[發明專利]一種基于杠桿原理的呼吸自驅動微氣流傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010165842.8
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111407281B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 蔣亞東;劉勃豪;太惠玲;王斯;段再華;袁震;謝光忠
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: A61B5/087
• 分類號: A61B5/087;A61B5/08;A61B5/093;H02N1/04;H02N1/06
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 軒勇麗

本發明公開了一種基于杠桿原理的呼吸自驅動微氣流傳感器及其制備方法，包括封裝腔、與封裝腔連通的出氣導管以及設置在封裝腔內的發電單元、流量收集單元，所述發電單元包括第一摩擦單元和第二摩擦單元，所述封裝腔內通過兩片柔性有機薄膜長條狀基板交叉形成費力杠桿，所述交叉處形成支點；距離支點遠的長杠桿末端分別相對的設置有第一摩擦單元和第二摩擦單元，距離支點的近的短杠桿末端設置有流量收集單元。本發明通過結合氣球漲縮與杠桿原理，使較長杠桿末端的負摩擦薄膜與其相對的正摩擦薄膜相互接觸分離工作，不但有效的利用了氣流的動能，而且減小了氣流中的水分在器件表面凝結導致的發電機性能變差的可能性。

技術領域

本發明涉及能量收集技術、微電子機械系統（MEMS）、傳感器和電子聚合物敏感材料領域，具體涉及一種基于杠桿原理的呼吸自驅動微氣流傳感器及其制備方法。

背景技術

風能作為一類普遍存在于自然界的可再生能源，其收集與利用廣泛存在于人類日常生活中，比如風車灌溉、風力發電等。除此之外，針對比如人體呼吸氣流大小頻率檢測反應人體生命體征、空調的氣流大小調控、密封包裝的漏氣檢測等微小氣流的能量檢測技術也十分關鍵，廣泛應用于醫療、工農業、航天領域。近些年來由于MEMS技術的發展，微流量傳感器可以比較精確地檢測微小氣流的變化。然而MEMS傳感器對外部電源的供電依賴不僅增大了能源消耗且加劇了電池使用所帶來的環境污染。因此，開發利用氣流能量的自驅動微流檢測技術具有十分重要的意義。摩擦納米發電機利用摩擦起電與靜電感應的耦合作用，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、環境友好等優點，目前已經初步的應用在風能的收集裝置上。而基于呼吸檢測等微小氣流的能量較小，需要對器件結構與材料進行設計以便盡可能有效地利用氣流動能。

目前而言，利用氣球作為載體，呼吸氣流導致氣球發生膨脹收縮壓迫摩擦薄膜產生接觸分離的裝置已有報道。比如專利號為CN 2019100809659報道了一種利用氣球壓迫折疊薄膜與對應薄膜進行接觸分離的發電單元，該裝置可以同時進行呼吸氣中目標氣體濃度的檢測。這類裝置由于氣流全部在氣球內部運動，氣流能量的利用效率得到明顯的提升。然而該裝置工作將導致氣流直接與器件接觸，其中的水分在器件表面凝結形成介電層，導致發電機輸出性能下降。此外，由于摩擦薄膜具有一定的應力，需要較大的氣球膨脹(較大氣流量)壓迫才能使摩擦薄膜通過形成形變來產生接觸分離，這對微小流量的檢測十分不利。因此，針對基于氣球脹縮能量的高效利用方式仍然具備可研究性。

杠桿原理作為一種基礎的力學原理，在各類工程領域得到了廣泛的應用。針對短動力臂施加微小的運動位移可以使長阻力臂的運動位移放大，但是如果動力臂過短則會導致所需施加的動力過大，不利于杠桿的工作。因此，合適力臂長度比的器件可以在一定微小氣流量驅動的前提下盡可能地產生較大的阻力臂位移。基于此，我們提出了一種基于杠桿原理的氣流自驅動微流量傳感器及其制備方法。

發明內容

本發明的目的在于：針對上述目前需要較大的氣流量直接的驅動摩擦薄膜產生接觸分離為傳感器供能，導致對微小流量的檢測不便以及的氣流中的水分容易在器件表面凝結形成介電層的問題，本發明的一個目的是提供一種基于杠桿原理的呼吸自驅動微氣流傳感器。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于杠桿原理的呼吸自驅動微氣流傳感器，包括封裝腔、與封裝腔連通的出氣導管以及設置在封裝腔內的發電單元、流量收集單元，所述發電單元包括第一摩擦單元和第二摩擦單元，其特征在于，所述封裝腔內通過兩片柔性有機薄膜長條狀基板交叉形成費力杠桿，所述交叉處形成支點；距離支點遠的長杠桿末端分別相對的設置有第一摩擦單元和第二摩擦單元，距離支點的近的短杠桿末端設置有流量收集單元，流量收集單元由氣球及與氣球連通的進氣導管組成，所述氣球與短杠桿的末端固定連接；

當氣流通過氣球時會驅動氣球進行膨脹收縮，由此帶來的形變將會撬動費力杠桿，迫使發電單元產生接觸分離從而得到輸出電信號，通過導線將電信號引出與靜電計連接。靜電計可以是Keithley 6514靜電計或者其他的具有類似功能的其他型號的靜電計。