造成腐蚀，提高传感器的耐受性和稳定性；同时，还可以避免对组织造成损坏，减少人体的排异反应，从而避免对使用者的健康造成不良影响；并且，对两个摩擦层材料的设置，可以提高两个摩擦层接触和分离运动的性能，使得摩擦纳米发电机可以有效地工作，并输出有效的电信号。

具体地，在本发明实施例中，如图6所示，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间的间隙h5为50μm至100μm。

如此，可以在第一摩擦层和第二摩擦层之间预留出一部分空间，便于在受到挤压时实现第一摩擦层和第二摩擦层的接触和分离，实现电信号的输出。

当然，说明一点，可选地，摩擦纳米发电机并不限于接触-分离模式的摩擦纳米发电机，还可以为其他模式，只要能够在软管中有液体流过且对摩擦纳米发电机产生挤压时输出电信号即可，对于摩擦纳米发电机的具体工作模式，在此并不限定。

下面对接触-分离模式的摩擦纳米发电机为例，对传感器的制作过程进行说明。

结合图6所示。

准备一封装层211，并在其中一个表面上涂覆导电金属浆作为第一导电层 212，并在导电金属浆完全干燥前，在边角位置做外接线处理，待导电金属浆完全干燥后，在其上面贴附一柔性高分子材料作为第一摩擦层213，形成第一摩擦结构21a；

采用同样的方法，再准备一封装层216，并在其中一个表面上涂覆导电金属浆作为第二导电层215，并在导电金属浆完全干燥前，在边角位置做外接线处理，待导电金属浆完全干燥后，在其上面贴附一柔性高分子材料作为第二摩擦层214，形成第二摩擦结构21b；

最后将第一摩擦结构21a和第二摩擦结构21b面对面进行组合和固定，使得第一摩擦层213和第二摩擦层214面对面设置，得到传感器。

可选地，在本发明实施例中，如图4和图5所示，传感器还包括：信号输出模块23；

信号输出模块23用于：将摩擦纳米发电机21输出的电信号输出至外部设备，使得外部设备根据电信号对流经软管10的液体进行监测。

其中，外部设备可以为移动终端，例如但不限于为：手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑等。

通过信号输出模块，可以将摩擦纳米发电机与外部设备连接，进而将摩擦纳米发电机输出的电信号传输至外部设备中，对于外部设备可以基于接收到的电信号，对软管中流过的液体进行监测和分析。

具体地，在本发明实施例中，在摩擦纳米发电机21完全包裹在软管10周围时，信号输出模块23可以设置在摩擦纳米发电机21远离软管10的一侧表面，如图4所示；如此，信号输出模块可以避免对摩擦纳米发电机的受力情况造成不良影响，保证摩擦纳米发电机的正常工作，保证电信号的有效输出。

或者，在摩擦纳米发电机21未完全包裹在软管10周围时，信号输出模块23可以设置在传感器外壳中未被摩擦纳米发电机21占据的位置，如图5所示；如此，可以使得传感器远离软管的一侧表面更加光滑，避免出现凸起的结构，进而避免在应用时对软管周围的其他结构造成不良影响，同时还可以有利于减小传感器的体积，实现便携化设计。

又或者，在摩擦纳米发电机为螺旋式结构时，信号输出模块可以设置在摩擦纳米发电机远离软管的一侧表面，未给出图示；如此，信号输出模块可以避免对摩擦纳米发电机的受力情况造成不良影响，保证摩擦纳米发电机的正常工作，保证电信号的有效输出。

当然，在具体实施时，可以根据实际需要设置信号输出模块，以提高设计的灵活性，满足不同应用场景的需要。

具体地，在本发明实施例中，信号输出模块可以包括：无线传输单元和/ 或有线传输单元，其中，无线传输单元可以包括：蓝牙模块等。

如此，可以根据传感器的应用场景选择信号传输的方式，拓展了该传感器的应用范围和应用领域。

可选地，在本发明实施例中，传感器应用至体外时，传感器还可以包括显示器，该显示器可以用于显示电信号，使得用户可以基于显示器显示的电信号，对软管中流过的液体进行监测和分析。

可选地，在本发明实施例中，传感器应用至体外时，传感器还可以包括播放器，该播放器可以用于播放电信号的峰值和起始时间等信息，以便于用户在不方便看显示器时通过语音播报来获取电信号，提高用户的操作性。

下面以软管为输尿管为例，对传感器的工作过程进行说明。

以接触-分离模式的摩擦纳米发电机为例，且接触-分离模式的摩擦纳米发电机可以为接触起电和静电感应两方面的综合效应。

结合图6所示，传感器的具体工作过程如下：

当输尿管发生蠕动时(也即输尿管中有尿液流过时)，可以对摩擦纳米发电机产生挤压(如图6中F表示向摩擦纳米发电机施加的挤压力)，即对第二导电层215和第二摩擦层214产生挤压，使其与第一导电层212和第一摩擦层 213相接触，也即使得第一摩擦层213和第二摩擦层214相接触；

由于摩擦起电效应，表面电荷可以在两个摩擦层之间转移并产生电势差，由于两个摩擦层本身具有绝缘性，且与两个导电层分别相接触，在电势差的作用下，电子可以从两个导电层之间进行传递，在外电路中表现为一个电信号。

因此，当输尿管输送尿液发生蠕动时，可以通过这个电信号来判断输尿管中有尿液流过，若假设从肾盂中每次产生的尿液的量是固定的，那么通过一段时间内接收到的电信号的个数，即可确定出该段时间内流过输尿管的尿液的量；

因尿液是从肾盂中流出经过输尿管进入至膀胱中，所以可以通过一段时间的监测，可以确定出该段时间内流进膀胱内的尿液的量，进而可以间接判断膀胱内尿液的实时容量，在膀胱内的尿液即将充满膀胱时，可以对使用者进行提醒，帮助膀胱系统功能障碍患者及时排尿。

进一步地，如果每次流过输尿管的尿液的量是固定的，那么摩擦纳米发电机每次输出的电信号可以是相同的，或者说电信号之间虽然略有不同但变化不大；因此，可以根据电信号的不同，反应出输尿管蠕动的异常，从而监测输尿管痉挛及输尿管结石等疾病；

并且，若传感器中包括两个及两个以上摩擦纳米发电机，且各摩擦纳米发电机沿着输尿管的延伸方向排列时，通过各摩擦纳米发电机输出电信号的顺序，可以判断是否存在尿液反向流动的情况。

因此，本发明实施例提供的传感器，通过与摩擦纳米发电机相结合，可以对软管实现实时传感，若软管为输尿管时，可以在输尿管位置实现实时传感，能够有效帮助患者判断膀胱尿液量以及确定排尿时间；若进一步与外部设备相结合，使用更加方便快捷，能够在日常生活中为患者提供及时有效地反馈和参考。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种传感器，其特征在于，所述传感器设置于有液体流过的软管处，所述传感器包括摩擦纳米发电机；

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包裹在所述软管之上。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为螺旋式结构。

4.如权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：形状记忆结构；

所述形状记忆结构设置于所述摩擦纳米发电机背离所述软管的一侧；

所述形状记忆结构用于：在第一温度范围时为预设状态，在第二温度范围时为非预设状态；

其中，所述预设状态为：将所述摩擦纳米发电机包裹在所述软管之上的状态；所述第二温度范围中的任一温度小于所述第一温度范围中的任一温度。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器为可植入传感器；

所述可植入传感器还包括：位于所述摩擦纳米发电机外部的封装层，所述封装层采用生物相容性材料制作；

所述封装层的厚度为40μm-60μm。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括：第一摩擦结构和第二摩擦结构；

在所述软管中有液体经过且对所述摩擦纳米发电机产生挤压时，所述第一摩擦结构和所述第二摩擦结构发生接触和分离，并通过所述第一摩擦结构和所述第二摩擦结构输出所述电信号。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述第一摩擦结构包括：第一导电层和第一摩擦层，所述第二摩擦结构包括：第二导电层和第二摩擦层；

其中，所述第一摩擦层位于所述第一导电层和所述第二摩擦结构之间，所述第二摩擦层位于所述第二导电层与所述第一摩擦结构之间；

所述第一导电层和所述第二导电层的厚度均设置为20μm至50μm；

所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的厚度均设置为30μm至50μm。

8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述传感器为可植入传感器；

所述第一导电层和所述第二导电层均采用生物相容性金属、生物相容性合金和生物相容性金属浆中的至少一种制作；

所述第一摩擦层和所述第二摩擦层均采用柔性高分子聚合物和可拉伸高分子聚合物中的至少一种制作。

9.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间的间隙为50μm至100μm。

10.如权利要求1-9任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：信号输出模块；

所述信号输出模块用于：将所述摩擦纳米发电机输出的所述电信号输出至外部设备，使得所述外部设备根据所述电信号对流经所述软管的液体进行监测。