[发明专利]一种同时检测呼吸流量与湿度的自驱动装置及其制备方法

说明书

本发明公开了一种同时检测呼吸流量与湿度的自驱动装置及其制备方法，弹性气球内壁对立附着有正摩擦材料I与负摩擦材料I形成一个摩擦纳米发电机；气球外壁附着有正摩擦材料II，与对立的测试腔内壁附着有负摩擦材料II形成另一个摩擦纳米发电机。弹性气球放置在测试腔中，通过导管与外界相连。两个发电机系统通过导线分别与两台6514静电计形成电通道检测。由于气球在呼吸驱动下形成周期性的膨胀收缩，导致所述的内外壁侧附着的摩擦薄膜产生接触‑分离电压信号。由于呼出气仅在气球内部与导管内发生流动，因此气球外壁处的发电机单元将不受呼吸气湿度的影响，因此通过不同结构补偿型这一传感器基础模型可以将呼出气流量与湿度信号分离出来。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、传感器、信号处理领域，具体涉及一种同时检测呼吸流量与湿度的自驱动装置及其制备方法。

背景技术

呼吸作为人体重要的生理行为，是反映人体健康状况的重要生理指标之一。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。目前主流的呼吸传感器检测装置由流量检测计、分析呼出气中目标气体浓度的气相色谱仪等组成。然而气相色谱仪由于体积庞大、价格高昂等不足限制了呼吸传感器检测装置朝小型化、集成化发展。此外，装置的高能耗特点限制了该类装置的使用地点。因此，寻找一种低功耗、体积小、多功能的呼吸检测装置迫在眉睫。

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。呼吸气流本身作为一种微能量，可以利用呼吸气流的能量来驱使装置实现自发工作。受此启发，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。

目前而言，利用气球作为载体，呼吸气流导致气球发生膨胀收缩压迫摩擦薄膜产生接触分离的装置已有报道。比如CN 201811000346.6报道了一种气球膨胀收缩导致外壁摩擦薄膜与测试腔内侧发生相互接触分离的发电装置，由于呼吸气经气球可以通入测试腔中，因此通过观察发电机电压的变化可以进行呼吸气检测。又如CN 201910080965.9报道了一种利用气球压迫折叠薄膜与对应薄膜进行接触分离的发电装置，该装置可以同时进行呼吸气中目标气体浓度的检测。这类装置由于气流全部在气球内部运动，气流能量的利用效率得到明显的提升。然而上述两类器件都存在不足：由于摩擦薄膜暴露在呼吸气环境中，因此无法实现同时检测呼出气流量与呼出气目标气体浓度(因为呼出气流量与目标气体最终都是调控发电机的输出电压幅值)。而如果采用两个呼吸驱动装置对上述两种呼吸行为分别检测则不利于器件的小型化与集成化。在上述背景环境下，如何实现一个呼吸驱动装置对多种呼吸行为进行探测的研究对这类装置的进一步发展十分重要。

在这里，我们设计了一种同时检测呼吸流量与湿度的自驱动装置。通过同一个呼吸驱动装置实现两个摩擦纳米发电机的同时工作，由于呼吸气只在气球内部流动，因此附着在气球外壁的摩擦纳米发电机(发电单元)将不受呼出气湿度的影响。通过不同结构补偿型这一传感器基础模型可以将受到流量与湿度共同影响的发电单元输出信号中的湿度信息与流量信息分离出来。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种同时检测呼吸流量与湿度的自驱动装置及其制备方法，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，可大批量生产本发明采用的技术方案如下：

一种同时检测呼吸流量与湿度的自驱动装置，弹性气球内壁对立附着有正摩擦材料I与负摩擦材料I形成一个摩擦纳米发电机；气球外壁附着有正摩擦材料II，与对立的测试腔内壁附着有负摩擦材料II形成另一个摩擦纳米发电机。弹性气球放置在测试腔中，通过导管与外界相连。两个发电机系统通过导线分别与两台6514静电计形成电通道检测。由于气球在呼吸驱动下形成周期性的膨胀收缩，导致所述的内外壁侧附着的摩擦薄膜产生接触-分离电压信号。由于呼出气仅在气球内部与导管内发生流动，因此气球外壁处的发电机单元将不受呼吸气湿度的影响。此外考虑到湿度与流量之间对发电机的输出信号无交叉干扰，因此通过不同结构补偿型这一传感器基础模型可以将呼出气流量与湿度信号分离出来。