自供能呼吸气传感器阵列及其制备方法转让专利
申请号 : CN201811439696.2
文献号 : CN109567808B
文献日 : 2021-07-09
发明人 : 苏元捷 , 谢光忠 , 杨叶 , 潘虹 , 王斯 , 杨铂汐 , 张秋平 , 太惠玲 , 杜晓松 , 蒋亚东
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:包括供能部分和探测部分,供能部分包括密闭的气体动能收集腔(6),气体动能收集腔(6)内设有聚合物定子(3)、平行于聚合物定子(3)并绕转轴(1)转动的聚合物转子(2),聚合物定子、聚合物转子、气体动能收集腔和气体测试腔关于转轴(1)同心设置,聚合物转子包括至少一个扇形叶片,扇形叶片靠近圆心的一端与转轴固定;聚合物转子和聚合物定子作为能量收集及传输单元:聚合物转子的表面有第一聚合物薄膜,聚合物定子的表面设有第二聚合物薄膜;第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜材料为摩擦电极性具有差别的材料,气体动能收集腔(6)上设有进气口(9),呼吸气进入进气口(9)后驱动聚合物转子转动,聚合物定子固定不转动,聚合物转子和聚合物定子两者相对转动在其表面形成等量异号的摩擦电荷,并对外输出时变电位移场能量;
探测部分包括圆形密闭的气体测试腔,气体测试腔和气体动能收集腔相互分离,二者通过气流通道连通,气体测试腔用于收集、测试气体;气体测试腔内设有至少一根金属接收极(4)以及一根参比电极;金属接收极和参比电极的两端都分别连接引线,引线用于引出信号到电流测试仪器的测试端;引线支撑金属接收极和参比电极使其平行于聚合物转子和聚合物定子所在平面,金属接收极的整个表面沉积着气敏薄膜,每个金属接收极表面的气敏薄膜材料不同,参比电极上不固定任何敏感材料,金属接收极用于无线收集时变电位移场能量并转化成感应电流,金属接收极呈条状;气敏薄膜固定在金属接收极上,构成气体敏感单元,气体敏感单元将其表面处由于气体吸附产生的化学特异性反应过程调制到输出信号当中,从而实现待测气体种类和浓度的自发主动检测;气体测试腔上设有出气口,出气口与出气管连接,用于排出待测呼吸气体。
2.根据权利要求1所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:金属接收极的材料选用铝、镍、铜、银、金、铂、氧化铟锡的一种;金属接收极直径范围为30‑700微米,长度范围为15mm 50mm。
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3.根据权利要求1所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:所述气敏薄膜材料为对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机材料。
4.根据权利要求3所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:所述气敏薄膜为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺、壳聚糖以及氧化石墨烯其中两种或三种不同材料所组成的复合膜。
5.根据权利要求1所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:聚合物转子表面的第一聚合物薄膜选用铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯或聚酰亚胺,薄膜厚度范围为10‑50微米。
6.根据权利要求1所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:聚合物定子表面的第二聚合物薄膜选用尼龙或聚氨酯或氟化镁,厚度范围为10‑50微米。
7.根据权利要求1所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:采用旋涂、喷涂、滴涂、sol‑gel、自组装、化学气相沉积其中一种方法将气敏薄膜材料沉积在金属接收极表面形成气体敏感单元。
8.根据权利要求1所述的一种自供能呼吸气传感器阵列,其特征在于:多个扇形叶片在聚合物转子所在圆周上沿周向均匀分布,金属接收极及参比电极在气体测试腔内部沿周向均匀分布。
说明书 :
自供能呼吸气传感器阵列及其制备方法
技术领域
背景技术
环境有着密切的关系。现代医学的相关病理学调查和研究表明,人类呼出气中含有丰富的
生理和疾病标志性信息,其中有多种组分可以作为疾病和代谢过程的"生物标记
(Biomaker)";因此可通过人体呼吸气体中某些标记性气体成分的检测来实现人体生理健
康监测。相较于传统的血液检测方法,呼吸气体诊断技术的可贵之处在于它的实时性、低成
本、无间断长期性和无损伤性,因此在重大疾病的早期诊断、代谢监测、疾病疗效监测以及
新药测试等方面有着广阔的应用前景,并更适用于社会复杂环境中人员的生理监测。随着
气体分析技术的发展,呼吸气体诊断技术不断成熟,目前常用检测技术主要包括四大类:气
相色谱法(Gas chromatography,GC),质谱法(Mass spectrometry,MS),电化学法及基于光
谱学的检测技术。然而,这些检测仪器或系统结构复杂、成本高、体积大、测试周期长、且都
需要配置电池或电源供电,因此很难实现便携可穿戴、实时连续、全天候自主检测人体生理
信息,从而极大地制约了移动医疗实时监测网络和个人健康系统的构造及其实用化和商业
化。面对日益增长的庞大患病人群和高昂的医疗费用,一种便捷、廉价、可携带的糖尿病和
肾病实时检测方法已成为当今社会民生安全和医疗健康领域亟待解决的重大需求。因此,
对设置于高危场所或偏远地区的传感器而言,实现长期稳定可靠的外部直接供电比较困
难,通过自供能技术将环境中的能量转化为电能,是解决移动医疗终端和无线传感节点供
电的一种理想方案。
测。本发明提出的呼吸气传感器利用了静电感应原理将气敏元件与供能单元集成在一起,
可直接将呼吸气流动能转换成电能实现自供能呼吸气探测,因此不需要额外的供电系统就
能实时地测得呼吸气体中的待测气体浓度。本发明提出的一体化自供能气体传感器制备过
程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高、充分利用了外界的能量。可实时、自主、无创地监测
人体呼吸气氛种类与浓度,为移动医疗诊断提供了理论和技术基础。
发明内容
快捷等新要求,发明了仅靠外界机械运动就能同时驱动的环境能量收集—无线能量传输—
自发主动检测一体化探测系统,且不需要外部供电就能独立工作。
腔和气体测试腔关于转轴1同心设置,聚合物转子包括至少一个扇形叶片,扇形叶片靠近圆
心的一端与转轴固定;聚合物转子和聚合物定子作为能量收集及传输单元:聚合物转子的
表面有第一聚合物薄膜,聚合物定子的表面设有第二聚合物薄膜;第一聚合物薄膜和第二
聚合物薄膜材料为摩擦电极性具有差别的材料,气体动能收集腔6上设有进气口9,呼吸气
进入进气口9后驱动聚合物转子转动,聚合物定子固定不转动,聚合物转子和聚合物定子两
者相对转动在其表面形成等量异号的摩擦电荷,并对外输出时变电位移场能量;
接收极4、以及一根参比电极;金属接收极和参比电极的两端都分别连接引线,引线用于引
出信号到电流测试仪器的测试端;引线支撑金属接收极和参比电极使其平行于聚合物转子
和聚合物定子所在平面,金属接收极的整个表面沉积着气敏薄膜,每个金属接收级表面的
气敏薄膜材料不同,参比电极上不固定任何敏感材料,金属接收极用于无线收集时变电位
移场能量并转化成感应电流,金属接收极呈条状;气敏薄膜固定在金属接收极上,构成气体
敏感单元,气体敏感单元将其表面处由于气体吸附产生的化学特异性反应过程调制到输出
信号当中,从而实现待测气体种类和浓度的自发主动检测;气体测试腔上设有出气口,出气
口与出气管连接,用于排出待测呼吸气体。
材料,第二聚合物薄膜为得电子能力弱的材料,因此两者接触将在第一聚合物薄膜表面带
上负电荷,而第二聚合物薄膜表面带上正电荷;
敏材料,参比电极表面不固定任何敏感材料,以形成自驱动气体传感器阵列;将气体测试腔
和气体动能收集腔通过气流通道连通,气体动能收集腔上打孔作为进气口,气体测试腔上
打孔作为出气口;
续、全天候自主检测人体生理信息监测。本发明利用具有实时性、无间断性的人体呼吸作为
气体诊断的能量来源,通过自供能技术(Self‑powered Technology)将人体呼吸气流的动
能转化成电能,从而对后端气敏元件持续供电,可实现24小时全天候独立自主的呼吸器实
时自供能监测与保障。该设计无需外接电源和电池,非常适合在偏远地区或欠发达地区的
人体生理监护和大规模的疾病筛查。本发明提出无线能量传输自驱动敏感机理与模型,发
明了仅靠外界机械运动就能同时驱动的环境能量收集—无线能量传输—自发主动检测一
体化探测系统,且不需要外部供电就能独立工作。将能量收集端的聚合物转子和聚合物定
子置于气体测试腔外,使得叶片旋转运动不会干扰气体测试腔流场以及气体分子吸/脱附,
从而最大程度上保证了气体检测的稳定性。此外,本发明完全基于聚合物材料的能量收
集—传输机制与方法,无需任何金属电极和线路连接,从而简化了器件结构与集成工艺,进
一步提升了能源模块与传感器阵列的兼容性。
附图说明
具体实施方式
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。
腔和气体测试腔关于转轴1同心设置,聚合物转子包括至少一个扇形叶片,扇形叶片靠近圆
心的一端与转轴固定;聚合物转子和聚合物定子作为能量收集及传输单元:聚合物转子的
表面有第一聚合物薄膜,聚合物定子的表面设有第二聚合物薄膜;第一聚合物薄膜和第二
聚合物薄膜材料为摩擦电极性具有差别的材料,气体动能收集腔6上设有进气口9,呼吸气
进入进气口9后驱动聚合物转子转动,聚合物定子固定不转动,聚合物转子和聚合物定子两
者相对转动在其表面形成等量异号的摩擦电荷,并对外输出时变电位移场能量;
接收极4、以及一根参比电极;金属接收极和参比电极的两端都分别连接引线,引线用于引
出信号到电流测试仪器的测试端;引线支撑金属接收极和参比电极使其平行于聚合物转子
和聚合物定子所在平面,金属接收极的整个表面沉积着气敏薄膜,每个金属接收级表面的
气敏薄膜材料不同,参比电极上不固定任何敏感材料,金属接收极用于无线收集时变电位
移场能量并转化成感应电流,金属接收极呈条状;气敏薄膜固定在金属接收极上,构成气体
敏感单元,气体敏感单元将其表面处由于气体吸附产生的化学特异性反应过程调制到输出
信号当中,从而实现待测气体种类和浓度的自发主动检测;气体测试腔上设有出气口,出气
口与出气管连接,用于排出待测呼吸气体。
材料,第二聚合物薄膜为得电子能力弱的材料,因此两者接触将在第一聚合物薄膜表面带
上负电荷,而第二聚合物薄膜表面带上正电荷;
敏材料,参比电极表面不固定任何敏感材料,以形成自驱动气体传感器阵列;将气体测试腔
和气体动能收集腔通过气流通道连通,气体动能收集腔上打孔作为进气口,气体测试腔上
打孔作为出气口;
气流作用下同轴旋转并对外输出空间时变电位移场能量(位移电流)(图2(a))。而于后端的
金属接收极用于无线收集介质层产生的时变电位移场能量,并转化成交变感应电流(图2
(b))。图3展示了沿Y轴的金属接收极位置上的电位移场分布情况。从图可知,在外电场的作
用下,接收极中的自由电子定向移动,对外输出交变电流,从而实现了外界机械能向电能的
转变。
接收极(图4a),将接收极表面处的化学特异性反应过程调制到输出信号当中,实现对待测
气体种类和浓度的自驱动检测。当器件结构处于真空环境下(图4b),金属接收极的信号输
出将只取决于空间电位移场。在干燥空气中,氧气分子吸附在敏感薄膜表面形成氧离子(图
4c),该过程将吸收接收极上的感应电荷从而减小感应电流。随后,通入的氨气气体将与材
料表面阳离子反应并释放出电子(图4d),从而增大金属接收极感应电流。所以,金属接收极
的输出电流将随通入待测呼吸气体的浓度变化而改变。因此,可通过检测传感器输出电学
参量反推出呼吸气体中待测气体的浓度。
其中一根上不固定任何敏感材料作为参考电极,以形成自驱动气体传感器阵列。由此,可以
根据对应金属接收极上的电流变化来反推出混杂气氛中相应气体的浓度。需要指出的是,
由于器件结构以及所形成电位移场的空间对称性,各个接收极收集到的能量是完全相同
的,所以可灵活、便捷地设定接收极的数目及其固定的气敏薄膜(图5a、图5b),以满足混杂
气体探测的具体要求。
而最大程度上保证了气体检测的稳定性。
的氨气气体。
此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成
的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。