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首页 / 专利分类库 / 一般喷射或雾化;对表面涂覆流体的一般方法 / 气体流量传感器、制备方法及可穿戴呼吸流量监测鼻塞

气体流量传感器、制备方法及可穿戴呼吸流量监测鼻塞

申请号 CN202410061969.3 申请日 2024-01-16 公开(公告)号 CN117906693A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 上海交通大学; 发明人 杨卓青; 王嘉祥;
摘要 本 发明 涉及一种气体流量 传感器 、制备方法及可穿戴呼吸流量监测鼻塞,其中气体流量传感器包括:基底;以及金属敏感单元,其设置在所述基底的表面,所述金属敏感单元为三 角 波叉指 电极 。可穿戴呼吸流量监测鼻塞包括:气体流量传感器;以及柔性鼻塞 支撑 器,其被配置为搭载所述气体流量传感器,且能够固定于鼻腔内部。可穿戴呼吸流量监测鼻塞可随时随地佩戴进行呼吸监测,该传感器的敏感部分置于 硅 胶鼻塞中,佩戴时无异物感,使得患者可以在清醒以及睡眠时对呼吸流量进行长期监测,可以帮助监测术后恢复期的患者鼻呼吸量的变化以及睡眠过程中的呼吸异常情况,而且操作方便、成本低、测量 精度 高,无监测地点限制。
权利要求

1.一种气体流量传感器,其特征在于,包括:
基底;以及
金属敏感单元,其设置在所述基底的表面,所述金属敏感单元为三波叉指电极
2.根据权利要求1所述的气体流量传感器,其特征在于,还包括封装绝缘层,其包覆所述金属敏感单元。
3.根据权利要求1所述的气体流量传感器,其特征在于,所述金属敏感单元呈锯齿形;
和/或
所述金属敏感单元的两端具有连接部。
4.根据权利要求1所述的气体流量传感器,其特征在于,所述三角波叉指电极的叉指间距为50um‑300um;和/或
三角波的角度为30度到150度;和/或
所述三角波叉指电极的对数为5‑20对。
5.根据权利要求1所述的气体流量传感器,其特征在于,所述基底的长度为8mm‑10mm,宽度为5mm‑6mm,厚度为0.7mm‑1mm;和/或
所述封装绝缘层的厚度为200nm‑300nm;和/或
所述金属敏感单元的线宽为50um‑200um。
6.一种气体流量传感器的制备方法,其特征在于,包括:
使用第一清洗溶液和第二清洗溶液分别清洗基底表面,并利用第三清洗液清洗后烘干,其中清洗溶液清洗时使用声波
使用旋涂法旋涂正性光刻胶,并前烘以固化光刻胶;
利用光刻机对固化光刻胶后的基底进行曝光,之后利用显影液进行显影,得到叉指电极的图案;
使用溅射工艺在基底表面溅射铬/金得到金属敏感单元;
使用第三清洗液通过超声的方式剥离光刻胶,得到图案化的金属敏感单元;
利用旋涂法在基底表面布置封装绝缘层,隔绝金属敏感单元和外界环境;以及使用导线与金属敏感单元进行焊接连接。
7.根据权利要求6所述的气体流量传感器的制备方法,其特征在于,所述金属敏感单元为三角波叉指电极,所述金属敏感单元呈锯齿形;和/或
所述三角波叉指电极的叉指间距为50um‑300um;和/或
三角波的角度为30度到150度;和/或
所述三角波叉指电极的对数为5‑20对;和/或
所述封装绝缘层的厚度为200nm‑300nm。
8.一种可穿戴呼吸流量监测鼻塞,其特征在于,包括:
如权利要求1至5任一所述的气体流量传感器;以及
柔性鼻塞支撑器,其被配置为搭载所述气体流量传感器,且能够固定于鼻腔内部。
9.根据权利要求8所述的气体流量传感器的制备方法,其特征在于,所述柔性鼻塞支撑器包括两个支撑器和连接两个支撑器的连接器,其中所述支撑器的侧视图呈梯形。
10.根据权利要求8所述的气体流量传感器的制备方法,其特征在于,所述支撑器的第一端的中空椭圆的长轴为10mm‑12mm,中空椭圆的短轴约为4mm‑6mm,所述支撑器与第一端相对的第二端的中空椭圆的长轴约为7mm‑9mm,中空椭圆的短轴约为3mm‑5mm;和/或所述柔性鼻塞支撑器的厚度为1mm‑2mm;和/或
所述柔性鼻塞支撑器的材料为无色透明胶。

说明书全文

气体流量传感器、制备方法及可穿戴呼吸流量监测鼻塞

技术领域

[0001] 本发明涉及呼吸监测技术领域,尤其涉及一种气体流量传感器、制备方法及可穿戴呼吸流量监测鼻塞。

背景技术

[0002] 在一些鼻器官相关的手术后,需要进行局部鼻腔的固定以及手术恢复期呼吸量监测,进而为术后恢复提供数据化分析依据。但是在临床上医生大多采用多导睡眠仪(PSG)进
行呼吸量监测。但是该监测设备操作复杂,成本较高,且监测地点仅限于医院,并不符合在
术后恢复期的患者进行便携式居家监测的需求。

发明内容

[0003] 本发明的任务是提供一种气体流量传感器、制备方法及可穿戴呼吸流量监测鼻塞,能够实现随时进行呼吸监测,使得患者可以在清醒以及睡眠时对呼吸流量进行长期监
测,可以帮助监测术后恢复期的患者鼻呼吸量的变化以及睡眠过程中的呼吸异常情况,而
且操作方便、成本低、测量精度高,无监测地点限制。
[0004] 针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种气体流量传感器,包括:
[0005] 基底;以及
[0006] 金属敏感单元,其设置在所述基底的表面,所述金属敏感单元为三波叉指电极
[0007] 进一步地,还包括封装绝缘层,其包覆所述金属敏感单元。
[0008] 进一步地,所述金属敏感单元呈锯齿形;和/或
[0009] 所述金属敏感单元的两端具有连接部。
[0010] 进一步地,所述三角波叉指电极的叉指间距为50um‑300um;和/或
[0011] 三角波的角度为30度到150度;和/或
[0012] 所述三角波叉指电极的对数为5‑20对。
[0013] 进一步地,所述基底的长度为8mm‑10mm,宽度为5mm‑6mm,厚度为0.7mm‑1mm;和/或[0014] 所述封装绝缘层的厚度为200nm‑300nm;和/或
[0015] 所述金属敏感单元的线宽为50um‑200um。
[0016] 本发明还提供一种气体流量传感器的制备方法,包括:
[0017] 使用第一清洗溶液和第二清洗溶液分别清洗基底表面,并利用第三清洗液清洗后烘干,其中清洗溶液清洗时使用声波
[0018] 使用旋涂法旋涂正性光刻胶,并前烘以固化光刻胶;
[0019] 利用光刻机对固化光刻胶后的基底进行曝光,之后利用显影液进行显影,得到叉指电极的图案;
[0020] 使用溅射工艺在基底表面溅射铬/金得到金属敏感单元;
[0021] 使用第三清洗液通过超声的方式剥离光刻胶,得到图案化的金属敏感单元;
[0022] 利用旋涂法在基底表面布置封装绝缘层,隔绝金属敏感单元和外界环境;以及
[0023] 使用导线与金属敏感单元进行焊接连接。
[0024] 进一步地,所述金属敏感单元为三角波叉指电极,所述金属敏感单元呈锯齿形;和/或
[0025] 所述三角波叉指电极的叉指间距为50um‑300um;和/或
[0026] 三角波的角度为30度到150度;和/或
[0027] 所述三角波叉指电极的对数为5‑20对;和/或
[0028] 所述封装绝缘层的厚度为200nm‑300nm。
[0029] 本发明还提供一种可穿戴呼吸流量监测鼻塞,其特征在于,包括:
[0030] 气体流量传感器;以及
[0031] 柔性鼻塞支撑器,其被配置为搭载所述气体流量传感器,且能够固定于鼻腔内部。
[0032] 进一步地,所述柔性鼻塞支撑器包括两个支撑器和连接两个支撑器的连接器,其中所述支撑器的侧视图呈梯形。
[0033] 进一步地,所述支撑器的第一端的中空椭圆的长轴为10mm‑12mm,中空椭圆的短轴约为4mm‑6mm,所述支撑器与第一端相对的第二端的中空椭圆的长轴约为7mm‑9mm,中空椭
圆的短轴约为3mm‑5mm;和/或
[0034] 所述柔性鼻塞支撑器的厚度为1mm‑2mm;和/或
[0035] 所述柔性鼻塞支撑器的材料为无色透明胶。
[0036] 本发明至少具有下列有益效果:(1)本发明公开的气体流量传感器采用类三角波的叉指电极作为敏感单元的结构,三角波叉指电极在通过电流时在尖角处发生热集中更
快,可以提高响应速度以及稳定时温度从而提高呼吸传感器的灵敏度;(2)本发明公开的可
穿戴呼吸流量监测鼻塞可随时随地佩戴进行呼吸监测,该传感器的敏感部分置于硅胶鼻塞
中,佩戴时无异物感,使得患者可以在清醒以及睡眠时对呼吸流量进行长期监测,可以帮助
监测术后恢复期的患者鼻呼吸量的变化以及睡眠过程中的呼吸异常情况,而且操作方便、
成本低、测量精度高,无监测地点限制;(3)可穿戴呼吸流量监测鼻塞可深入鼻腔中对呼吸
量进行直接监测,极大地避免了外界环境因素的干扰,提高了监测的准确性、鲁棒性。
附图说明
[0037] 为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征,将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解,这些附图只描绘本发明的典型实施例,因此
将不被认为是对其范围的限制。在附图中,为了清楚明了,相同或相应的部件将用相同或类
似的标记表示。
[0038] 图1示出了根据本发明一个实施例的可穿戴呼吸流量监测鼻塞的结构示意图;
[0039] 图2示出了根据本发明一个实施例的柔性鼻塞支撑器的正视图;
[0040] 图3示出了根据本发明一个实施例的柔性鼻塞支撑器的侧视图;
[0041] 图4示出了根据本发明一个实施例的气体流量传感器的结构示意图;
[0042] 图5示出了根据本发明一个实施例的恒流源加热时新型类三角波式叉指电极的输出电压的变化曲线的示意图;
[0043] 图6示出了根据本发明一个实施例的恒流源加热时新型类三角波式叉指电极的输出电阻的变化曲线的示意图;
[0044] 图7示出了根据本发明一个实施例的恒定速下三角波式叉指电极的输出电阻的变化曲线的示意图;
[0045] 图8示出了根据本发明一个实施例的恒定风速下三角波式叉指电极的输出电压的变化曲线的示意图;以及
[0046] 图9示出了根据本发明一个实施例的通过10mA电流下佩戴可穿戴呼吸流量监测鼻塞呼吸时输出电压的变化曲线的示意图。

具体实施方式

[0047] 应当指出,各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出,而不一定是比例正确的。
[0048] 在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。
[0049] 在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
[0050] 在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景
需要添加所需的部件或组件。
[0051] 在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
[0052] 在此还应当指出,在本发明的描述中,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对
本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为明示或暗示相对重要性。
[0053] 另外,本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述,然而这只是为了方便区分各步骤,而并不是限定各步骤的先后顺序,在本发明的不同实施例中,可根据工艺的调节
来调整各步骤的先后顺序。
[0054] 图1示出了根据本发明一个实施例的可穿戴呼吸流量监测鼻塞的结构示意图;图2示出了根据本发明一个实施例的柔性鼻塞支撑器的正视图;图3示出了根据本发明一个实
施例的柔性鼻塞支撑器的侧视图;图4示出了根据本发明一个实施例的气体流量传感器的
结构示意图。
[0055] 如图1所示,可穿戴呼吸流量监测鼻塞包括柔性鼻塞支撑器10和气体流量传感器20。柔性鼻塞支撑器10用于搭载气体流量传感器20。
[0056] 在本发明的一个实施例中,柔性鼻塞支撑器10的材料为无色透明硅胶。如图2和图3所示,柔性鼻塞支撑器10由两个近椭圆形的支撑器11和连接两个支撑器的连接桥12组成,
其中支撑器11的侧视图呈梯形。在本发明的一个实施例中,支撑器11在使用时靠近鼻腔进
出口处的第一端A的中空椭圆的长轴约为10mm‑12mm,中空椭圆的短轴约为4mm‑6mm。支撑器
11在使用时进入鼻腔内部的第二端B的中空椭圆的长轴约为7mm‑9mm,中空椭圆的短轴约为
3mm‑5mm。在本发明的一个实施例中,鼻塞的厚度为1mm‑2mm。该柔性鼻塞支撑器符合人体鼻
腔的构造,能够很好的固定在鼻腔内部,其材料柔性保证其可以根据鼻腔内的运动而发生
变形及运动,并且具有足够的支撑强度保证不会发生术后鼻腔塌陷。该柔性鼻塞支撑器可
以直接放入鼻腔内部,固定呼吸气流的截面积,并保证气流通过的形状从而固定流体通过
的特征长度。
[0057] 本领域的技术人员应当理解,鼻内柔性支撑架的材料、形状和尺寸不限于上述示例,本领域的技术人员可以根据实际需要选择鼻内柔性支撑架的材料、形状和尺寸。
[0058] 如图1所示,气体流量传感器20沿着长轴方向设置在支撑器11的第一端,气体流量传感器20用于检测呼吸信号。气体流量传感器通过AB胶固定在柔性鼻塞支撑器10中。
[0059] 如图4所示,气体流量传感器20包括基底21、金属敏感单元22和封装绝缘层(未示出)等三部分组成。金属敏感单元22设置在基底21的表面,封装绝缘层包覆金属敏感单元
22。
[0060] 基底21的主要材料为石英玻璃。在本发明的一个实施例中,基底21的形状可以是长方体,长度为8mm‑10mm,宽度为5mm‑6mm,厚度为0.7mm‑1mm。
[0061] 金属敏感单元22为传感器敏感单元,主要材料为铂或金。金属敏感单元22采用创新型的类三角波的叉指电极。金属敏感单元22的形状呈锯齿形,金属敏感单元22的两端具
有连接部23,用于连接引线。相较于传统的叉指电极作为敏感单元,类三角波的叉指电极由
于在转角处的线宽较大,电阻较小,施加相同电压时相较于非转角处的电阻产生的热量更
多,因此更容易发生热量积聚,并且相较于非转角处它与空气的对流面积也更大,因此更容
易与空气发生热对流交换。
[0062] 相较于传统类矩形波的叉指电极,此三角波叉指电极在通过电流时在尖角处发生热集中更快,可以提高响应速度以及稳定时温度从而提高呼吸传感器的灵敏度。
[0063] 在本发明的一个实施例中,叉指间距为50um‑300um,三角波的角度为30度到150度,三角波叉指电极的对数为5‑20对。在本发明的一个实施例中,金属敏感单元22的线宽为
50um‑200um。
[0064] 气体流量传感器最外层为绝缘层,例如聚酰亚胺。绝缘层的厚度为200nm‑300nm,一方面保证传感器表面电绝缘,隔绝环境中的水蒸气,提高传感器的耐用性,另一方面保证
其超薄的厚度保证其减少热交换的时间。相较于传统化学气相淀积CVD方法制备的各向异
性绝缘层,超薄聚酰亚胺绝缘层采用旋涂法制造,兼容MEMS工艺,并且成本低。
[0065] 可选的,可穿戴呼吸流量监测鼻塞还包括集成电路(未示出),可通过引线将金属敏感单元22连接到集成电路模块。通过集成电路模块对气体流量传感器2进行供电,并
采集、处理、存储呼吸信号,通过无线蓝牙传输到手机等具有定制化软件的操作介质。此外,
也可将呼吸信号存储到TF存储卡中,等待监测完成后,使用读取器将采集信号导入定制化
软件进行分析。
[0066] 气体流量传感器的制备工艺流程如下:
[0067] 步骤1,使用3%HCl溶液和5%NaOH溶液利用超声的方法清洗玻璃片表面,以除去玻璃片表面的油污及其他污染物,最后利用丙超声清洗后放在60摄氏度烘箱中烘干。
[0068] 步骤2,使用旋涂法旋涂正性光刻胶,胶厚2um‑5um,使用热板在100摄氏度条件下前烘5分钟,从而固化光刻胶。
[0069] 步骤3,利用步进接触式光刻机对固化光刻胶后的玻璃片进行曝光,之后利用显影液进行显影,得到叉指电极的图案。
[0070] 步骤4,使用溅射工艺在玻璃片表面溅射铬/金得到金属敏感单元,厚度为100‑200nm,其中铬厚度为30nm‑50nm,金厚度为70nm‑150nm。
[0071] 步骤5,使用丙酮溶液通过超声的方式剥离光刻胶得到图案化的金属敏感单元。
[0072] 步骤6,利用旋涂法旋涂光敏聚酰亚胺得到绝缘层,厚度为200nm‑300nm,隔绝金属敏感单元和外界环境。
[0073] 步骤7,使用漆包线或线与金属敏感单元进行焊接连接,保证电学导通,从而将敏感信号转化为电信号导出。
[0074] 气体流量传感器的工作原理如下:
[0075] 气体流量传感器的原理基于热阻效应,在向气体流量传感器通过恒定电流8mA‑10mA时,会基于电磁热原理而产生热量,在与基底材料通过热传导和空气自然对流三种热
交换达到热稳定。当鼻塞中通过呼吸气时,由于产生强制对流,从而改变敏感单元的热稳
定。当发生吸气时,由于外界空气温度低于敏感单元热稳定的温度,热对流方向为从敏感单
元传递给空气;当发生呼气时,由于呼出气的温度高于敏感单元热稳定的温度,热对流方向
为从呼气传递给敏感单元。由于MEMS敏感材料为正温度系数热敏电阻,则在第一个过程吸
气发生时,敏感单元温度下降,电阻降低,由于电流恒定,则输出电压降低;在发生第二过程
呼气发生时,敏感单元温度上升,电阻增大,由于电流恒定,则输出电压增大。在控制流经鼻
腔的截面积固定时,当通过敏感单元的流速增大时,热交换加剧,从而影响输出电压的大
小,因此可以将鼻腔内的流量转换为电压信号输出。
[0076] 通过实验进一步验证新型类三角波式叉指电极的性能优势,特进下以下实验:
[0077] 恒流源加热时新型类三角波式叉指电极的输出电压、电阻随时间变化的曲线如图5和图6所示,新型类三角波式叉指电极的可以在8mA‑10mA工作时可以迅速加热,并在10‑
20s内与外界环境达到热平衡,这也保证了该传感器作为呼吸流量检测装置时可以迅速加
热,保证可以与吸气和呼气过程发生相反方向的热量交换。同时当工作电流大于10mA时,热
平衡时间大幅提高,并且造成功耗增大,从而选择该传感器的工作电流区间为8mA‑10mA。
[0078] 恒定风速下三角波式叉指电极的输出电阻如图7所示。恒定风速下三角波式叉指电极的输出电压如图8所示。叉指电极的输出电阻、电压的大小和风速的具有映射对应关
系。通过上述关系可以得到,当使用者佩戴可穿戴鼻塞时,固定了呼吸通过的气流面积,从
而风速的大小可以表征呼吸流量的大小,从而可以利用输出电压大小对应使用者呼吸量的
大小。
[0079] 通过10mA电流下佩戴可穿戴呼吸流量监测鼻塞呼吸时输出电压的变化,如图9所示,当使用者佩戴可穿戴呼吸流量监测鼻塞呼吸时,输出电压呈周期性的峰谷交替曲线,其
中当使用者呼气时,由于人体内呼出的气体温度高于敏感层金属的表面温度,敏感层金属
的电阻升高,电流恒定,输出电压增大;当使用者吸气时,由于外界温度低于敏感层金属表
面温度,敏感层金属的电阻降低,电流恒定,输出电压减小。因此形成了稳定交替的周期性
输出电压曲线。
[0080] 该可穿戴呼吸流量监测鼻塞具有成本低、监测准确性高、响应速度快、穿戴舒适性高和无监测地点限制等特点。可用于鼻部手术术后居家恢复监测以及居家日常呼吸监测,
有利于呼吸系统疾病的早期筛查。此外该鼻塞还具有以下特点:
[0081] 1、提出了一种新型类三角波式叉指电极,相较于传统的类矩形波式叉指电极,类三角波式叉指电极在通过电流相同时间时,相较于传统的叉指电极作为敏感单元,类三角
波的叉指电极由于在转角处的线宽较大,电阻较小,施加相同电压时相较于非转角处的电
阻产生的热量更多,因此更容易发生热量积聚,并且相较于非转角处它与空气的对流面积
也更大,因此更容易与空气发生热对流交换,呼吸传感器的灵敏度更高,响应速度更快。
[0082] 2、可进行两个鼻腔内的呼气以及吸气量的定量分析,通过直接测量的方式准确监测人体呼吸量的变化以及人体鼻周期的变化情况,据此可以对病人进行术后评估并为其他
科学研究提供辅助诊断依据。
[0083] 3、采用低成本兼容MEMS工艺的超薄聚合物封装层隔绝外界环境干扰并减少热量传递过程中带来的损失以及响应延迟,使监测更加快速、可靠。
[0084] 4、采用柔性鼻塞设计结构为监测提供舒适性,并且通过固定截面积的方式将流速转化为流量,从而为实现呼吸量监测提供可能。
[0085] 虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述,但是本领域技术人员能够理解,这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可
以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨
在限定本发明的范围,并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结
构。