[發(fā)明專利]一種同時(shí)檢測(cè)呼吸流量與濕度的自驅(qū)動(dòng)裝置及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110051583.0
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN112806985B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 太惠玲;劉勃豪;蔣亞東;王斯;段再華;袁震;謝光忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/08
• 分類號(hào): A61B5/08;A61B5/087;H02N1/04
• 代理公司: 成都弘毅天承知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51230
• 代理人: 梁偉東

本發(fā)明公開了一種同時(shí)檢測(cè)呼吸流量與濕度的自驅(qū)動(dòng)裝置及其制備方法，彈性氣球內(nèi)壁對(duì)立附著有正摩擦材料I與負(fù)摩擦材料I形成一個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)；氣球外壁附著有正摩擦材料II，與對(duì)立的測(cè)試腔內(nèi)壁附著有負(fù)摩擦材料II形成另一個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)。彈性氣球放置在測(cè)試腔中，通過導(dǎo)管與外界相連。兩個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過導(dǎo)線分別與兩臺(tái)6514靜電計(jì)形成電通道檢測(cè)。由于氣球在呼吸驅(qū)動(dòng)下形成周期性的膨脹收縮，導(dǎo)致所述的內(nèi)外壁側(cè)附著的摩擦薄膜產(chǎn)生接觸?分離電壓信號(hào)。由于呼出氣僅在氣球內(nèi)部與導(dǎo)管內(nèi)發(fā)生流動(dòng)，因此氣球外壁處的發(fā)電機(jī)單元將不受呼吸氣濕度的影響，因此通過不同結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型這一傳感器基礎(chǔ)模型可以將呼出氣流量與濕度信號(hào)分離出來。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量收集技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、傳感器、信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)檢測(cè)呼吸流量與濕度的自驅(qū)動(dòng)裝置及其制備方法。

背景技術(shù)

呼吸作為人體重要的生理行為，是反映人體健康狀況的重要生理指標(biāo)之一。相較于傳統(tǒng)的血液檢測(cè)、比色法等技術(shù)，呼吸診斷方法具有實(shí)時(shí)性、可連續(xù)性、無損傷性和舒適性等特點(diǎn)。目前主流的呼吸傳感器檢測(cè)裝置由流量檢測(cè)計(jì)、分析呼出氣中目標(biāo)氣體濃度的氣相色譜儀等組成。然而氣相色譜儀由于體積龐大、價(jià)格高昂等不足限制了呼吸傳感器檢測(cè)裝置朝小型化、集成化發(fā)展。此外，裝置的高能耗特點(diǎn)限制了該類裝置的使用地點(diǎn)。因此，尋找一種低功耗、體積小、多功能的呼吸檢測(cè)裝置迫在眉睫。

在2012年，一種新型的能量產(chǎn)生裝置——摩擦納米發(fā)電機(jī)的問世為微能源的利用提供了契機(jī)，它被證明是一種具有極高轉(zhuǎn)換效率的裝置。呼吸氣流本身作為一種微能量，可以利用呼吸氣流的能量來驅(qū)使裝置實(shí)現(xiàn)自發(fā)工作。受此啟發(fā)，可通過設(shè)計(jì)合適的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)易于呼吸氣流自驅(qū)動(dòng)的自供能呼吸監(jiān)測(cè)傳感器制備。

目前而言，利用氣球作為載體，呼吸氣流導(dǎo)致氣球發(fā)生膨脹收縮壓迫摩擦薄膜產(chǎn)生接觸分離的裝置已有報(bào)道。比如CN 201811000346.6報(bào)道了一種氣球膨脹收縮導(dǎo)致外壁摩擦薄膜與測(cè)試腔內(nèi)側(cè)發(fā)生相互接觸分離的發(fā)電裝置，由于呼吸氣經(jīng)氣球可以通入測(cè)試腔中，因此通過觀察發(fā)電機(jī)電壓的變化可以進(jìn)行呼吸氣檢測(cè)。又如CN 201910080965.9報(bào)道了一種利用氣球壓迫折疊薄膜與對(duì)應(yīng)薄膜進(jìn)行接觸分離的發(fā)電裝置，該裝置可以同時(shí)進(jìn)行呼吸氣中目標(biāo)氣體濃度的檢測(cè)。這類裝置由于氣流全部在氣球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，氣流能量的利用效率得到明顯的提升。然而上述兩類器件都存在不足：由于摩擦薄膜暴露在呼吸氣環(huán)境中，因此無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)呼出氣流量與呼出氣目標(biāo)氣體濃度(因?yàn)楹舫鰵饬髁颗c目標(biāo)氣體最終都是調(diào)控發(fā)電機(jī)的輸出電壓幅值)。而如果采用兩個(gè)呼吸驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)上述兩種呼吸行為分別檢測(cè)則不利于器件的小型化與集成化。在上述背景環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)呼吸驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)多種呼吸行為進(jìn)行探測(cè)的研究對(duì)這類裝置的進(jìn)一步發(fā)展十分重要。

在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種同時(shí)檢測(cè)呼吸流量與濕度的自驅(qū)動(dòng)裝置。通過同一個(gè)呼吸驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)的同時(shí)工作，由于呼吸氣只在氣球內(nèi)部流動(dòng)，因此附著在氣球外壁的摩擦納米發(fā)電機(jī)(發(fā)電單元)將不受呼出氣濕度的影響。通過不同結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型這一傳感器基礎(chǔ)模型可以將受到流量與濕度共同影響的發(fā)電單元輸出信號(hào)中的濕度信息與流量信息分離出來。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供了一種同時(shí)檢測(cè)呼吸流量與濕度的自驅(qū)動(dòng)裝置及其制備方法，該自供能器件制備工藝步驟簡(jiǎn)單，加工成本低，體積小，重量輕，可大批量生產(chǎn)本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種同時(shí)檢測(cè)呼吸流量與濕度的自驅(qū)動(dòng)裝置，彈性氣球內(nèi)壁對(duì)立附著有正摩擦材料I與負(fù)摩擦材料I形成一個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)；氣球外壁附著有正摩擦材料II，與對(duì)立的測(cè)試腔內(nèi)壁附著有負(fù)摩擦材料II形成另一個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)。彈性氣球放置在測(cè)試腔中，通過導(dǎo)管與外界相連。兩個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過導(dǎo)線分別與兩臺(tái)6514靜電計(jì)形成電通道檢測(cè)。由于氣球在呼吸驅(qū)動(dòng)下形成周期性的膨脹收縮，導(dǎo)致所述的內(nèi)外壁側(cè)附著的摩擦薄膜產(chǎn)生接觸-分離電壓信號(hào)。由于呼出氣僅在氣球內(nèi)部與導(dǎo)管內(nèi)發(fā)生流動(dòng)，因此氣球外壁處的發(fā)電機(jī)單元將不受呼吸氣濕度的影響。此外考慮到濕度與流量之間對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)無交叉干擾，因此通過不同結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型這一傳感器基礎(chǔ)模型可以將呼出氣流量與濕度信號(hào)分離出來。