本發(fā)明涉及濕度傳感技術領域，尤其涉及一種濕度傳感器及應用該濕度傳感器的呼吸檢測系統(tǒng)。

背景技術：

呼吸頻率是人體生命體征中的一項重要生理參數(shù)。獲取呼吸頻率和呼吸方式(例如：測量速率、呼吸深度、振幅等)等信息可以用于醫(yī)療診斷以及人體健康評估。傳統(tǒng)的呼吸頻率測量方法是將鼻氧管深入鼻腔內(nèi)，再通過管道內(nèi)氣壓的變化來檢測呼吸頻率，但這種方法會使被測者鼻腔內(nèi)有明顯異物感，佩戴不適。近年來出現(xiàn)了采用傳感器進行呼吸頻率測量的方法，但現(xiàn)有的用于呼吸監(jiān)測的傳感器都存在著不同的缺點和不足，例如：溫差傳感器和聲波傳感器在進行呼吸頻率測量時需要將相應傳感器貼于或架在鼻腔氣流方向上，易受環(huán)境影響、信號提取難度大；壓電傳感器和壓阻傳感器在進行呼吸頻率測量時需要在受測者的胸部綁上一條彈性帶，檢測呼吸時胸腔的起伏來獲取呼吸信號，易受人體行動的干擾，影響監(jiān)測精度。此外，新型的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)還開始使用一種濕度傳感器，人體呼吸氣體相對濕度等于或大于100％，這種濕度傳感器就是利用人體呼吸過程中的濕度變化來檢測呼吸頻率，它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性程度好、可重復使用、環(huán)境影響較少等優(yōu)點。

濕度傳感器的主要部分是一層對水汽感應特別敏感的敏感薄膜?，F(xiàn)有的濕度傳感器主要有電阻式和電容式兩種，即通過測量不同濕度條件下的敏感薄膜接觸到不同含量的水分子時，產(chǎn)生的電阻率或者介電常數(shù)的變化來判定濕度的大小。這兩種濕度傳感器都需要將敏感薄膜工作在一定強度電場環(huán)境下，但一些類似于氧化石墨烯等處于亞穩(wěn)態(tài)的濕敏材料，如果工作在電場環(huán)境下，會加速還原過程，這將嚴重的影響濕度傳感器的長期穩(wěn)定性。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的上述不足之處，本發(fā)明提供了一種濕度傳感器及應用該濕度傳感器的呼吸檢測系統(tǒng)，不僅可以有效監(jiān)測濕度大小變化，而且具有良好的工作穩(wěn)定性和檢測精度，不易受人體行動干擾，佩戴舒適，十分適用于實時監(jiān)測呼吸頻率和呼吸強度。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種濕度傳感器，包括：基底、敏感薄膜和兩個導電電極；敏感薄膜和兩個導電電極均設于基底上，并且敏感薄膜表面含有一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團；兩個導電電極分別與敏感薄膜電連接，并且兩個導電電極與敏感薄膜的連接點之間的對水分子敏感的官能團存在濃度差。

優(yōu)選地，所述的敏感薄膜采用有機高分子半導體材料、金屬氧化物材料或無機碳材料中的至少一種制成。

優(yōu)選地，采用外加電場極化、噴墨印刷不同厚度梯度的薄膜中的至少一種處理方式在敏感薄膜表面制成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團；其中，所述外加電場極化的方式包括：將在相對濕度為55％～98％的條件下，將兩個導電電極外接直流電源，該直流電源的電壓為0.1～10V,處理時間為0.5～30min,從而在敏感薄膜表面制成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團；所述的噴墨印刷不同厚度梯度的薄膜的方式包括：采用噴墨打印從一個導電電極到另一個導電電極印刷一層厚度梯度遞增或厚度梯度遞減的對水分子敏感的官能團薄膜，并且這兩個導電電極與該官能團薄膜的連接點之間的對水分子敏感的官能團存在濃度差,從而即可在敏感薄膜表面制成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團。

優(yōu)選地，所述的導電電極為金屬電極、碳電極或高分子電極中的至少一種。

優(yōu)選地，所述的敏感薄膜的長度、寬度、厚度均為納米級至厘米級。

優(yōu)選地，所述敏感薄膜采用噴墨印刷、噴涂、刮涂、激光刻蝕或卷對卷技術制成。

一種呼吸檢測系統(tǒng)，包括：信號處理模塊、微處理器、無線通信模塊、電源、移動終端模塊以及至少一個上述技術方案中所述的濕度傳感器；信號處理模塊獲取濕度傳感器采集的呼吸時電信號，并進行初步信號處理后傳輸?shù)轿⑻幚砥?；微處理器對初步信號處理后的呼吸時電信號進行二次信號處理，并通過無線通信模塊發(fā)送給移動終端模塊；移動終端模塊接收二次信號處理后的呼吸時電信號，并對其進行分析處理獲取呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，再將該呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給用戶；電源分別與信號處理模塊和微處理器連接，用于為信號處理模塊和微處理器供電。

優(yōu)選地，所述的濕度傳感器架設在呼吸氣流的運動路線上。

優(yōu)選地，所述的初步信號處理包括信號放大處理、濾波降噪處理或模數(shù)轉(zhuǎn)換處理中的至少一種。

優(yōu)選地，還包括：服務器；所述的移動終端模塊將所述的呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器；服務器接收所述的呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行存儲、醫(yī)學分析和診斷，以為用戶提供監(jiān)測和防護。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的濕度傳感器采用了由有機高分子半導體材料、金屬氧化物材料或無機碳材料中的至少一種材料制成的敏感薄膜，并且在敏感薄膜表面設有一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團，因此當敏感薄膜接觸到含水分子的氣流時，敏感薄膜表面的對水分子敏感的官能團會吸附水分子，并電離出正電荷，形成梯度分布的正電荷排列，在自發(fā)電場的作用下，兩個具有官能團濃度差的導電電極之間就會產(chǎn)生定向的電信號，從而通過測試兩個導電電極之間的電信號即可反映出外界環(huán)境氣流中水份的含量。同時，由于采用有機高分子半導體材料、金屬氧化物材料或無機碳材料中的至少一種制成的敏感薄膜具有疏松多孔的微結(jié)構(gòu)，可以快速的吸附和脫附水分子，達到對濕度變化的快速響應，因此該濕度傳感器可以高效、準確進行呼吸監(jiān)測。由此可見，本發(fā)明實施例提供的濕度傳感器和呼吸檢測系統(tǒng)不僅可以有效監(jiān)測濕度大小變化，而且具有良好的工作穩(wěn)定性和檢測精度，不易受人體行動干擾，佩戴舒適，十分適用于實時監(jiān)測呼吸頻率和呼吸強度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供濕度傳感器的性能示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供呼吸檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖4為本發(fā)明實施例提供呼吸檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖5為本發(fā)明實施例提供呼吸檢測系統(tǒng)的性能示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

下面對本發(fā)明中的濕度傳感器及應用該濕度傳感器的呼吸檢測系統(tǒng)進行詳細描述。

(一)一種濕度傳感器

如圖1和圖2所示，一種濕度傳感器，其具體結(jié)構(gòu)包括：基底、敏感薄膜和兩個導電電極；敏感薄膜和兩個導電電極均設于基底上，并且敏感薄膜表面設有一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團；兩個導電電極分別與敏感薄膜電連接，并且兩個導電電極與敏感薄膜的連接點之間的對水分子敏感的官能團存在濃度差。

其中，該濕度傳感器的各部件可以包括以下具體實施方案：

(1)所述的基底可以采用現(xiàn)有技術中的柔性襯底或者剛性襯底。

(2)所述的導電電極可以為金屬電極、碳電極或高分子導電電極中的至少一種，從而該導電電極所檢測到的信號可以為敏感薄膜自發(fā)極化產(chǎn)生的電壓、電流或其他類似電信號中的一種或多種。

(3)所述的敏感薄膜可以采用有機高分子半導體材料、金屬氧化物材料或無機碳材料中的至少一種作為原料，并且可以采用現(xiàn)有技術中的噴墨印刷、噴涂、刮涂、激光刻蝕、卷對卷技術或者其他制備薄膜技術制備而成。在實際應用中，敏感薄膜的長度、寬度、厚度均為納米級至厘米級，并且敏感薄膜的外觀形狀可以為條形、插指狀、蛇形等各種形狀。

(4)敏感薄膜的表面可以采用外加電場極化、噴墨印刷不同厚度梯度的薄膜中的至少一種處理方式在敏感薄膜表面制成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團。所述的外加電場極化方式是指在相對濕度為55％～98％)的條件下，將兩個導電電極外接直流電源，該直流電源的電壓為0.1～10V,處理時間為0.5～30min,從而即可在敏感薄膜表面制成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團。所述的噴墨印刷不同厚度梯度的薄膜是指采用噴墨打印從一個導電電極到另一個導電電極印刷一層厚度梯度遞增或厚度梯度遞減的對水分子敏感的官能團薄膜，并且這兩個導電電極與該官能團薄膜的連接點之間的對水分子敏感的官能團存在濃度差,從而即可在敏感薄膜表面制成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團；其中，該薄膜厚度的梯度為從幾十納米到幾個微米。

具體地，該濕度傳感器的原理是：由于敏感薄膜表面設有一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團，因此當敏感薄膜接觸到含有水分子的氣流時，敏感薄膜表面的對水分子敏感的官能團會吸附水分子，并電離出正電荷，形成梯度分布的正電荷排列，在自發(fā)電場的作用下，兩個具有官能團濃度差的導電電極之間就會產(chǎn)生定向的電信號(也就是說，所述敏感薄膜可以自發(fā)極化產(chǎn)生電信號)，從而通過測試兩個導電電極之間的電信號即可反映出外界環(huán)境氣流中水份的含量。由于采用有機高分子半導體材料、金屬氧化物材料或無機碳材料中的至少一種制成的敏感薄膜具有疏松多孔的微結(jié)構(gòu)，可以快速的吸附和脫附水分子，達到對濕度變化的快速響應，因此該濕度傳感器可以高效、準確進行呼吸監(jiān)測。

進一步地，敏感薄膜自發(fā)極化產(chǎn)生的電信號與敏感薄膜的三維尺寸(即長度、寬度、厚度)及敏感薄膜表面微觀形態(tài)緊密相關，不同三維尺寸的敏感薄膜會產(chǎn)生不同強度的電信號，因此在實際應用中，敏感薄膜的三維尺寸可根據(jù)實際需要靈活調(diào)整，以達到各條件(性能、成本、工藝)的平衡。此外，通過調(diào)節(jié)兩個導電電極的形狀可以調(diào)整在單位面積上有效敏感薄膜的敏感面積，調(diào)整敏感薄膜與水分子接觸的有效面積，因此兩個導電電極的形狀也可以根據(jù)實際需要靈活調(diào)整。也就是說，該濕度傳感器的整體形狀和尺寸可以根據(jù)實際需要靈活調(diào)整。

(二)一種呼吸檢測系統(tǒng)

如圖3、圖4和圖5所示，一種呼吸檢測系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)包括：信號處理模塊、微處理器、無線通信模塊、電源、移動終端模塊以及至少一個上述技術方案中所述的濕度傳感器；信號處理模塊獲取濕度傳感器采集的呼吸時電信號，并進行初步信號處理后傳輸?shù)轿⑻幚砥?；微處理器對初步信號處理后的呼吸時電信號進行二次信號處理，并通過無線通信模塊發(fā)送給移動終端模塊；移動終端模塊接收二次信號處理后的呼吸時電信號，并對其進行分析處理獲取呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，再將該呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給用戶；電源分別與信號處理模塊和微處理器連接，用于為信號處理模塊和微處理器供電。

其中，該呼吸檢測系統(tǒng)的各部件可以包括以下具體實施方案：

(1)濕度傳感器可以架設在呼吸氣流的運動路線上，這可以使?jié)穸葌鞲衅鞯拿舾斜∧つ軌蚺c呼吸氣流中的水分子有效接觸，從而可以將人體一呼一吸間的濕度變化轉(zhuǎn)換為反映呼吸頻率的呼吸時電信號。

(2)信號處理模塊的初步信號處理可以包括信號放大處理、濾波降噪處理或模數(shù)轉(zhuǎn)換處理中的至少一種，還可以包括現(xiàn)有技術中其他類似信號整流除雜的功能。

(3)微處理器的二次信號處理主要是將初步信號處理后的呼吸時電信號處理成適合無線通信模塊的電信號。

(4)無線通信模塊可采用ZigBee、藍牙(Bluetooth)、紅外(IrDA)、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、新型RFID技術或短距離通信(NFC)中的至少一種進行無線通信。

(5)移動終端模塊的分析處理主要是以波形特征分析為基礎，并結(jié)合現(xiàn)有技術中模式識別、信號分析等信號處理技術對二次信號處理后的呼吸時電信號中所包含的呼吸參數(shù)(例如：所述的呼吸參數(shù)可以包括呼吸頻率)以及不同呼吸參數(shù)所對應的人體生理特征進行準確的分析處理，從而可以得到呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)(例如：所述的呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)可以包括呼吸頻率、呼吸頻率的周期變化、該呼吸頻率所對應的身體健康狀況、該呼吸頻率可能存在的疾病等現(xiàn)有呼吸檢測系統(tǒng)的常見呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù))。移動終端模塊將呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示給用戶，并能進行危險報警，從而可以為用戶提供實時的數(shù)據(jù)分析、顯示、提醒等個人服務。在實際應用中，所述移動終端模塊可以為具有所述功能的獨立硬件設備，也可以是安裝于智能手機、平板電腦、智能手表等現(xiàn)有移動終端中的軟件，并且該移動終端模塊的無線通信、數(shù)據(jù)顯示和語音報警都可以通過現(xiàn)有移動終端的已有功能來實現(xiàn)。

(6)該呼吸檢測系統(tǒng)還可以包括服務器；移動終端模塊可以將所述的呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器；服務器可以接收所述的呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行存儲、醫(yī)學分析和診斷，以為用戶提供監(jiān)測和防護。醫(yī)護人員可以隨時隨地訪問該服務器，獲得病人的呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行進一步的醫(yī)學分析和診斷。

(7)該呼吸檢測系統(tǒng)中的信號處理模塊、微處理器、無線通信模塊和電源可以設置成在一起，形成一個獨立的中央處理器。

(8)該呼吸檢測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測人體呼吸頻率，也可以非實時的運行。

具體地，該呼吸檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了人性化的操作設計、便攜式的外觀設計，使個人對呼吸等生理狀況監(jiān)控變得輕松高效，還采用了無線數(shù)據(jù)傳輸設計，并兼容各種個人電子消費產(chǎn)品，便于遠程離線監(jiān)控。同時，該呼吸檢測系統(tǒng)可以動態(tài)監(jiān)控個體呼吸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲、自動形成結(jié)論報告、對趨勢做出統(tǒng)計分析和判斷，還可以用來監(jiān)測呼吸中止，自動聲光報警，防止猝死發(fā)生。

綜上可見，本發(fā)明實施例不僅可以有效監(jiān)測濕度的大小變化，而且具有良好的工作穩(wěn)定性和檢測精度，不易受人體行動的干擾，佩戴舒適，十分適用于實時監(jiān)測呼吸頻率和呼吸強度。

為了更加清晰地展現(xiàn)出本發(fā)明所提供的技術方案及所產(chǎn)生的技術效果，下面以具體實施例對本發(fā)明提供的濕度傳感器及應用該濕度傳感器的呼吸檢測系統(tǒng)進行詳細描述。

實施例1

如圖1所示，一種濕度傳感器，其具體結(jié)構(gòu)包括：基底1、敏感薄膜3和兩個導電電極2；敏感薄膜3和兩個導電電極2均設于基底1上，并且敏感薄膜3表面設有一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團；兩個導電電極2分別與敏感薄膜3電連接，并且兩個導電電極2與敏感薄膜3的連接點之間的對水分子敏感的官能團存在濃度差。

具體地，該濕度傳感器采用以下方法制成：通過繪圖軟件畫出所需導電電極2的圖案，然后使用普通噴墨打印方式在作為基底1的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上制備掩膜，然后利用真空濺射技術在基底1上沉積出60nm左右厚度的金膜作為導電電極2，再通過四氫呋喃漂洗1分鐘，即可得到所需導電電極2。利用噴墨印刷將配置好的氧化石墨烯油墨(2mg/ml)打印在兩個導電電極2的一端及兩個導電電極2之間形成敏感薄膜3；再通過外加電場處理(4V,1min)的方式使敏感薄膜3的表面形成一層濃度呈梯度分布的對水分子敏感的官能團，并且兩個導電電極2與敏感薄膜3的連接點之間的對水分子敏感的官能團存在濃度差。然后通過在導電電極2上外接引線，即可制得得到本發(fā)明實施例1所述的濕度傳感器。

進一步地，對本發(fā)明實施例1所述的濕度傳感器進行性能檢測，從而得到如圖2所示的電壓隨相對濕度變化的示意圖。由圖2可以看出：本發(fā)明實施例1所述的濕度傳感器隨著相對濕度的逐漸增加，吸附水分子增多，自發(fā)極化產(chǎn)生的電信號變大；而隨著相對濕度的逐漸降低，水分子逐漸從表面脫附，產(chǎn)生的電信號逐漸減小。

實施例2

如圖3和圖4所示，一種呼吸檢測系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)包括：濕度傳感器4、中央處理器5和設有移動終端模塊的手機6；中央處理器B包括信號處理模塊、微處理器、無線通信模塊和電源。濕度傳感器A設于貼在用戶的鼻腔下端出氣處，用于實時監(jiān)測呼吸，并將監(jiān)測到的呼吸時電信號傳輸?shù)街醒胩幚砥?中。在中央處理器5中，信號處理模塊與濕度傳感器4電連接，并獲取濕度傳感器4采集的呼吸時電信號，再進行信號放大處理、濾波降噪處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理等初步信號處理后傳輸?shù)轿⑻幚砥?；微處理器分別與信號處理模塊和無線通信模塊電連接，并對初步信號處理后的呼吸時電信號進行二次信號處理，再通過無線通信模塊(例如：藍牙)發(fā)送給設有移動終端模塊的手機6；電源分別與信號處理模塊和微處理器連接，用于為信號處理模塊和微處理器供電。設于手機6上的移動終端模塊接收二次信號處理后的呼吸時電信號，并對其進行分析處理獲取呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)，再將該呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)顯示給用戶，同時通過進一步分析得出呼吸體征報告，并在一定情況下(例如：呼吸暫停)啟動報警功能。此外，設于手機6上的移動終端模塊還可進一步將呼吸狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器中，供醫(yī)院等分析機構(gòu)進一步進行專業(yè)的醫(yī)學分析和診斷。

具體地，對本發(fā)明實施例2所述的呼吸檢測系統(tǒng)進行性能檢測，從而得到如圖5所示的電流隨時間變化的示意圖。由圖5可以看出：使用本發(fā)明實施例1所述的呼吸檢測系統(tǒng)可以有效的檢測呼吸頻率和呼吸時的各種狀態(tài)，包括隨機式呼吸、呼吸暫停、深呼吸和正常靜態(tài)呼吸等呼吸模式，這說明本發(fā)明實施例1所述的呼吸檢測系統(tǒng)可有效的實時動態(tài)監(jiān)控個人呼吸、監(jiān)測呼吸中止，并能智能化的進行數(shù)據(jù)存儲和顯示，還能對趨勢做出統(tǒng)計分析和判斷。同時具有便攜性，體積小巧，可以隨身攜帶等優(yōu)點。

綜上可見，本發(fā)明實施例不僅可以有效監(jiān)測濕度的大小變化，而且具有良好的工作穩(wěn)定性和檢測精度，不易受人體行動的干擾，佩戴舒適，十分適用于實時監(jiān)測呼吸頻率和呼吸強度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。