[發明專利]一種人體呼吸自驅動的柔性呼吸傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201811000346.6
• 申請日: 2018-08-30
• 公開（公告）號: CN109164140B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 太惠玲;劉勃豪;王斯;袁震;黃琦;蔣亞東;謝光忠
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;A61B5/08;A61B5/093
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 蔣秀清;李春芳

本發明公開了一種人體呼吸自驅動的柔性呼吸傳感器，屬于微電子機械技術領域，包括測試腔和數字靜電計，測試腔的上下內側壁上分別設置有上下對稱的上檢測組件和下檢測組件；上檢測組件包括從上到下依次粘接的基板、電極以及第一薄膜，基板與測試腔的上內側壁粘接；測試腔內設置有橡膠氣囊，橡膠氣囊上粘接有摩擦薄膜，橡膠氣囊的左端連通有進氣筒，橡膠氣囊的右端連通有出氣筒；橡膠氣囊對稱軸與上檢測組件和下檢測組件上下對稱的對稱軸重合；上檢測組件和下檢測組件均與數字靜電計電連接，數字靜電計接地，不需要外部提供供電系統且直接利用呼吸氣的動能來驅動橡膠氣囊的膨脹，實現自發的檢測呼吸頻次、呼吸氣量以及目標氣體的濃度。

技術領域

本發明涉及微電子機械技術領域，具體涉及一種人體呼吸自驅動的柔性呼吸傳感器及其制備方法。

背景技術

人體呼吸氣中的成分復雜，除了N₂，O₂，CO₂以及H₂O這些主要成分之外，還存在上百種其他痕量氣體。呼吸氣成分的變化來源于人體內部某些組織結構的新陳代謝。正常情況下，呼出氣中這些氣體的濃度會維持在一定的范圍內。然而，如果這些組織結構發生病變，其新陳代謝勢必出現問題，導致一些中間產物因無法分解而隨呼吸氣排出體外，因此我們可以通過檢測呼出氣中目標氣體的濃度即可初步診斷人體所患疾病。

目前檢測呼出氣的方法主要有氣相色譜法，同位素標定法，傳感器檢測法。氣相色譜法的原理是通過不同氣體在固定相中流速不同而發生分離，對分離的氣體進行檢測。盡管其精度很高，然而氣相色譜儀過于笨重龐大，價格昂貴限制了它的應用；同位素標定法常用于幽門螺桿菌感染的胃病檢測：通過口服C-13尿素膠囊，如果胃部存在幽門螺桿菌，則此菌就會分解尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成CO₂隨血液進入肺部并以氣體排出，然后檢測患者呼出的氣體中被標記C-13的濃度即可判斷胃病的嚴重程度。但是口服藥物對身體具有一定危害，且檢測裝置價格也比較高；傳感器檢測法基于目標氣體與金屬或其氧化物發生反應，從而導致材料電學性能發生改變。這類傳感器具有價格低廉、檢測極限較低等優點，但是傳感器需供能加熱以提供測試的工作條件，嚴重制約了其在室溫條件工作的應用。近年來，有機高分子聚合物氣敏材料的研究十分火熱，它具有室溫工作，材料易得，容易改性，價格低廉等諸多優勢，逐漸取代了金屬氧化物成為最具有前景的新氣敏材料。

近幾十年以來，隨著化石能源的不斷消耗并枯竭，尋找一種綠色、低碳、廣泛、易獲得的能源至關重要。在電子產品十分普及的情況之下，電池的使用數目急劇增加。然而傳統電池內部有害物質的回收利用勢必會對環境造成污染，且頻繁地更換電池也會減少器件的使用壽命。因此，如果工作器件本身能夠存儲能量甚至是自發電以供能，可以節約大量的人力物力財力。自然界中存在許多微能源，如風能、潮汐能等，但由于以前的技術受限以及過低的轉換效率，這類具有廣大應用前景的能源的發掘與利用未能實現。

在2012年，一種新型的能量產生裝置——摩擦納米發電機的問世為微能源的利用提供了契機，它被證明是一種具有極高轉換效率的裝置。通過摩擦起電與靜電感應相結合的原理，機械能驅動器件進行相對位置的周期性變化，從而使器件感應電荷發生周期性變化，在外電路形成往返的電流。結合氣體傳感器的運用，如果利用呼吸氣流作為驅動源的同時又作為被測試對象，將摩擦納米發電機與有機高分子聚合物氣敏材料結合起來，形成一種一體化自供能氣體傳感器，就可以不需要額外的供能系統直接測得呼吸氣中目標氣體得濃度，這類傳感器具有廣大的應用前景。

發明內容

本發明針對傳統的檢測方法存在的價格昂貴，實用溫度范圍窄以及需要口服藥傷害身體的問題，本發明提出了一種結構新穎、成本低廉、實用性高以及可充分利用自然界能量的呼吸驅動的自供能呼吸檢測傳感器。附著有摩擦材料的橡膠氣囊發生膨脹-收縮，導致與上下第一薄膜發生接觸-分離，在電極上的感應電荷與地形成回路，從而產生交變輸出。

本發明的技術方案為：