[发明专利]一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及呼吸监测设备技术领域，具体涉及一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法。本发明的盒体结构的底壁上设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元均包括依次层叠的基底层、导电电极层、摩擦层，第二摩擦单元固定于盒体结构的底壁，第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层正相对；第一摩擦单元的基底层处设有受力挡板，盒体结构与受力挡板之间连接有气球，气球与盒体结构上设置的进气管连通，盒体结构的侧壁设有出气管，第一摩擦单元的导电电极层与第二摩擦单元的导电电极层分别通过导线与外部的静电计电连接，本发明利用人体呼吸气流微能量实现自供能，对人体呼吸行为的实时自供能监测。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)及呼吸监测领域，具体为一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法。

背景技术

呼吸作为人体重要的生理行为，不仅是反应人体健康状况的重要生理指标，相较于传统的血液检测、比色法等技术，呼吸诊断方法具有实时性、可连续性、无损伤性和舒适性等特点。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，需要开发自供能呼吸监测器件以解决传统呼吸传感器的不足。

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的耦合作用，摩擦纳米发电机可广泛收集环境中各种形式的微能源，如风能、人体运动机械能或海洋能等，并将其转化为电信号输出。呼吸气流本身作为一种微能量，可通过设计合适的发电机结构实现易于呼吸气流自驱动的自供能呼吸监测传感器制备，实现无需外部电源的自发自主呼吸参数监测，这类呼吸气流自驱动的呼吸监测传感器突破了传统柔性传感器局限，为实现柔性可穿戴的无创多参数呼吸监测开创了新途径，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对上述的问题，本发明的目的在于提供一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器及其制备方法，该呼吸监测传感器可充分利用人体呼吸气流微能量实现自供能，可实现对人体呼吸行为的实时自供能监测，其具有易于呼吸气流驱动、制备工艺简单、加工成本低、可大批量生产等优点。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种三维折叠式呼吸自驱动柔性呼吸监测传感器，包括内部中空的盒体结构，盒体结构的底壁上设有均呈波浪型板的第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元均包括依次层叠的基底层、导电电极层、摩擦层，第二摩擦单元固定于盒体结构的底壁，第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层正相对；第一摩擦单元的基底层处设有受力挡板，盒体结构与受力挡板之间连接有气球，气球与盒体结构上设置的进气管连通，盒体结构的侧壁还设有出气管，在人体呼吸作用下，气球通过挡板带动第一摩擦单元的摩擦层与第二摩擦单元的摩擦层不断接触分离；第一摩擦单元的导电电极层与所述第二摩擦单元的导电电极层分别通过导线与外部的静电计电连接。

具体地，第一摩擦单元与第二摩擦单元之间保持适当距离，当使气球膨胀到最大程度时第一单元的摩擦层与第二单元的摩擦层刚好重叠在一起，以获得最优的输出电信号。在人体呼吸作用下，呼气过程气球膨胀将第一摩擦单元推向第二摩擦单元，吸气过程气球收缩拉回第一摩擦单元，使得两个摩擦层不断接触分离，在两层金电极上形成感应电荷，从而在外部电路产生交变输出。不同呼吸气流量驱动下，气球膨胀程度的不同使得两个摩擦层之间接触距离发生改变，从而改变输出电信号，以此实现对不同呼吸气流量的监测，测试过程通过一个微型流量计对限流程度进行标定。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，导电电极层呈薄片结构，导电电极层的材料为铝、镍、铜、银、金中的任意一种。

进一步地,在本发明较佳的实施例中，导电电极层的厚度为100-200nm，以保证良好的电子传导与静电感应能力。