[發明專利]一種基于仿生鼻腔結構的自供能呼吸傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201810866613.1
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN108872318B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 謝光忠;李雙定;蘇元捷;楊鉑汐;潘虹;張秋平;黎威志;太惠玲;杜曉松;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02;H02N1/04
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種基于仿生鼻腔結構的自供能呼吸傳感器及其制備方法，屬于傳感器技術領域。本發明在絕緣筒內壁表面覆蓋電極層，在電極層上設置如同鼻毛一般沿絕緣筒內壁面內法線方向設置的摩擦起電單元，整齊排列形成發電陣列，其中摩擦起電單元包括柔性摩擦層、導電層和敏感薄膜層，在呼吸氣流驅動下，相鄰摩擦起電單元形成接觸?分離循環，從而產生感應電荷，并經電極層向外部檢測電路輸出電信號。本發明相比傳統傳感器，在保證器件微型化的同時，通過增加摩擦接觸面積顯著增強了輸出的電信號，有利于提高檢測精度，且器件結構設計新穎簡單、成本低廉、輕便易攜，并且材料簡單易得、加工方便，本發明傳感器無需在特殊環境，兼容性強，應用場合不受限制。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，具體涉及一種基于仿生鼻腔結構的自供能呼吸傳感器及其制備方法。

背景技術

現有研究已表明，人呼吸中物質的種類及含量與人的身體狀況有關，由此發展出一種新興的疾病診斷方式——呼吸診斷，即通過檢測人呼出氣體成分的變化，反映相應組織細胞代謝的變化，進而表征出人身體的健康狀況。相比較傳統的診斷方法，呼吸診斷憑借其更為快捷、方便的優勢，逐漸受到越來越多研究人員的重視并獲得了迅速發展，例如：檢查胃幽門螺旋桿菌(HP)廣泛采用呼氣試驗；哮喘的臨床診斷將呼出氣冷凝液中的氮氧化物含量作為重要檢測指標；除此之外，糖尿病檢測以及肺癌的早期診斷，呼吸檢測也一直是研究熱點。

呼吸檢測作為呼吸診斷的基礎，其所要達到的目的便是準確測定人呼出氣體中物質的成分及含量，并以此為依據確定與病理改變相關的特征性氣體成本，再通過統計、模式識別等方式建立病診斷模型。因此，開發一種針對人呼吸中氣體物質檢測的傳感器(即呼吸傳感器)具有重要意義，呼吸傳感器的研發在呼吸診斷領域具有廣闊的市場發展前景。

氣敏元件是用來響應待測氣體的元件，其是氣體傳感器中將化學信號轉換為電信號的核心元件，然而測量電阻或電容的變化通常都需要與之配套的電路系統，并且需要外部電源為其提供能量，這就使得氣體傳感器需要很多輔助元件，導致整體結構復雜、難以攜帶，而且能耗高，無法長期滿足此類傳感器的工作需求。自供能技術從采集外界環境中能量供給自身工作，研究基于自供能技術的氣體傳感器對于解決器件長期自主供電不失為一種較為理想的方案。如今，能量采集技術以及新能源的探索成為了各學科中研究領域的前沿方向。雖然傳統電力技術已經發展了近兩百年，但是人類對于新能量以及新型能量收集方法的探索卻從未停止過，比如光電效應、壓電效應、熱釋電效應、電化學反應以及靜電感應等。為解決傳統氣體傳感器壽命短、功耗高，需要外部電源供電等問題，研究人員已經將自供能技術引進到氣體傳感器研究中，開發了諸如基于光電效應或光伏效應的自供能氣體傳感器，然而這類設備具有輸出小、制作復雜、成本高、難以大規模集成等缺陷，制約了呼吸傳感器的實用化和商業化。

機械能作為自然界最為普遍的能量形式之一，其具有分布廣泛、規模巨大、清潔環保、可直接收集等特點，近年逐漸成為了能源和材料研究領域的熱點。摩擦起電是日常生活中一種十分普遍的現象，它指的是通過物體之間通過物理接觸所產生的電荷轉移過程。日常靜電便是因摩擦起電過程中摩擦電荷發生轉移而產生的，摩擦起電過程中摩擦電荷的形成依賴于接觸材料的摩擦電極性的差異。雖然摩擦起電這一普遍現象被人類認知近千年的時間，但是其形成機制仍然沒有被完全研究清楚。現目前科學界比較被認同的一種解釋是，兩種具有不同摩擦電極性的材料接觸時，在其接觸處部分位置形成了化學鍵，化學鍵的形成會使得電荷從一種材料轉移到另一種材料以平衡兩者的電化學勢，轉移的電荷可以是電子、離子或是分子；當上述兩種材料分離時，接觸面的一些鍵原子會保留住多余的電子，另一些鍵原子則會擯棄多余的電子，從而在接觸面表面形成摩擦電荷。通過摩擦起電和靜電感應的耦合作用所制備的摩擦電納米發電機，能夠將環境中的機械能直接轉換為電信號輸出，具有輸出信號強、結構簡單、成本低廉、集成度高等優點，為自供能氣體傳感器的研究提供了一個發展新方向。

發明內容