一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器及其制备方法

1.本发明涉及电子科学与生物医学领域，具体涉及一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器及其制备方法。


背景技术：

2.呼吸强度和呼吸频率是人体的重要生命体征。呼吸的强度和频率能够反映心力衰竭、心律失常、高血压、呼吸阻塞等疾病的突然发作。目前临床治疗普遍采用非接触式呼吸监测方法，如热成像、相机成像、微波多普勒雷达等。然而，上述设备体积庞大，难以帮助患者实现个人实时监测。
3.自供电式可穿戴传感器应运而生，一般是基于压电(peng)、摩擦电(teng)纳米发电机或压电-摩擦电(pteng)混合纳米发电机，它们将外部机械能转换为电能。然而，大多数基于peng的传感器需要直接接触才能形成压电变形。基于teng的传感器需要高外部电阻和气隙。挠曲电效应不同压电或摩擦电纳米发电机，是伴随弯曲应变梯度产生的电极化响应。挠性电具有“小尺寸效应”，器件尺寸越小，弯曲应变梯度越大，挠性电效应越显著。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器及其制备方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器，其包括由静电纺丝技术制成挠曲电薄膜，所述挠曲电薄膜的上下两侧设有电极层，且两者由封装膜包覆设置。
6.所述挠曲电薄膜的上下两侧均设有电极层，且组装成三明治结构。
7.所述的电极层为铜箔或银箔易导电金属薄膜。
8.所述的封装膜为pdms或pi膜。
9.一种用于可用于监测人体呼吸的弯曲传感器的制备方法，其包括以下步骤：1）将挠曲电材料置于样品瓶中，加入有机溶剂，置于超声清洗器中超声，使挠曲电材料在有机溶剂中分散均匀；2）将基底聚合物材料溶解于步骤1）中制备的溶液中，通过磁力搅拌，得到前驱体溶液，并静置脱泡待用；3）将前驱体溶液用于静电纺丝，制备复合薄膜；4）在复合薄膜上下表面分别贴附电极，组装成三明治结构式弯曲传感器；5）用封装膜进行封装。
10.步骤1）中的挠曲电材料为四氧化三锰或硫化钼，有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺或乙醇。
11.挠曲电材料的质量分数为10-15wt%,超声时间为0.5-2h。
12.步骤2）中，所述基底聚合物为聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯。
13.基底聚合物的质量分数为8-12wt%,磁力搅拌时间为3-5h,静置时间为0.5-3h。
14.步骤3）中，静电纺丝工艺参数为：选取19-24号平头针作为纺丝喷头、针头-接收器距离10-15cm、注射泵推速0.8-1.5ml/h、纺丝电压10-18kv、滚筒转速200-500r/min。
15.本发明的有益效果：利用挠曲电效应极化强度与应变梯度的关系来表征呼吸的强弱，利用输出电压信号频率来监测呼吸频率的快慢。即不同呼吸模式产生的气流强度使传感器产生不同的弯曲形变，从而产生响应电压；呼吸频率则和响应电压信号的频率相对应，所以可以据此判断人体呼吸频率。能满足灵敏度要求，同时灵活、便携地实现呼吸强度以及频率的监测。
附图说明
16.图1为本发明的制备方法示意图。
17.图2为本发明在不同呼吸强度条件下的电信号响应示意图。
18.图3为本发明在不同呼吸模式变形下的电信号响应示意图。
19.图4为本发明在不同呼吸模式变形下的电信号响应示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
22.如图所示，本发明公开了一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器，其包括由静电纺丝技术制成挠曲电薄膜，所述挠曲电薄膜的上下任意一侧设有电极层，且两者由封装膜包覆设置。这种薄膜形状的呼吸传感器非常薄，便于放置在呼吸处，利用呼吸产生的气流使得挠曲电薄膜产生挠曲电效应，进而转换为电信号，便于后续电路处理，进而得到对应的呼吸信号所述挠曲电薄膜的上下两侧均设有电极层，且组装成三明治结构。
23.所述的电极层为铜箔或银箔易导电金属薄膜，用于向外传输电信号。
24.所述的封装膜为pdms或pi膜，起到保护内部电路的作用，且方便保存。
25.利用挠曲电效应极化强度与应变梯度的关系来表征呼吸的强弱，利用输出电压信号频率来监测呼吸频率的快慢。即不同呼吸模式产生的气流强度使传感器产生不同的弯曲形变，从而产生响应电压；呼吸频率则和响应电压信号的频率相对应，所以可以据此判断人体呼吸频率。
26.一种用于可用于监测人体呼吸的弯曲传感器的制备方法，其包括以下步骤：1）将挠曲电材料置于样品瓶中，加入有机溶剂，置于超声清洗器中超声，使挠曲电材料在有机溶剂中分散均匀；挠曲电材料为四氧化三锰或硫化钼，有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺或乙醇，挠曲电材料的质量分数为10-15wt%,超声时间为0.5-2h。
27.2）将基底聚合物材料溶解于步骤1）中制备的溶液中，通过磁力搅拌，得到前驱体溶液，并静置脱泡待用；所述基底聚合物为聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯。
28.基底聚合物的质量分数为8-12wt%,磁力搅拌时间为3-5h,静置时间为0.5-3h。
29.3）将前驱体溶液用于静电纺丝，制备复合薄膜；静电纺丝工艺参数为：选取19-24号平头针作为纺丝喷头、针头-接收器距离10-15cm、注射泵推速0.8-1.5ml/h、纺丝电压10-18kv、滚筒转速200-500r/min。
30.4）在复合薄膜上下表面分别贴附电极，组装成三明治结构式弯曲传感器；5）用封装膜进行封装。
31.实施例将1.76gmn3o4加入10gdmf中，超声清洗器中超声2h，后向其中加入1.36gpvdf,在60
°
c温度下磁力搅拌3h,作为纺丝前驱体溶液。选取19号平头针作为纺丝喷头、针头-接收器距离12cm、注射泵推速1ml/h、纺丝电压15kv、滚筒转速400r/min进行静电纺丝，所制备的薄膜样品如图1中所示。用铜箔作为电极材料，组装成三明治结构式弯曲传感器，通过pi薄膜封装使用。
32.弯曲传感器在不同呼吸强度和频率情况的响应电信号如图2、3所示，从图中电压的变化情况，能够准确反映呼吸的强度和频率。如图4所示为正常呼吸、运动后呼吸以及咳嗽，三种不同呼吸模式情况下弯曲传感器的响应特性。运动后呼吸气流强度变大同时呼吸频率变大；咳嗽时，呼吸强度变化明显同时频率加快。由此可以通过传感器挠曲电信号判断呼吸强度与频率，从而识别呼吸模式。
33.实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器，其特征在于：其包括由静电纺丝技术制成挠曲电薄膜，所述挠曲电薄膜的上下两侧设有电极层[u1][y2]，且两者由封装膜包覆设置。2.根据权利要求1所述的一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器，其特征在于：所述挠曲电薄膜的上下两侧均设有电极层，且组装成三明治结构。3.根据权利要求1所述的一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器，其特征在于：所述的电极层为铜箔或银箔易导电金属薄膜。4.根据权利要求1所述的一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器，其特征在于：所述的封装膜为pdms或pi膜。5.一种用于权利要求1至4任意一项所述的可用于监测人体呼吸的弯曲传感器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：1）将挠曲电材料置于样品瓶中，加入有机溶剂，置于超声清洗器中超声，使挠曲电材料在有机溶剂中分散均匀；2）将基底聚合物材料溶解于步骤1）中制备的溶液中，通过磁力搅拌，得到前驱体溶液，并静置脱泡待用；3）将前驱体溶液用于静电纺丝，制备复合薄膜；4）在复合薄膜上下表面分别贴附电极，组装成三明治结构式弯曲传感器；5）用封装膜进行封装。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中的挠曲电材料为四氧化三锰或硫化钼，有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺或乙醇。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：挠曲电材料的质量分数为10-15wt%,超声时间为0.5-2h。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述基底聚合物为聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯。9.根据权利要求5或8所述的制备方法，其特征在于：基底聚合物的质量分数为8-12wt%,磁力搅拌时间为3-5h,静置时间为0.5-3h。10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤3）中，静电纺丝工艺参数为：选取19-24号平头针作为纺丝喷头、针头-接收器距离10-15cm、注射泵推速0.8-1.5ml/h、纺丝电压10-18kv、滚筒转速200-500r/min。

技术总结
本发明公开了一种可用于监测人体呼吸的弯曲传感器及其制备方法，其包括由静电纺丝技术制成挠曲电薄膜，所述挠曲电薄膜的上下面均设有电极层，且两者由封装膜包覆设置。利用挠曲电效应极化强度与应变梯度的关系来表征呼吸的强弱，利用输出电压信号频率来监测呼吸频率的快慢。即不同呼吸模式产生的气流强度使传感器产生不同的弯曲形变，从而产生响应电压；呼吸频率则和响应电压信号的频率相对应，所以可以据此判断人体呼吸频率。能满足灵敏度要求，同时灵活、便携地实现呼吸强度以及频率的监测。监测。监测。


技术研发人员：左雨欣 冯君艳 于影 钟美鹏
受保护的技术使用者：嘉兴南湖学院
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/14