一种压电MEMS气体开关器件

本技术涉及微机电系统及压电传感器，尤其是涉及一种压电mems气体开关器件。

背景技术：

1、医疗雾化给药是呼吸系统疾病临床治疗中的常用手段，其通过将液态药物转化为微细气溶胶颗粒，使药物直接沉积于气道和肺泡，从而实现局部高效给药。随着家庭医疗和可穿戴健康管理模式的兴起，对雾化设备的小型化、智能化和患者顺应性提出了更高要求。

2、目前，市售便携式雾化器主要采用持续喷雾或固定占空比的定时喷雾控制策略。这类控制方式未考虑患者个体的呼吸节律差异，在呼气阶段仍持续输出雾化气流。这一做法至少带来两方面问题：其一，造成药物浪费，增加了治疗成本；其二，呼气叠加雾化气流冲击上呼吸道，易诱发患者呛咳反射、喉部刺激，治疗舒适度与安全性均受到影响。

3、为解决上述问题，已有研究者尝试在雾化系统中引入呼吸同步触发机制，即通过检测吸气起始信号，仅在吸气相释放雾化气体。实现该功能的核心在于呼吸状态感知单元。现有方案多依赖外置式流量传感器（如热丝式或压差式流量计）或微型压力传感器（如压阻式或电容式mems压力芯片）采集气道压力或流量变化。然而，这些传感器在实际应用中暴露出诸多局限：首先，热丝式或压差式传感器通常需要较长流道或文丘里结构，体积偏大，难以嵌入贴附式或穿戴式雾化贴片等受限空间；其次，部分传感器响应时间长，导致触发延迟。

4、从微纳制造技术发展趋势来看，基于微机电系统（micro-electro-mechanicalsystems，mems）的敏感元件已在加速度、压力、气体浓度等检测领域展现出高灵敏度、小尺寸和低功耗优势。然而，针对呼吸气压检测的专用mems器件，目前仍缺乏成熟方案。

5、综上所述，现有医疗雾化器在呼吸同步控制方面存在技术缺口，缺乏一种可微型化、低功耗、高灵敏度且具备直接驱动能力的mems呼吸感知器件，该器件需能够实时识别呼气阶段与吸气阶段产生的微小气压变化，这要求敏感结构对微气压具有高分辨响应能力，且能够满足可穿戴或贴附式雾化设备的应用需求。

技术实现思路

1、为了改善现有医疗雾化器因缺乏呼吸状态实时感知而导致的呼气相药物浪费与患者呛咳不适，同时解决现有传感器灵敏度不足、难以集成于可穿戴设备的问题，本技术提供一种压电mems气体开关器件。

2、本技术提供的一种压电mems气体开关器件采用如下的技术方案：

3、一种压电mems气体开关器件，包括衬底和组合悬臂梁膜结构；

4、所述衬底上形成有背腔；

5、所述组合悬臂梁膜结构设置于所述背腔上方，所述组合悬臂梁膜结构包括中心正六边形膜片以及围绕所述中心正六边形膜片均匀分布的六个花瓣状悬臂梁膜片；所述中心正六边形膜片的中心固定，边缘为悬空自由状态；所述花瓣状悬臂梁膜片的外侧边缘固定，内侧边缘为悬空自由状态；

6、所述中心正六边形膜片与所述花瓣状悬臂梁膜片均包括自下而上依次层叠的结构层、底电极层、压电薄膜层和顶电极层。

7、进一步地，所述压电薄膜层形成有呈分区梯度排布的孔洞阵列，所述孔洞阵列为六边形蜂窝阵列或线性阵列中的至少一种。

8、进一步地，所述中心正六边形膜片的孔洞采用第一孔密度和第一孔径，所述第一孔密度为低孔密度、所述第一孔径为小孔径；

9、所述花瓣状悬臂梁膜片主体区域的孔洞采用第二孔密度和第二孔径，所述第二孔密度大于所述第一孔密度，所述第二孔径大于所述第一孔径；

10、所述花瓣状悬臂梁膜片自由侧边缘区域的孔洞采用第三孔密度和第三孔径，所述第三孔密度大于所述第二孔密度，所述第三孔径小于所述第二孔径。

11、进一步地，所述压电薄膜层具有受控的残余拉应力，所述残余拉应力使得所述压电薄膜层在工作状态下处于低于屈曲临界应力且接近屈曲临界应力的预应力状态。

12、进一步地，所述中心正六边形膜片的直径与所述背腔的直径之比为0.4-0.6。

13、进一步地，所述中心正六边形膜片采用独立电极引出，六个所述花瓣状悬臂梁膜片的电极采用分组差分式并联连接。

14、进一步地，六个所述花瓣状悬臂梁膜片分为第一敏感组和第二敏感组，所述第一敏感组包括沿周向交替设置的三个所述花瓣状悬臂梁膜片，所述第二敏感组包括其余三个沿周向交替设置的所述花瓣状悬臂梁膜片；

15、同一敏感组内各所述花瓣状悬臂梁膜片的顶电极和底电极的接线方向根据其在相同气压作用下产生的电荷极性进行设置，使同一敏感组内各花瓣状悬臂梁膜片的有效压力信号保持同相，并以并联方式连接，使同一敏感组内多个花瓣状悬臂梁膜片产生的压电电荷相互叠加。

16、进一步地，还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括：

17、压力求和通道，用于将中心正六边形膜片的输出信号、第一敏感组的输出信号和第二敏感组的输出信号进行加权求和，以叠加由呼吸压差引起的同相压电信号；

18、流向差分通道，用于将所述第一敏感组的输出信号与所述第二敏感组的输出信号进行差分处理，以提取气流方向信息并抵消干扰。

19、本技术还提供基于上述压电mems气体开关器件的呼吸状态识别控制方法，包括以下步骤：

20、通过所述中心正六边形膜片响应作用于器件表面的平均气压和整体压差，输出中心通道电信号；

21、通过六个所述花瓣状悬臂梁膜片响应局部压力梯度和气流流向变化，经分组同相并联后输出第一敏感组电信号和第二敏感组电信号；

22、将所述中心通道电信号、第一敏感组电信号和第二敏感组电信号分别输入电荷放大电路进行增益匹配放大；

23、将放大后的三路信号经加权求和得到压力求和信号，将所述第一敏感组电信号与所述第二敏感组电信号经差分处理得到流向差分信号；

24、根据所述压力求和信号的极性判断当前呼吸状态，并根据所述流向差分信号的幅值变化辅助判断呼吸状态并抵消干扰；

25、根据呼吸状态判断结果生成对应的雾化器通断控制信号，实现吸气状态下雾化气体释放、呼气状态下雾化气体关闭。

26、本技术还提供一种医疗雾化系统，包括上述压电mems气体开关器件。

27、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

28、1.本技术采用中心正六边形膜片与外围六个花瓣状悬臂梁膜片相结合的复合敏感结构，形成中心-环形协同受力体系。中心正六边形膜片具有六重旋转对称性，能够减小器件对气流方向的依赖，使来自不同方向的呼吸气流均可形成稳定的机械响应；外围六个花瓣状悬臂梁膜片分别构成独立的低刚度敏感单元，相较于宽度均匀的传统悬臂梁，可产生更大的自由端位移，并使机械应变集中于悬臂梁根部、电极覆盖区域及孔洞周边，从而增大压电层内的有效应变和电荷输出。中心正六边形膜片与外围花瓣状悬臂梁膜片在功能上形成互补，将受压区域划分为多个能够独立弯曲的柔性单元，减小了完整膜片因面内约束产生的附加刚度，在保持较大有效受压面积的同时增加了高应变区域的数量，实现了对微小呼吸气压变化的高灵敏响应，有效提高了吸气与呼气状态的识别可靠性。

29、2.本技术在压电薄膜层中引入分区梯度排布的孔洞阵列结构，具体为中心六边形膜片区域采用低孔密度、小孔径排布以保证结构稳定性与信号输出一致性，花瓣状悬臂梁膜片主体区域采用中等孔密度蜂窝阵列以提高局部柔性，花瓣状悬臂梁膜片边缘区域进一步提高孔密度以降低整体等效弯曲刚度。通过该分区梯度设计，实现了膜结构等效刚度的空间可控调节与局部应力增强，使器件在呼吸产生的低频、微压差气流条件下仍能产生明显的形变响应与电信号输出，显著提升了对微弱呼吸气压的检测能力。

30、3.本技术在压电薄膜层引入受控的残余拉应力，使其工作状态处于低于屈曲临界应力且接近屈曲临界应力的预应力状态。在该预应力状态下，压电薄膜的等效压电系数得到显著提高，气压作用下膜片产生的机械形变被有效放大，进而提升了机械能-电能的转换效率，使器件能够以更高的灵敏度检测呼吸状态变化，同时保持工作稳定性。

31、4.本技术采用中心正六边形膜片独立电极引出、外围六个花瓣状悬臂梁膜片分组差分式并联连接的电极配置方式。中心正六边形膜片独立引出可避免其与外围花瓣状悬臂梁膜片直接并联后因总等效电容增大而造成输出电压被稀释；外围花瓣状悬臂梁膜片分为第一敏感组和第二敏感组，同一敏感组内各膜片的电极接线方向根据电荷极性设置，使有效压力信号保持同相并以并联方式连接，实现压电电荷相互叠加，提高总电荷输出，同时各组内随机噪声的叠加速度低于有效信号的线性叠加速度，有效提高了信噪比。通过构建压力求和通道与流向差分通道，既实现了呼吸压差信号的叠加增强，又能够对温度漂移、封装应力及共模干扰予以差分抵消，进一步提高了呼吸状态识别的准确性和抗干扰能力。

32、5.本技术提供的压电mems气体开关器件便于集成于雾化面罩呼吸通道内，通过实时检测患者吸气与呼气状态并直接控制雾化气体的输出与关闭，实现了吸气相释放药雾、呼气相关闭喷雾的智能呼吸同步触发功能。该控制方式有效避免了现有持续喷雾或定时喷雾方式在呼气阶段持续输出雾化气体所导致的药物浪费问题，同时消除了呼气相雾化气流对患者呼吸道的逆向冲击，显著降低了患者呛咳及呼吸不适的发生风险，提高了雾化治疗的安全性与舒适性。

33、6.本技术基于mems微纳加工技术制备，器件整体尺寸小、结构紧凑，可在晶圆级实现批量制造，具有良好的工艺兼容性和成本优势。同时，压电式敏感单元工作功耗极低，且敏感结构与驱动控制可在器件层面实现功能集成，无需依赖外部体积庞大的流量传感器或压力传感器，能够满足可穿戴式或贴附式医疗雾化设备的应用需求。