[发明专利]一种呼吸自驱动肺量检测装置及其制备方法

说明书

本发明公开了一种呼吸自驱动肺量检测装置及其制备方法，轻质塑料小球放置在密封测试腔进气口处，在密封测试腔两侧交替的放置左侧电极栅和右侧电极栅，每个电极与地之间的输出电压由电压计检测，进出气口与导管相连。由于小球表面存在呼吸驱动力‑重力相互作用力，因此可以实现呼吸驱动小球的周期性上下飘动，与对应的电极产生滑动‑分离发电信号。交替放置的电极栅可以减少电极与小球滑动的空隙位置，提升发电效率与检测精度。通过检测电极栅对应位置的输出电压变化可以了解被检测人员呼吸的实时状态。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、探测器、信号处理领域，具体涉及一种呼吸自驱动肺量检测装置及其制备方法。

背景技术

近年来,人们对哮喘发病机理的认识及其治疗有了很大的进展,其中对哮喘患者进行客观的肺功能监护已愈益受到人们的重视,这是降低哮喘发病率和死亡率的重要环节。利用肺量则定法(Spirometry)测定患者的肺活量(VC)、1秒钟用力呼气流量(FEV1)、及25％至75％肺活量时的用力呼气流速(FEF_25～75)等,可较全面地反映患者大小气道的功能状态,但需要一定的设备,且只能在医院里进行。因此针对简单、高效、准确的肺量检测装置的设计研究十分关键。

近年来，浮子传感器由于体积小、价格低廉等优势广泛的应用在气流量检测领域。利用浮子在工作过程中受呼吸驱动力与重力相互作用的状态，可以实现实时流量的检测。然而这类传感器不能验证哮喘患者气道的其他功能状态，比如最大呼气流速，限制了这类传感器在健康检测方向的应用。

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今天，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。

因此，赋予浮子传感器中浮子以流量探测与发电功能是解决目前困境的一种有效的手段。基于此，我们提出了一种基于摩擦电原理的自驱动肺量检测装置设计，通过研究塑料小球与电极栅之间的电位变化可以得到呼出气流的实时流量与最大呼气速率。

发明内容

本发明给出了一种呼吸自驱动肺量检测装置及其制备方法，该自供能器件制备工艺步骤简单，加工成本低，体积小，重量轻，可大批量生产。

一种呼吸自驱动肺量检测装置及其制备方法，轻质塑料小球放置在密封测试腔进气口处，在密封测试腔两侧交替的放置左侧电极栅和右侧电极栅，每个电极与地之间的输出电压由电压计检测，进出气口与导管相连。通过检测电极栅对应位置的输出电压变化对被检测人员呼吸的实时状态进行监测。由于小球表面存在呼吸驱动力-重力相互作用力，因此可以实现呼吸驱动小球的周期性上下飘动，与对应的电极产生滑动-分离发电信号。交替放置的电极栅可以减少电极与小球滑动的空隙位置，提升发电效率与检测精度。通过检测电极栅对应位置的输出电压变化可以了解被检测人员呼吸的实时状态。

进一步的说，左侧电极栅与右侧电极栅交叉对立放置，电极栅之间无电联通。导电电极栅厚度为100-200nm，间距可调，且柔性有机薄膜的厚度范围为30-300um。

进一步说，所述轻质塑料小球为摩擦电序列偏向负电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、铁氟龙(PTFE)、普通发泡泡沫等。

一种呼吸自驱动肺量检测装置的制备方法包括以下步骤：

步骤1：取一块厚度为0.1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板经化学试剂丙酮、乙醇等清洗并干燥,然后切割成长条形状。