一種納米呼吸傳感器及其制備方法
【專利摘要】一種納米呼吸傳感器及其制備方法，屬傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括敏感單元和恒壓傳感電路，敏感單元微電極對(duì)的一端接入恒壓電源，另一端接入放大器，電流放大后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)，信號(hào)經(jīng)處理后可由存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，并由液晶顯示器顯示。當(dāng)呼吸氣流通過(guò)氧化鋅納米線時(shí)，氧化鋅的電導(dǎo)發(fā)生變化，可用于監(jiān)測(cè)不同呼吸頻率和強(qiáng)度的納米呼吸傳感器，并對(duì)異常呼吸進(jìn)行聲光報(bào)警。本發(fā)明具有如下的有益效果：器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備成本低，可批量生產(chǎn)；工作電壓低、功耗小、安全可靠；響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng).與人體完全非接觸，使用舒適度高。
【專利說(shuō)明】一種納米呼吸傳感器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】的器件及其制備方法，具體地說(shuō)，是涉及一種納米呼吸傳感器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]呼吸異常是許多突發(fā)疾病的先兆，因此，對(duì)異常呼吸的監(jiān)測(cè)在醫(yī)學(xué)上具有重要意義。目前用于呼吸監(jiān)測(cè)的傳感器主要有熱敏式、壓差式和壓電式等，其中，熱敏式傳感器通過(guò)呼吸引起的溫度變化獲得呼吸信號(hào)，易受環(huán)境溫度影響；壓差式傳感器通過(guò)氣壓變化獲得信號(hào)，要求使用者佩戴口罩，舒適度較差；壓電式傳感器受敏感材料敏感度限制，體積較大，成本高。現(xiàn)有呼吸傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于一次性使用，消毒程序繁瑣。隨著家庭護(hù)理概念的日益普及，急需一種小型化、低成本的便攜式呼吸傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種納米呼吸傳感器。本發(fā)明利用氧化鋅納米線的表面效應(yīng)，當(dāng)呼吸氣流通過(guò)氧化鋅納米線時(shí)，氧化鋅的電導(dǎo)發(fā)生變化，根據(jù)測(cè)量的電流曲線變化，從而監(jiān)測(cè)不同頻率和強(qiáng)度的呼吸狀況。
[0004]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種納米呼吸傳感器，其包括敏感單元、恒壓電源、放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、液晶顯示器、存儲(chǔ)器和報(bào)警裝置；敏感單元的一端接入恒壓電源，另一端接入放大器，電流放大后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)，信號(hào)經(jīng)處理后可由存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，并由液晶顯示器進(jìn)行顯示，并可通過(guò)報(bào)警裝置對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行報(bào)警；其中敏感單元包括襯底、分布在襯底上的微電極對(duì)和搭接在微電極對(duì)間的敏感元件氧化鋅納米線，敏感元件與微電極對(duì)之間形成牢固可靠的低電阻接觸。
[0005]恒壓電源的輸出電壓為1-3伏。
[0006]報(bào)警裝置為聲光報(bào)警，由蜂鳴器和二極管組成。
[0007]敏感單元的微電極對(duì)間距為100-5000納米，電極高度為50-1000納米，電極材料選自金、鉑、鈦、銅、鋁中的一種。
[0008]敏感單元的氧化鋅納米線的直徑為10-500納米，長(zhǎng)度為100-6000納米。
[0009]納米呼吸傳感器的制備方法包括:
[0010]步驟一，用微加工方法制備微電極對(duì)；
[0011]步驟二，用電泳方法在微電極對(duì)間定向組裝氧化鋅納米線；
[0012]步驟三，用高頻超聲波能量鍵合微電極對(duì)上的氧化鋅納米線，使其與微電極間形成可靠的低電阻接觸，從而形成敏感單元；
[0013]步驟四，通過(guò)模擬電路形成電源和放大器，通過(guò)數(shù)字電路和單片機(jī)形成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、液晶顯示器、存儲(chǔ)和報(bào)警裝置；
[0014]步驟五，敏感單元輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器電路處理，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，被模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最終由單片機(jī)進(jìn)行處理；
[0015]經(jīng)過(guò)上述步驟，當(dāng)呼吸氣流通過(guò)氧化鋅納米線時(shí)，氧化鋅的電導(dǎo)發(fā)生變化，根據(jù)液晶顯示器顯示的電流曲線變化和報(bào)警裝置對(duì)異常信號(hào)的報(bào)警，即可得到用于監(jiān)測(cè)不同呼吸頻率和強(qiáng)度的納米呼吸傳感器。
[0016]步驟二中，電泳電壓采用交流電，頻率為103-107赫茲，電壓峰峰值為1-30伏，電泳液選自去離子水、乙醇、丙酮、乙二醇、異丙醇中的一種或兩種混合。
[0017]步驟三中，所述高頻超聲波通過(guò)焊頭作用在氧化鋅納米線與微電極對(duì)間的接觸面，超聲波頻率為105赫茲，功率為1-1000瓦，焊頭振幅為10-1000納米，氧化鋅納米線與電極材料發(fā)生原子的互擴(kuò)散而形成牢固可靠的低電阻接觸。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明所涉及的一種納米呼吸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明所述電泳法制備的納米呼吸傳感器的掃描電子顯微鏡圖。
[0020]圖3是本發(fā)明所述的納米呼吸傳感器測(cè)試正常呼吸的電流曲線。
[0021]圖4是本發(fā)明所述的納米呼吸傳感器測(cè)試非正常呼吸的電流曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0023]實(shí)施例1、
[0024]一種納米呼吸傳感器，其包括敏感單元1、恒壓電源2、放大器3、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器4、單片機(jī)5、液晶顯示器6、存儲(chǔ)器7和報(bào)警裝置8 ；敏感單元1的一端接入恒壓電源2，另一端接入放大器3，電流放大后經(jīng)模擬丨數(shù)字轉(zhuǎn)換器4接入單片機(jī)5，信號(hào)經(jīng)處理后可由存儲(chǔ)器1進(jìn)行存儲(chǔ)，并由液晶顯示器6進(jìn)行顯示，并可通過(guò)報(bào)警裝置8對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行報(bào)警；其中敏感單元1包括襯底9、分布在襯底上的微電極對(duì)10和搭接在微電極對(duì)間的敏感元件氧化鋅納米線11，敏感元件與微電極對(duì)之間形成牢固可靠的低電阻接觸；制備方法包括:
[0025]步驟一，利用[10:-0打微加工方法在娃片襯底上制備微電極對(duì)。首先在娃片上干氧氧化一層二氧化硅絕緣層，將硅片在1801:下烘烤3小時(shí)；甩第一層11代-0打?qū)Ｓ媚z，在2001烘片30分鐘；甩第二層膠，在901:烘片30分鐘；曝光20秒，顯影23秒。然后在圖形化的硅片上濺射沉積金。最后在二甲亞砜中浸泡，超聲，去掉光刻膠及其上多余的金屬，得到圖形化的微電極對(duì)，電極間距為500納米，高度為50納米。
[0026]步驟二，用電泳方法在微電極對(duì)間組裝氧化鋅納米線，使氧化鋅納米線定向搭接在電極之間，并通過(guò)溶液濃度、電泳電壓、頻率等參數(shù)控制搭接在電極間的納米線數(shù)目。交流電壓峰峰值為1伏，頻率為106赫茲；將直徑為150納米、長(zhǎng)度為4000納米的氧化鋅納米線分散到異丙醇和去離子水的混合溶液中作為電泳液；在微電極對(duì)間滴加一滴電泳液，溶液蒸發(fā)后可使一根氧化鋅納米線定向組裝在電極之間，如圖2所示。
[0027]步驟三，用高頻超聲波能量鍵合搭接后的氧化鋅納米線。施加在焊接機(jī)焊頭上的超聲頻率為105赫茲，功率為1瓦，焊頭振幅為100納米；在超聲能量的作用，氧化鋅納米線與金屬電極的接觸處發(fā)生原子的互擴(kuò)散，從而使氧化鋅納米線牢固焊接在微電極上，形成可靠的電學(xué)接觸。
[0028]步驟四，通過(guò)模擬電路形成電源和放大器，通過(guò)數(shù)字電路和單片機(jī)形成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、液晶顯示器、存儲(chǔ)和報(bào)警裝置。
[0029]步驟五，敏感單元接入1伏電源，輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)基于運(yùn)算放大器的電流丨電壓轉(zhuǎn)換放大器，經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)，并利用自身內(nèi)部資源編寫存儲(chǔ)器和液晶顯示器模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。
[0030]經(jīng)過(guò)上述步驟，當(dāng)呼吸氣流通過(guò)氧化鋅納米線時(shí)，由于表面的吸附作用，氧化鋅的表面電導(dǎo)率發(fā)生變化，在一定的電壓下，電流隨著呼吸氣流的變化而變化，根據(jù)測(cè)量的電流曲線，可以得到用于監(jiān)測(cè)正常呼吸頻率和強(qiáng)度的納米呼吸傳感器，液晶顯示器顯示曲線如圖3所示。
[0031]實(shí)施例2、
[0032]一種納米呼吸傳感器，其包括敏感單元1、恒壓電源2、放大器3、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器4、單片機(jī)5、液晶顯示器6、存儲(chǔ)器7和報(bào)警裝置8 ；敏感單元1的一端接入恒壓電源2，另一端接入放大器3，電流放大后經(jīng)模擬丨數(shù)字轉(zhuǎn)換器4接入單片機(jī)5，信號(hào)經(jīng)處理后可由存儲(chǔ)器1進(jìn)行存儲(chǔ)，并由液晶顯示器6進(jìn)行顯示，并可通過(guò)報(bào)警裝置8對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行報(bào)警；其中敏感單元1包括襯底9、分布在襯底上的微電極對(duì)10和搭接在微電極對(duì)間的敏感元件氧化鋅納米線11，敏感元件與微電極對(duì)之間形成牢固可靠的低電阻接觸；制備方法包括:
[0033]步驟一，利用常規(guī)微加工方法在玻璃襯底上制備微電極對(duì)。首先在清洗后的玻璃片上電子束蒸發(fā)一層金屬鉑，然后涂覆光刻膠，進(jìn)行曝光、顯影，最后濕法腐蝕掉多余金屬層，去膠后獲得間距為2500納米，高度為500納米的鉑微電極對(duì)。
[0034]步驟二，用電泳方法在微電極對(duì)間定向組裝氧化鋅納米線，交流電壓峰峰值為15伏，頻率為105赫茲；將直徑為250納米、長(zhǎng)度為3000納米的氧化鋅納米線分散到乙醇溶液中作為電泳液；在微電極對(duì)間滴加一滴電泳液，溶液蒸發(fā)后可使多根氧化鋅納米線定向搭接在電極之間。
[0035]步驟三，用高頻超聲波能量鍵合搭接后的氧化鋅納米線，超聲頻率為105赫茲，功率為500瓦，焊頭振幅為600納米，在此超聲能量作用下，使得氧化鋅納米線與金屬電極形成可靠的電學(xué)接觸。
[0036]步驟四，通過(guò)模擬電路形成電源和放大器，通過(guò)數(shù)字電路和單片機(jī)形成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、液晶顯示器、存儲(chǔ)和報(bào)警裝置。
[0037]步驟五，敏感單元接入1.5伏電源，輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)基于運(yùn)算放大器的電流丨電壓轉(zhuǎn)換放大器，經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)，并利用自身內(nèi)部資源編寫存儲(chǔ)器和液晶顯示器模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。
[0038]經(jīng)過(guò)上述步驟，當(dāng)呼吸氣流通過(guò)氧化鋅納米線時(shí)，由于表面的吸附作用，氧化鋅的表面電導(dǎo)率發(fā)生變化，在一定的電壓下，電流隨著呼吸氣流的變化而變化，根據(jù)測(cè)量的電流曲線，可以得到用于監(jiān)測(cè)不同呼吸頻率和強(qiáng)度的納米呼吸傳感器，液晶顯示器顯示高頻高強(qiáng)度和低頻低強(qiáng)度的呼吸曲線如圖4所示，并通過(guò)報(bào)警裝置進(jìn)行聲光報(bào)警。
[0039]實(shí)施例3、
[0040]一種納米呼吸傳感器，其包括敏感單元1、恒壓電源2、放大器3、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器4、單片機(jī)5、液晶顯示器6、存儲(chǔ)器7和報(bào)警裝置8 ；敏感單元1的一端接入恒壓電源2，另一端接入放大器3，電流放大后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器4接入單片機(jī)5，信號(hào)經(jīng)處理后可由存儲(chǔ)器7進(jìn)行存儲(chǔ)，并由液晶顯示器6進(jìn)行顯示，并可通過(guò)報(bào)警裝置8對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行報(bào)警；其中敏感單元1包括襯底9、分布在襯底上的微電極對(duì)10和搭接在微電極對(duì)間的敏感元件氧化鋅納米線11，敏感元件與微電極對(duì)之間形成牢固可靠的低電阻接觸；制備方法包括:
[0041]步驟一，利用微加工方法在氧化鋁襯底上制備間距為4500納米，高度為1000納米的微電極對(duì)，電極材料采用銅；
[0042]步驟二，用電泳方法在微電極對(duì)間定向組裝氧化鋅納米線，交流電壓峰峰值為30伏，頻率為107赫茲；將直徑為500納米、長(zhǎng)度為6000納米的氧化鋅納米線分散到乙二醇與丙酮的混合溶液中作為電泳液；在微電極對(duì)間滴加一滴電泳液，溶液蒸發(fā)后可使氧化鋅納米線定向搭接在電極之間。
[0043]步驟三，用高頻超聲波能量鍵合搭接后的氧化鋅納米線，超聲頻率為105赫茲，功率為1000瓦，焊頭振幅為1000納米，在此超聲能量作用下，使得氧化鋅納米線與金屬電極形成可靠的電學(xué)接觸。
[0044]步驟四，通過(guò)模擬電路形成電源和放大器，通過(guò)數(shù)字電路和單片機(jī)形成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、液晶顯示器、存儲(chǔ)和報(bào)警裝置。
[0045]步驟五，敏感單元接入3伏電源，輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)基于運(yùn)算放大器的電流丨電壓轉(zhuǎn)換放大器，經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)，并利用自身內(nèi)部資源編寫存儲(chǔ)器和液晶顯示器模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。
[0046]經(jīng)過(guò)上述步驟，可以得到用于監(jiān)測(cè)不同呼吸頻率和強(qiáng)度的納米呼吸傳感器，并對(duì)異常呼吸信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。
[0047]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:(1)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，制備成本低，可批量生產(chǎn)；(2)工作電壓低、功耗小、安全可靠；(3)響應(yīng)速度快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、與人體完全非接觸，使用舒適度高。
[0048]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種納米呼吸傳感器，其包括敏感單元(I)、恒壓電源(2)、放大器(3)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(4)、單片機(jī)(5)、液晶顯示器(6)、存儲(chǔ)器(7)和報(bào)警裝置⑶；敏感單元⑴的一端接入恒壓電源(2)，另一端接入放大器(3)，電流放大后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(4)接入單片機(jī)(5)，信號(hào)經(jīng)處理后可由存儲(chǔ)器(7)進(jìn)行存儲(chǔ)，并由液晶顯示器(6)進(jìn)行顯示，并可通過(guò)報(bào)警裝置(8)對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行報(bào)警；其中敏感單元(I)包括襯底(9)、分布在襯底上的微電極對(duì)(10)和搭接在微電極對(duì)間的敏感元件氧化鋅納米線(11)，敏感元件與微電極對(duì)之間形成牢固可靠的低電阻接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米呼吸傳感器，其特征是:所述恒壓電源的輸出電壓為1-3伏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米呼吸傳感器，其特征是:所述報(bào)警裝置為聲光報(bào)警，由蜂鳴器和二極管組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米呼吸傳感器，其特征是:所述敏感單元的微電極對(duì)間距為100-5000納米，電極高度為50-1000納米，電極材料選自金、鉑、鈦、銅、鋁中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米呼吸傳感器，其特征是:所述敏感單元的氧化鋅納米線的直徑為10-500納米，長(zhǎng)度為100-6000納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的納米呼吸傳感器的制備方法，其包括: 步驟一，用微加工方法制備微電極對(duì)； 步驟二，用電泳方法在微電極對(duì)間定向組裝氧化鋅納米線； 步驟三，用高頻超聲波能量鍵合微電極對(duì)上的氧化鋅納米線，使其與微電極間形成可靠的低電阻接觸，從而形成敏感單元； 步驟四，通過(guò)模擬電路形成電源和放大器，通過(guò)數(shù)字電路和單片機(jī)形成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、液晶顯示器、存儲(chǔ)和報(bào)警裝置； 步驟五，敏感單元輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器電路處理，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，被模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最終由單片機(jī)進(jìn)行處理； 經(jīng)過(guò)上述步驟，當(dāng)呼吸氣流通過(guò)氧化鋅納米線時(shí)，氧化鋅的電導(dǎo)發(fā)生變化，根據(jù)液晶顯示器顯示的電流曲線變化和報(bào)警裝置對(duì)異常信號(hào)的報(bào)警，即可得到用于監(jiān)測(cè)不同呼吸頻率和強(qiáng)度的納米呼吸傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米呼吸傳感器的制備方法，其特征是:步驟二中，電泳電壓采用交流電，頻率為13-1O7赫茲，電壓峰峰值為1-30伏，電泳液選自去離子水、乙醇、丙酮、乙二醇、異丙醇中的一種或兩種混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米呼吸傳感器的制備方法，其特征是:步驟三中，所述高頻超聲波通過(guò)焊頭作用在氧化鋅納米線與微電極對(duì)間的接觸面，超聲波頻率為15赫茲，功率為1-1000瓦，焊頭振幅為10-1000納米，氧化鋅納米線與電極材料發(fā)生原子的互擴(kuò)散而形成牢固可靠的低電阻接觸。
【文檔編號(hào)】G01N27/60GK104458886SQ201410763626
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】趙波, 王楠, 齊紅霞 申請(qǐng)人:江蘇師范大學(xué)