基于内嵌式多元传感阵列的柔性呼吸检测器件及制备方法

本发明涉及柔性电子、可穿戴生理监测和呼吸多参数检测，具体为一种基于内嵌式多元传感阵列的柔性呼吸检测器件及制备方法。

背景技术：

1、呼吸过程中的温度、湿度、气流力学变化以及呼出气体成分能够反映人体的呼吸节律和生理状态。现有可穿戴呼吸检测器件多采用口罩承载、鼻周贴附或胸腹部贴附的设置方式，其中，口罩式器件的检测位置距离鼻腔气流源相对较远，容易受到口罩内部滞留气体、外界气流和佩戴贴合程度的影响；鼻周贴附式器件容易受到面部表情、汗液、皮肤状态、头部运动和环境气流的干扰；胸腹部贴附式器件主要通过胸腹形变间接反映呼吸状态，难以直接获得鼻腔气流的多种参数。

2、现有呼吸检测器件通常针对温度、湿度、气流力学或呼出气体成分中的一种或少数几种参数进行检测，难以在同一穿戴位置同步获取多维呼吸信息。同时，鼻腔入口内侧虽然靠近呼吸气流源并具有相对半封闭的检测环境，但该区域空间狭小、湿度较高，常规刚性或半刚性传感结构难以与鼻腔内壁柔性适配，多种传感单元在有限区域内集成后还容易出现弯折损伤、界面分离或电连接不稳定的问题。

3、此外，鼻腔呼吸气流具有流量较小且周期性变化的特点，常规平面力学传感结构在微弱气流作用下产生的形变量有限，可能导致输出信号较弱或循环检测后的恢复状态不一致。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种能够稳定保持于鼻腔入口内侧或鼻腔近内壁区域、同步检测多种呼吸参数，并能够在微弱鼻腔气流作用下产生可重复力学响应的柔性呼吸检测器件。

2、为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：基于内嵌式多元传感阵列的柔性呼吸检测器件，所述柔性呼吸检测器件包括鼻腔柔性载体和多元柔性传感阵列；

3、所述鼻腔柔性载体用于将所述多元柔性传感阵列保持于鼻腔入口内侧或鼻腔近内壁区域，使所述多元柔性传感阵列的检测区域位于鼻腔呼吸气流经过区域；

4、所述多元柔性传感阵列包括温度传感器、湿度传感器、呼吸力学传感器、电化学传感器、接口电极、pi层、pdms层和sio2层；

5、所述温度传感器、湿度传感器、呼吸力学传感器和电化学传感器分别与所述接口电极电连接，所述pi层作为承载各传感器及其互连结构的柔性绝缘基底，所述pdms层作为临时支撑层、柔性支撑层或所述鼻腔柔性载体的材料层，所述sio2层设置于所述pi层与所述pdms层的待键合界面；

6、所述呼吸力学传感器包括导电磁性空心微管阵列，所述导电磁性空心微管阵列由柔性聚合物、磁性微粒和导电填料混合固化形成，所述导电磁性空心微管阵列的表面形成有微型球坑；所述导电磁性空心微管阵列用于在鼻腔呼吸气流作用下发生弯曲形变并产生电阻变化，并在呼吸气流作用消失后通过自身弹性和磁性作用恢复。

7、进一步的，在本发明中，所述温度传感器包括沿所述鼻腔柔性载体周向延伸的蛇形金属电极，所述蛇形金属电极用于将吸气和呼气引起的局部温度变化转换为电阻变化；

8、所述湿度传感器包括叉指电极和湿敏材料层，所述湿敏材料层覆盖于所述叉指电极的表面及相邻电极指之间的间隙区域，用于将鼻腔呼吸微环境中的湿度变化转换为电学信号，所述湿敏材料层包括氧化石墨烯、聚乙烯醇、纤维素纳米材料、离子凝胶或其复合材料。

9、进一步的，在本发明中，所述呼吸力学传感器还包括与所述导电磁性空心微管阵列一体成型的公共导电磁性复合基底，所述公共导电磁性复合基底固定于所述pi层的预设呼吸力学检测区域，并与所述接口电极中对应的呼吸力学传感连接电极电连接；

10、所述导电磁性空心微管阵列中的多个空心微管沿所述鼻腔柔性载体的周向排列，所述空心微管凸出于所述公共导电磁性复合基底，使鼻腔呼吸气流能够作用于所述空心微管的侧壁并驱动所述空心微管弯曲。

11、进一步的，在本发明中，所述柔性聚合物为pdms，所述磁性微粒为钕铁硼微米颗粒，所述导电填料为碳纳米管，所述pdms、钕铁硼微米颗粒和碳纳米管的质量比为2∶6∶1；

12、所述空心微管经轴向充磁而形成轴向磁极分布，所述微型球坑的直径为5～10微米；所述空心微管的内腔用于负载缓释药物、湿润调节材料或功能分子。

13、进一步的，在本发明中，所述电化学传感器包括至少一个工作电极、ag/agcl参比电极和对电极，至少一个所述工作电极的表面设置有用于检测呼吸相关标志物的敏感修饰层；

14、所述工作电极包括过氧化氢工作电极、乙醇工作电极、乳酸工作电极和空白工作电极中的至少两种，所述空白工作电极用于对非目标信号进行差分补偿；

15、所述过氧化氢工作电极的敏感修饰层包括普鲁士蓝和导电碳材料，所述乙醇工作电极的敏感修饰层包括nafion、多壁碳纳米管、麦尔多拉蓝、乙醇脱氢酶和氧化型辅酶ⅰ，所述乳酸工作电极的敏感修饰层包括铂纳米颗粒、壳聚糖和乳酸氧化酶。

16、进一步的，在本发明中，所述鼻腔柔性载体呈环形、半环形、管状或鼻塞式结构，并能够在径向压缩后通过鼻孔入口，在进入鼻腔后弹性恢复并贴合于鼻腔入口内侧；

17、所述鼻腔柔性载体的外周设置有向外凸起的防脱落限位部，所述防脱落限位部为沿所述鼻腔柔性载体轴向延伸的环形凸缘或局部凸台；

18、所述鼻腔柔性载体为单鼻孔结构，或者所述鼻腔柔性载体为双鼻孔一体结构，所述双鼻孔一体结构包括柔性连接桥以及分别设置于所述柔性连接桥两端的两个鼻腔柔性载体；

19、所述多元柔性传感阵列的非敏感区域设置有绝缘防潮封装层，所述温度传感器、湿度传感器、呼吸力学传感器和电化学传感器的检测区域分别设置有开口、半透界面或透气疏水界面。

20、基于内嵌式多元传感阵列的柔性呼吸检测器件的制备方法，用于制备上述的基于内嵌式多元传感阵列的柔性呼吸检测器件，包括：

21、步骤s1，在临时支撑层上制备以pi层为柔性绝缘基底的平面多元柔性传感阵列，在所述平面多元柔性传感阵列中形成温度传感器、湿度传感器、电化学传感器、呼吸力学传感器的连接区域和接口电极，并在所述pi层的待键合表面形成sio2层；

22、步骤s2，制备表面具有微型球坑的导电磁性空心微管阵列；

23、步骤s3，将所述导电磁性空心微管阵列集成于所述平面多元柔性传感阵列的预设呼吸力学检测区域以形成呼吸力学传感器，并将所述平面多元柔性传感阵列与由pdms层形成的鼻腔柔性载体复合，再将复合后的结构卷曲或弯折成适配鼻腔入口内侧的内嵌式佩戴结构。

24、进一步的，在本发明中，所述步骤s1包括：

25、在玻璃基底上旋涂pdms并固化，形成临时支撑层，对所述临时支撑层进行表面改性，在所述临时支撑层上旋涂并固化pi材料，形成pi层；

26、在所述pi层上形成金属薄膜，并对所述金属薄膜进行图形化，以形成所述温度传感器的蛇形电极、所述湿度传感器的叉指电极、所述电化学传感器的工作电极和对电极、所述呼吸力学传感器的连接电极以及所述接口电极；

27、在所述电化学传感器的参比电极区域形成银层，并对所述银层进行氯化处理，形成ag/agcl参比电极；

28、在所述金属薄膜上形成pi绝缘层，并在所述湿度传感器的敏感区域、所述电化学传感器的电极区域、所述呼吸力学传感器的连接区域和所述接口电极处形成开口；

29、在所述湿度传感器的叉指电极处形成湿敏材料层，在所述电化学传感器的工作电极处形成敏感修饰层；

30、将所述平面多元柔性传感阵列从所述临时支撑层剥离并转印，在所述pi层的背面待键合区域形成sio2层。

31、进一步的，在本发明中，所述步骤s2包括：

32、通过3d打印形成具有微柱阵列的树脂模具，在所述微柱阵列的表面形成pva水溶性牺牲薄膜；

33、将pdms、钕铁硼微米颗粒和碳纳米管混合形成导电磁性复合浆料，并将所述导电磁性复合浆料涂覆于形成有所述pva水溶性牺牲薄膜的微柱阵列表面；

34、在未固化的所述导电磁性复合浆料表面设置pmma颗粒并进行热固化，对热固化后的导电磁性复合浆料进行轴向充磁；

35、采用水溶解所述pva水溶性牺牲薄膜，使所述树脂模具与固化后的导电磁性复合浆料之间形成脱模间隙，采用有机溶剂溶解所述pmma颗粒，在所述导电磁性复合浆料的表面形成微型球坑；

36、将固化后的导电磁性复合浆料从所述树脂模具上脱模，得到所述导电磁性空心微管阵列，并在所述导电磁性空心微管阵列的空心微管内腔选择性负载缓释药物、湿润调节材料或功能分子。

37、进一步的，在本发明中，所述步骤s3包括：

38、将所述导电磁性空心微管阵列固定于所述pi层上的预设呼吸力学检测区域，并使所述导电磁性空心微管阵列与所述接口电极中对应的呼吸力学传感连接电极电连接；

39、制备由所述pdms层形成的鼻腔柔性载体，对所述sio2层和所述鼻腔柔性载体的待键合表面分别进行氧等离子体处理，将处理后的所述平面多元柔性传感阵列与所述鼻腔柔性载体对准、贴合并键合；

40、将键合后的复合结构沿预设方向卷曲或弯折，形成环形、半环形、管状或鼻塞式结构；

41、对所述平面多元柔性传感阵列的非敏感区域进行绝缘和防潮封装，并在所述温度传感器、湿度传感器、呼吸力学传感器和电化学传感器的检测区域保留开口、半透界面或透气疏水界面，得到所述基于内嵌式多元传感阵列的柔性呼吸检测器件。

42、有益效果，本技术的技术方案具备如下技术效果：

43、本发明通过鼻腔柔性载体将多元柔性传感阵列保持于鼻腔入口内侧或鼻腔近内壁区域，并使温度传感器、湿度传感器、呼吸力学传感器和电化学传感器的检测区域位于鼻腔呼吸气流经过区域，能够在靠近鼻腔气流源的位置同步获取呼吸温度、湿度、气流力学和呼出气体成分信息。相较于设置在面部皮肤表面的检测结构，该内嵌式设置方式能够减少皮肤汗液、面部表情、贴附位置变化以及外界杂散气流对检测过程的影响，并提高呼吸检测信息的维度。

44、本发明以pi层承载各传感器及互连结构，以pdms层形成柔性支撑或鼻腔柔性载体，并在pi层与pdms层的待键合界面设置sio2层，使多元柔性传感阵列能够随鼻腔柔性载体弯曲并保持相应的连接关系，有利于提高柔性阵列与鼻腔载体之间的结合稳定性，使器件能够适应鼻腔入口内侧的弯曲穿戴环境。

45、本发明的呼吸力学传感器采用由柔性聚合物、磁性微粒和导电填料形成的导电磁性空心微管阵列。鼻腔气流作用于空心微管时，空心微管发生弯曲并引起导电网络变化，从而输出反映呼吸气流变化的电阻信号；空心结构及其表面的微型球坑有利于增加微弱气流作用下的变形响应，气流作用消失后，空心微管能够依靠自身弹性和磁性作用恢复，便于进行周期性呼吸检测。