【摘 要】
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穿戴式和植入式的电子生物医疗设备在疾病诊断和健康管理方面发挥着越来越关键的作用。由于呼吸中包含了大量生理学信息,多种生物传感器已被开发用于呼吸监测。传统的商用呼吸检测设备存在体积大、笨重、价格昂贵等缺点,限制了它们在日常生活中的使用。与之相比,自驱动传感器具有一些独特的优势,比如无需外部电源、成本低、易于制备、高度可设计和多样化。这些传感器可以利用呼吸过程中产生的机械能或热能等能量,将其转化为电能
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穿戴式和植入式的电子生物医疗设备在疾病诊断和健康管理方面发挥着越来越关键的作用。由于呼吸中包含了大量生理学信息,多种生物传感器已被开发用于呼吸监测。传统的商用呼吸检测设备存在体积大、笨重、价格昂贵等缺点,限制了它们在日常生活中的使用。与之相比,自驱动传感器具有一些独特的优势,比如无需外部电源、成本低、易于制备、高度可设计和多样化。这些传感器可以利用呼吸过程中产生的机械能或热能等能量,将其转化为电能。目前,基于纳米发电机（nanogenerators,NGs）,科学家们已经开发出了能够被呼吸产生的气流或温度变化驱动的自驱动呼吸传感器。然而,大多数基于NGs的自驱动传感器只能收集单一种类的信号,关于呼吸信号的采集不够全面。鉴于呼吸传感器的主要目标之一是实现健康监测和诊断,结合NGs的自驱动功能,开发具有力学信号、温度信号以及气体分子信号收集能力的柔性多参数呼吸传感器,无疑将推动呼吸传感的发展。本文基于聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）薄膜的压电效应和热释电效应设计了一种基于NGs的柔性自驱动呼吸传感器,结合柔性气敏元件,完成对柔性多参数呼吸传感器的研究。该装置能够收集呼吸过程中的机械能和热能,转化为对应的电学输出信号。在本研究中,实验了3种不同厚度和3种不同形状PVDF薄膜组成的压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerators,PENGs）的输出性能,最适合力学信号收集的参数是厚度28μm的月牙形器件;在该参数组合下,吸气和呼气过程PENG的输出电压峰值为-0.8 V和1.7 V。在睡眠呼吸、深呼吸、正常呼吸、急促呼吸和咳嗽五种呼吸模式下,被气流驱动的PENG能够输出与周期和强度对应的波形,实现了呼吸模式识别的功能。基于PVDF的热释电效应,当周围温度在5 K-40 K的温差范围内发生变化时,该器件的响应时间约为500 ms,静态和动态输出电压均与温度具有良好的线性对应关系（R2＞0.95）。将钠掺杂氧化锌（Na:Zn O）纳米花（NFs）气敏材料与柔性叉指电极结合,柔性呼吸传感器能够实现1 ppm左右痕量丙酮的检测;其在1 ppm-5 ppm范围内气敏响应的线性度能够与商用丙酮传感器比肩。本文构建的柔性多参数呼吸传感器能够在无需外部电源接入的情况下,将呼吸过程中输出的机械能和热能转换成电能输出,完成对呼吸力学信号和温度信号的采集;柔性叉指电极与Na:Zn O NFs结合,能够在室温条件下完成对丙酮分子的检测。这种自驱动呼吸传感器与柔性气敏元件的联合使用,不仅易于在生活场景中使用,还能够实现多参数生物呼吸信号的监测,对未来生命健康监测和诊断系统的研究提供了新的思路。
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