[发明专利]一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，属于微电子机械技术领域，包括测试腔和数字静电计，测试腔的上下内侧壁上分别设置有上下对称的上检测组件和下检测组件；上检测组件包括从上到下依次粘接的基板、电极以及第一薄膜，基板与测试腔的上内侧壁粘接；测试腔内设置有橡胶气囊，橡胶气囊上粘接有摩擦薄膜，橡胶气囊的左端连通有进气筒，橡胶气囊的右端连通有出气筒；橡胶气囊对称轴与上检测组件和下检测组件上下对称的对称轴重合；上检测组件和下检测组件均与数字静电计电连接，数字静电计接地，不需要外部提供供电系统且直接利用呼吸气的动能来驱动橡胶气囊的膨胀，实现自发的检测呼吸频次、呼吸气量以及目标气体的浓度。

技术领域

本发明涉及微电子机械技术领域，具体涉及一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法。

背景技术

人体呼吸气中的成分复杂，除了N₂，O₂，CO₂以及H₂O这些主要成分之外，还存在上百种其他痕量气体。呼吸气成分的变化来源于人体内部某些组织结构的新陈代谢。正常情况下，呼出气中这些气体的浓度会维持在一定的范围内。然而，如果这些组织结构发生病变，其新陈代谢势必出现问题，导致一些中间产物因无法分解而随呼吸气排出体外，因此我们可以通过检测呼出气中目标气体的浓度即可初步诊断人体所患疾病。

目前检测呼出气的方法主要有气相色谱法，同位素标定法，传感器检测法。气相色谱法的原理是通过不同气体在固定相中流速不同而发生分离，对分离的气体进行检测。尽管其精度很高，然而气相色谱仪过于笨重庞大，价格昂贵限制了它的应用；同位素标定法常用于幽门螺杆菌感染的胃病检测：通过口服C-13尿素胶囊，如果胃部存在幽门螺杆菌，则此菌就会分解尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成CO₂随血液进入肺部并以气体排出，然后检测患者呼出的气体中被标记C-13的浓度即可判断胃病的严重程度。但是口服药物对身体具有一定危害，且检测装置价格也比较高；传感器检测法基于目标气体与金属或其氧化物发生反应，从而导致材料电学性能发生改变。这类传感器具有价格低廉、检测极限较低等优点，但是传感器需供能加热以提供测试的工作条件，严重制约了其在室温条件工作的应用。近年来，有机高分子聚合物气敏材料的研究十分火热，它具有室温工作，材料易得，容易改性，价格低廉等诸多优势，逐渐取代了金属氧化物成为最具有前景的新气敏材料。

近几十年以来，随着化石能源的不断消耗并枯竭，寻找一种绿色、低碳、广泛、易获得的能源至关重要。在电子产品十分普及的情况之下，电池的使用数目急剧增加。然而传统电池内部有害物质的回收利用势必会对环境造成污染，且频繁地更换电池也会减少器件的使用寿命。因此，如果工作器件本身能够存储能量甚至是自发电以供能，可以节约大量的人力物力财力。自然界中存在许多微能源，如风能、潮汐能等，但由于以前的技术受限以及过低的转换效率，这类具有广大应用前景的能源的发掘与利用未能实现。

在2012年，一种新型的能量产生装置——摩擦纳米发电机的问世为微能源的利用提供了契机，它被证明是一种具有极高转换效率的装置。通过摩擦起电与静电感应相结合的原理，机械能驱动器件进行相对位置的周期性变化，从而使器件感应电荷发生周期性变化，在外电路形成往返的电流。结合气体传感器的运用，如果利用呼吸气流作为驱动源的同时又作为被测试对象，将摩擦纳米发电机与有机高分子聚合物气敏材料结合起来，形成一种一体化自供能气体传感器，就可以不需要额外的供能系统直接测得呼吸气中目标气体得浓度，这类传感器具有广大的应用前景。

发明内容

本发明针对传统的检测方法存在的价格昂贵，实用温度范围窄以及需要口服药伤害身体的问题，本发明提出了一种结构新颖、成本低廉、实用性高以及可充分利用自然界能量的呼吸驱动的自供能呼吸检测传感器。附着有摩擦材料的橡胶气囊发生膨胀-收缩，导致与上下第一薄膜发生接触-分离，在电极上的感应电荷与地形成回路，从而产生交变输出。

本发明的技术方案为：