TWI696449B

TWI696449B - 呼吸感測裝置及其製造方法

Info

Publication number: TWI696449B
Application number: TW108123787A
Authority: TW
Inventors: 楊燿州; 葉釗齊
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-06-21
Also published as: TW202102181A

Abstract

一種呼吸感測裝置及其製造方法，係於一基板上設置至少一交叉指狀型電極對，並將至少一正溫度係數共聚物膜設置於該交叉指狀型電極對上，用以依據使用者呼出氣流之溫度來產生一電阻率變化，以表示使用者之呼吸狀況，據此達到快速監測呼吸頻率，並具有成本低、高效能、高靈敏度之優點。

Description

呼吸感測裝置及其製造方法

本發明係有關一種呼吸感測裝置及其製造方法，尤指一種可基於微小溫度變化實現呼吸監測之呼吸感測裝置及其製造方法。

在現今醫學中，呼吸頻率係用來評斷生命跡象的一個重要參數，其不僅可以預測健康狀況，亦可以指示疾病的進展程度。現在市面上已有多項產品可以檢測呼吸頻率，例如由流量感測器、壓力感測器所製成的設備或肺活量計等接觸式檢測裝置，亦有利用超音波、麥克風等來測量呼吸頻率之非接觸式檢測裝置。

然而，上述接觸式檢測裝置在使用上需要與受檢測者直接接觸，而容易引起受檢測者之不適，以至於有無法連續檢測呼吸頻率之情形。而上述非接觸式檢測裝置則有容易受到環境聲音干擾，必須施加相對大的電壓才能獲取可分析之訊號，造成儀器相對龐大且昂貴之問題。

因此，如何提供一種低成本、高效能之呼吸感測裝置及其製造方法來解決上述缺失，已是所屬技術領域亟待解決的課題之一。

為解決上述課題，本發明之主要目的在於提供一種呼吸感測裝置，包括：基板；至少一交叉指狀型電極對，設置於該基板上；以及至少一正溫度係數共聚物膜，設置於該交叉指狀型電極對上，用以依據使用者呼出氣流之溫度來產生一電阻率變化；其中，當透過該交叉指狀型電極對施加偏壓於該正溫度係數共聚物膜上時，該正溫度係數共聚物膜所產生之該電阻率變化能表示為使用者之呼吸狀況。

本發明之再一目的在於提供一種呼吸感測裝置之製造方法，包括：於一基板上形成金屬層；圖案化該金屬層，使圖案化之該金屬層形成至少一交叉指狀型電極對；將至少一正溫度係數共聚物膜設置於該交叉指狀型電極對上，以當透過該交叉指狀型電極對施加偏壓於該正溫度係數共聚物膜上時，該正溫度係數共聚物膜所產生之該電阻率變化能表示為使用者之呼吸狀況。

於一實施例中，該交叉指狀型電極對及該正溫度係數共聚物膜之數量各為三個，且以陣列方式設置。

於一實施例中，該正溫度係數共聚物膜由丙烯酸丁酯及丙烯酸十八烷基酯所構成，且該丙烯酸十八烷基酯之濃度範圍為30至50莫耳百分比。

於一實施例中，該丙烯酸十八烷基酯之濃度具體為34、40或50莫耳百分比。

於一實施例中，該丙烯酸十八烷基酯之34莫耳百分比濃度所對應之玻璃轉換溫度為24度C，該丙烯酸十八烷基酯之40莫耳百分比濃度所對應之玻璃轉換溫度為27度C，該丙烯酸十八烷基酯之50莫耳百分比濃度所對應之玻璃轉換溫度為29度C。

於一實施例中，該基板由聚一氯對二甲苯之材料所構成。

於一實施例中，該基板之背面形成有用於熱阻絕之凹槽，該凹槽之位置係對應於該正溫度係數共聚物膜之位置。

藉由本發明之呼吸感測裝置及其製造方法，可有效檢測由使用者呼出氣流所引起的微小溫度變化，而使得該呼吸感測裝置中的正溫度係數共聚物膜產生一電阻率變化，該電阻率變化能表示為使用者之呼吸狀況。因此，本發明之呼吸感測裝置可快速監測呼吸頻率，並具有成本低、高效能、高靈敏度之優點。

10、20‧‧‧呼吸感測裝置

11、21‧‧‧基板

12、22、22’、22”‧‧‧交叉指狀型電極對

13、23、23’、23”‧‧‧正溫度係數共聚物膜

14‧‧‧凹槽

24‧‧‧散熱器

31‧‧‧玻璃基板

32‧‧‧第一犧牲層

33‧‧‧基板

331‧‧‧凹槽

34‧‧‧金屬層

34’‧‧‧圖案化之金屬層

35‧‧‧第二犧牲層

35’‧‧‧圖案化之第二犧牲層

36‧‧‧遮罩

37‧‧‧正溫度係數共聚物膜

第1A圖為本發明之呼吸感測裝置之一實施例示意圖；第1B圖為第1A圖之呼吸感測裝置之剖面示意圖；第2圖為本發明之呼吸感測裝置之另一實施例示意圖；第3A至3I圖為本發明之呼吸感測裝置之製造方法之示意圖；第4圖為本發明之正溫度係數共聚物膜中丙烯酸十八烷基酯在不同濃度下所對應之溫度與電阻率之間的關係示意圖；第5圖為本發明之呼吸感測裝置之應用示意圖；第6圖為本發明之正溫度係數共聚物膜的電阻率與溫度之間的變化示意圖；第7A圖為本發明之呼吸感測裝置實際紀錄數據之波形示意圖；以及第7B圖為將第7圖中的波形以HHT轉換方法處理後之波形示意圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

請參閱第1A圖，其為本發明之呼吸感測裝置10之一實施例示意圖。本發明之呼吸感測裝置10包括基板11、至少一交叉指狀型電極對12以及至少一正溫度係數共聚物膜13。該交叉指狀型電極對12設置在基板11上，而正溫度係數共聚物膜13設置在該交叉指狀型電極對12上。

於一實施例中，基板11係由與生物相容之聚一氯對二甲苯(parylene-C)之材料所構成者，故基板11具備可撓性。

於一實施例中，請參閱第1B圖，基板11之背面形成有凹槽14，該凹槽14用於熱阻絕，且該凹槽14之位置係對應於該正溫度係數共聚物膜13之位置。

需注意者，為清楚瞭解交叉指狀型電極對12的結構特徵，第1A及1B圖係將正溫度係數共聚物膜13繪製於交叉指狀型電極對12的上方，而實際上應如第2圖及第3I圖所示，本發明之呼吸感測裝置10之正溫度係數共聚物膜23、23’、23”、37係直接接觸設置在交叉指狀型電極對22、22’、22”、34’上且填滿交叉指狀型電極對各指之間的間隙。

在本實施例中，該正溫度係數共聚物膜13是由丙烯酸丁酯(butyl acrylate)及丙烯酸十八烷基酯(octadecyl acrylate)所構成者。該正溫度係數共聚物膜13的特性可由第6圖進行瞭解，其中，正溫度係數共聚物膜13具有一玻璃轉換溫度T_G。當溫度低於玻璃轉換溫度T_G時，可以看出正溫度係數共聚物膜13之電阻率幾乎沒有變化，但是當溫度稍微超過玻璃轉換溫度T_G時，可以發現正溫度係數共聚物膜13之電阻率有著跳躍式的增長，此時丙烯酸基複合物正從半結晶轉變到非晶狀態，故電阻率才有激烈的變化，這使得丙烯酸基複合物對於溫度具有高靈敏的特性。因此，可藉由控制丙烯酸十八烷基酯在正溫度係數共聚物膜13內的莫耳百分比濃度，使正溫度係數共聚物膜13可具有不同玻璃轉換溫度T_G，進而透過電阻率變化來得知溫度是否有改變。在應用上，玻璃轉換溫度T_G通常設定成與所處環境溫度相近，以方便偵測溫度是否有改變。

於一實施例中，該正溫度係數共聚物膜13內的丙烯酸十八烷基酯之濃度範圍可為30至50莫耳百分比，但本發明並不以此為限。

通過正溫度係數共聚物膜13對於溫度改變有著高靈敏性的特性，本發明之呼吸感測裝置10可用來檢測使用者之呼吸狀況。亦即，如第5圖所示，本發明之呼吸感測裝置10可放置在使用者的胸部位置。當使用者呼出氣流時，由於使用者呼出氣流之溫度通常高於室溫，而呼吸感測裝置10內正溫度係數共聚物膜13之玻璃轉換溫度T_G通常設定與室溫相近，故呼出氣流到達呼吸感測裝置10時，正溫度係數共聚物膜13會由於溫度的改變而產生電阻率變化，而此電阻率變化即可有效表示為使用者之呼吸狀況。換言之，使用者呼出氣流之溫度只要超過正溫度係數共聚物膜13之玻璃轉換溫度T_G時，電阻率就有著跳躍式增長；在使用者吸入氣流時，正溫度係數共聚物膜13周圍溫度將降低而趨近於室溫，而使電阻率回復到沒有變化的狀態，如此一來即可把電阻率在變化與沒變化之間的轉變情形定義為使用者之一呼吸狀況。

請參閱第2圖，其為本發明之呼吸感測裝置20之另一實施例示意圖。在本實施例中，呼吸感測裝置20包含基板21、三個交叉指狀型電極對22、22’、22”，以及三個正溫度係數共聚物膜23、23’、23”。

在本實施例中，三個正溫度係數共聚物膜23、23’、23”可分別具有不同玻璃轉換溫度T_G，亦即，三個正溫度係數共聚物膜23、23’、23”內的丙烯酸十八烷基酯之濃度皆不相同。於一實施例中，三個正溫度係數共聚物膜23、23’、23”內的丙烯酸十八烷基酯之濃度具體可分別為34、40及50莫耳百分比，但本發明並不以此為限。

請進一步參閱第4圖，可充分瞭解丙烯酸十八烷基酯在不同濃度下所對應之溫度與電阻率之間的關係。如第4圖所示，該丙烯酸十八烷基酯之34莫耳百分比濃度所對應之玻璃轉換溫度為24度C，其所偵測使用者呼出氣流之溫度只要高於24度C，電阻率就有著跳躍式增長；該丙烯酸十八烷基酯之40莫耳百分比濃度所對應之玻璃轉換溫度為27度C，其所偵測使用者呼出氣流之溫度只要高於27度C，電阻率就有著跳躍式增長；該丙烯酸十八烷基酯之50莫耳百分比濃度所對應之玻璃轉換溫度為29度C，其所偵測使用者呼出氣流之溫度只要高於29度C，電阻率就有著跳躍式增長。通過具有不同玻璃轉換溫度T_G的設計，本發明之呼吸感測裝置20可適用於不同環境溫度，進而擴大可感測溫度的工作範圍。因此，在本實施例中，設置有三個正溫度係數共聚物膜23、23’、23”之本發明呼吸感測裝置20工作溫度範圍為24至29度C，但本發明並不以此為限。

在本實施例中，本發明之呼吸感測裝置20之基板21背面不需有如第1B圖所示之凹槽14，而是在交叉指狀型電極對22、22’、22”以及正溫度係數共聚物膜23、23’、23”周圍設置散熱器24來幫助散熱，但本發明並不以此為限。

以下說明本發明正溫度係數共聚物膜(即丙烯酸基複合物)之製備方式。將兩種具有不同烷基側鍊長度之丙烯酸單體(即丙烯酸丁酯(butyl acrylate)及丙烯酸十八烷基酯(octadecyl acrylate))與1.0wt%的2,2-雙(羥甲基)丙酸(DMPA)一起分散，並溶於100wt%的四氫呋喃(tetrahydrpfuran，THF)中。在使用磁力攪拌器徹底攪拌溶液2小時後，透過暴露於365nm的紫外光24小時來完成聚合作用。接著，使用磁力攪拌器將合成的半結晶共聚物以33wt%分散石墨顆粒(直徑2-3μm)。最後，將混合物放置於乾燥器中24小時後，從合成的半結晶共聚物中移除有機溶液。而所得之丙烯酸基複合物可用來製成本發明之正溫度係數共聚物膜。

請參閱第3A至3I圖，其為本發明之呼吸感測裝置之製造方法之示意圖。首先，如第3A圖所示，於玻璃基板31上旋轉塗布(spin-coating)第一犧牲層32，該第一犧牲層32可例如為AZ-P4620光阻層。

接著，如第3B圖所示，於第一犧牲層32上沉積(例如化學氣相沉積製程)聚一氯對二甲苯之材料以形成基板33，基板33之厚度可約為30μm。

接著，如第3C圖所示，於該基板33上沉積形成金屬層34。例如，使用濺射製程來沉積金屬層34，而金屬層34可由厚度30奈米的鉻(Cr)及厚度300奈米的金(Au)所形成。於一實施例中，在形成金屬層34前，可透過等離子體處理基板33頂表面，使後續鉻(Cr)的沉積能有更佳的黏附性。

接著，如第3D圖所示，於金屬層34上旋轉塗布第二犧牲層35，該第二犧牲層35可例如為AZ-P4620光阻層。之後，透過光蝕刻製程來圖案化第二犧牲層35，以形成如第3E圖所示之圖案化之第二犧牲層35’。

接著，如第3F圖所示，以圖案化之第二犧牲層35’為遮罩進行蝕刻製程(例如使用濕式蝕刻劑，CR-7鉻蝕刻及RTE-Au1000AP)，蝕刻金屬層34而形成圖案化之金屬層34’。於一實施例中，圖案化之金屬層34’為交叉指狀型電極對，各指之間的間隙可約為50μm。

接著，如第3G圖所示，移除圖案化之第二犧牲層35’、第一犧牲層32及玻璃基板31，例如以浸入丙酮的方式去除作為光阻層之第一犧牲層32及圖案化之第二犧牲層35’。

接著，如第3F圖所示，透過一遮罩36以反應離子蝕刻製程蝕刻基板33之背面，以形成凹槽331。最後，如第3I圖所示，例如通過電腦控制之分配器，將正溫度係數共聚物膜37預熱至55度C後，設置(或稱為注入)在圖案化之金屬層34’(即交叉指狀型電極對)上，並使正溫度係數共聚物膜37之位置對應於凹槽331之位置。於本實施例中，正溫度係數共聚物膜37的寬度可約為50μm，長度可約為350μm，厚度可約為100μm。

請再參閱第7A圖，其為本發明之呼吸感測裝置實際紀錄數據之波形示意圖。將第2圖之本發明之呼吸感測裝置20放置在室溫26度C的環境下，並透過一讀出電路來連接至資料採集裝置、電腦及電源供應器。資料採集裝置可例如為National instruments公司的USB-6341，電源供應器用以提供偏壓，而電腦則用以即時量測讀出電路的電壓輸出。在測量期間，對呼吸感測裝置20施加1.5V偏壓，並將呼吸感測裝置20放置在距離使用者之鼻部(或人中)約15公分的地方(即胸部上方)。從第7A圖可清楚看出，相對於34莫耳百分比濃度及50莫耳百分比濃度，具有40莫耳百分比濃度之丙烯酸十八烷基酯的正溫度係數共聚物膜有最大的電阻率變化，另外兩個34、50莫耳百分比濃度則表現出降級信號或僅有噪聲，這是因為室溫26度C最接近玻璃轉換溫度27度C(即丙烯酸十八烷基酯之40莫耳百分比濃度)。此具有40莫耳百分比濃度之丙烯酸十八烷基酯的正溫度係數共聚物膜可清楚分辨由呼吸所引起的週期性響應，如此一來，可將兩個相鄰峰(peaks)之間的時間差定義為呼吸循環時間，使得呼吸頻率可以估計。在本實施例中，無論室內(操作)溫度如何變化，設置有三個正溫度係數共聚物膜23、23’、23”之本發明呼吸感測裝置20，將至少有一個正溫度係數共聚物膜會表現出高靈敏度，進而可估計呼吸頻率。此意味著呼吸感測裝置20可藉由設置多個不同莫耳百分比濃度之丙烯酸十八烷基酯所形成之正溫度係數共聚物膜，而使其所能設置的環境溫度範圍更廣泛。

請進一步參閱第7B圖，可通過標準濾波技術改善所量測的信號，例如使用希爾伯特-黃轉換方法(Hilbert-Huang transform method，HHT)來減少高頻噪聲和基線漂移，以更容易估計呼吸頻率。第7B圖即是將第7圖中的波形以HHT轉換方法處理後之波形示意圖，但本發明並不限於此轉換方法。

綜前所述，藉由本發明之呼吸感測裝置及其製造方法，當透過交叉指狀型電極對施加偏壓於正溫度係數共聚物膜上時，該正溫度係數共聚物膜所產生之該電阻率變化能表示為使用者之呼吸狀況，據此，可有效檢測由使用者呼出氣流所引起的微小溫度變化，而使得該呼吸感測裝置中的正溫度係數共聚物膜產生一電阻率變化，該電阻率變化能表示為使用者之呼吸狀況。而通過在呼吸感測裝置中設置多個不同莫耳百分比濃度之丙烯酸十八烷基酯所形成之正溫度係數共聚物膜，可使呼吸感測裝置所能設置的環境溫度範圍更廣泛。因此，本發明之呼吸感測裝置可快速監測呼吸頻率，並具有成本低、高效能、高靈敏度之優點。

上述實施形態僅為例示性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

10‧‧‧呼吸感測裝置

11‧‧‧基板

12‧‧‧交叉指狀型電極對

13‧‧‧正溫度係數共聚物膜

14‧‧‧凹槽

Claims

一種呼吸感測裝置，包括：基板；至少一交叉指狀型電極對，設置於該基板上；以及至少一正溫度係數共聚物膜，設置於該交叉指狀型電極對上，係在使用者呼出氣流之溫度超過該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度時，使所量測之該正溫度係數共聚物膜之電阻率的數值有變化，據以得知使用者之呼吸頻率；其中，該正溫度係數共聚物膜係由丙烯酸丁酯及丙烯酸十八烷基酯所構成者。
如申請專利範圍第1項所述之呼吸感測裝置，其中，該交叉指狀型電極對及該正溫度係數共聚物膜之數量各為三個，且以陣列方式設置。
如申請專利範圍第2項所述之呼吸感測裝置，其中，該丙烯酸十八烷基酯之濃度範圍為30至50莫耳百分比。
如申請專利範圍第3項所述之呼吸感測裝置，其中，該丙烯酸十八烷基酯之濃度具體為34、40或50莫耳百分比，且其中，該丙烯酸十八烷基酯之34莫耳百分比濃度所對應之該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度為24度C，該丙烯酸十八烷基酯之40莫耳百分比濃度所對應之該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度為27度C，且該丙烯酸十八烷基酯之50莫耳百分比濃度所對應之該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度為29度C。
如申請專利範圍第1項所述之呼吸感測裝置，其中，該基板之背面形成有用於熱阻絕之凹槽，且該凹槽之位置係對應於該正溫度係數共聚物膜之位置。
一種呼吸感測裝置之製造方法，包括：於一基板上形成金屬層；圖案化該金屬層，以形成至少一交叉指狀型電極對；以及將至少一正溫度係數共聚物膜設置於該交叉指狀型電極對上，以依據使用者呼出氣流之溫度超過該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度時，使所量測之該正溫度係數共聚物膜之電阻率的數值有變化，俾據之得知使用者之呼吸頻率；其中，該正溫度係數共聚物膜係由丙烯酸丁酯及丙烯酸十八烷基酯所構成者。
如申請專利範圍第6項所述之呼吸感測裝置之製造方法，其中，於該基板上形成該金屬層之步驟前，還包括下列步驟：於玻璃基板上旋轉塗布第一犧牲層；於該第一犧牲層上形成該基板；以及於該基板上形成該金屬層；其中，於該圖案化該金屬層之步驟前，還包括下列步驟：於該基板上形成該金屬層後，於該金屬層上旋轉塗布第二犧牲層；圖案化該第二犧牲層；以及以圖案化之該第二犧性層作為遮罩，蝕刻該金屬層，使圖案化之該金屬層形成該交叉指狀型電極對；其中，於該圖案化該金屬層之步驟後，還包括下列步驟：移除圖案化之該第二犧牲層、該第一犧牲層及該玻璃基板；透過一遮罩蝕刻該基板之背面以形成凹槽；以及將該正溫度係數共聚物膜設置於該交叉指狀型電極對上，其中，該正溫度係數共聚物膜之位置係對應於該凹槽之位置。
如申請專利範圍第6項所述之呼吸感測裝置之製造方法，其中，該交叉指狀型電極對及該正溫度係數共聚物膜之數量各為三個，且以陣列方式設置。
如申請專利範圍第8項所述之呼吸感測裝置之製造方法，其中，該丙烯酸十八烷基酯之濃度範圍為30至50莫耳百分比。
如申請專利範圍第9項所述之呼吸感測裝置之製造方法，其中，該丙烯酸十八烷基酯之濃度具體為34、40或50莫耳百分比，且其中，該丙烯酸十八烷基酯之34莫耳百分比濃度所對應之該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度為24度C，該丙烯酸十八烷基酯之40莫耳百分比濃度所對應之該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度為27度C，且該丙烯酸十八烷基酯之50莫耳百分比濃度所對應之該正溫度係數共聚物膜之玻璃轉換溫度為29度C。