一种多模式呼吸传感器及其制备方法

本发明属于柔性传感器，尤其涉及一种多模式呼吸传感器及其制备方法。

背景技术：

1、呼吸作为人类必须的行为，不仅维持生命正常进行，而且可以作为评估人体健康的重要特征。严重的呼吸问题会诱发一系列疾病，例如阻塞性睡眠呼吸暂停综合症(osas)、阿尔茨海默病和心血管疾病。因此，有效监测呼吸行为对于人体健康监测和预测人类疾病至关重要。目前临床呼吸监测设备仅在医院的重症监护室可用，这使得对于一些具有潜在高危呼吸疾病的人群，当他们在睡眠时突发呼吸疾病的时候由于缺乏有效的呼吸监测，将无法及时得到有效的治疗，从而极大地危及到他们的人生安全。因此，研制具有高精度、佩戴舒适性、便携性和环境耐受性的呼吸监测系统是必要的。

2、对于呼吸监测系统而言，其主要就是依靠传感器收集被监测患者的呼吸状况，因此传感器性能将决定了呼吸监测系统的精确性；传统的传感器件通常会存在脆性、拉伸率低、使用寿命短、不具有黏附性等缺点，在此基础上，柔性传感器件以其独特的柔韧性、可拉伸、高灵敏等特点得到更多的运用；现阶段的柔性传感器件通常采用如碳纳米管、石墨烯基材料、金属纳米线、导电高分子等材料用作为柔性体(水凝胶、弹性体等)的导电填料。虽然采用柔性导电材料制备的柔性传感器件在导电性和灵敏度等方面相对于传统传感器得到提高，但昂贵的导电材料、相对复杂的制作工艺、材料的抗疲劳、环境稳定性也是限制柔性导电材料作为传感器的重要因素。

3、针对现有柔性材料的限制，近年来，共晶溶剂受到了人们的关注；共晶溶剂是通过利用组分之间的氢键和离子键相互作用，组成的熔点显著低于各个组分的液体混合物，以其良好的导电性、稳定性、环境友好性和易于制备等优点被誉为新一代绿色溶剂；共晶溶液的制作工艺简单，所需要的材料相对于现有导电材料的价格更低，同时由于共晶溶剂赋予了材料高导电性和环境稳定性，因此目前报道已有不少共晶凝胶用于传感器的制作并应用于人体运动传感的监测。但是目前报道的共晶凝胶不能同时兼具柔软性和高导电率，导致所制备的传感器灵敏度不高，不能满足对于微弱的呼吸传感信号的精确监测，同时现有的共晶凝胶不能同时满足黏附性、抗疲劳，使其制成的传感器的使用便利性和耐用性降低，从而增加了传感器的使用成本。

技术实现思路

1、本发明提出了一种多模式呼吸传感器及其制备方法，以解决现有技术中共晶凝胶不能同时兼具柔软性和高导电率，导致所制备的传感器灵敏度不高，不能满足对于微弱的呼吸传感信号的精确监测的问题，同时还解决了现有共晶凝胶稳定性及粘附性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多模式呼吸传感器，包括上凝胶层、下凝胶层和位于所述上凝胶层与所述下凝胶层之间的介电层；所述上凝胶层与所述下凝胶层相同或不同；

3、所述上凝胶层设置有第一电极和第二电极；所述下凝胶层设置有第三电极；

4、所述第一电极与所述第二电极通过导线相连，所述第一电极与所述第三电极通过导线相连(可以设置电极，然后用导线连通两个电极，也可以直接用导线做电极，即直接用一根导线连通上下凝胶层)。

5、进一步地，所述上凝胶层和所述下凝胶层为基于丙烯酰胺修饰氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶的凝胶层；所述介电层为不导电的高分子聚合物，优选为3m公司的vhb4910系列丙烯酸薄膜。

6、进一步地，所述基于丙烯酰胺修饰氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶的凝胶层的制备方法，包括以下步骤：

7、将氢受体和氢供体在加热条件下共混，得到深共晶溶剂；

8、将丙烯酰胺修饰氨基酸、羟基磷灰石、交联剂和引发剂加入所述深共晶溶剂中，固化，得到基于丙烯酰胺修饰氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶的凝胶层。

9、进一步地，所述丙烯酰胺修饰氨基酸为丙烯酰胺修饰的甘氨酸或丙烯酰胺修饰的天冬氨酸；

10、所述深共晶溶剂中氨基酸的浓度为15-30wt％，优选为30wt％。

11、氨基酸里的修饰基团起到黏附的作用，经过修饰的氨基酸才能形成聚合物长链作为共晶凝胶的主要网络，未修饰的氨基酸则无法形成聚合物，进而无法成胶。

12、进一步地，所述羟基磷灰石的加入量为丙烯酰胺修饰氨基酸的2wt％-20wt％，优选为6-12wt％，更优选为6wt％。

13、进一步地，所述羟基磷灰石为针状羟基磷灰石(ca10(po4)6(oh)2)。

14、进一步地，所述氢受体和所述氢供体的摩尔比为1:1-1:5，优选为1:2。

15、进一步地，所述氢受体包括氯化胆碱、甜菜碱、环糊精、十二癸酸钠或甲基三辛基氯化铵；

16、所述氢供体包括甘油、尿素、乙二醇、戊二醇、丙二醇、苯乙酸、癸酸、n-异丙基丙烯酰胺或n-甲基乙酰胺。

17、进一步地，所述氢受体优选为氯化胆碱或甜菜碱，所述氢供体优选为乙二醇或甘油。

18、进一步地，所述引发剂为光引发剂或热引发剂，优选为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)、过硫酸铵(aps)或过硫酸钾(kps)，进一步优选为光引发剂i2959；引发剂的量为氨基酸质量的0.05wt％-2wt％，优选为1wt％。

19、进一步地，所述交联剂为含(甲基)丙烯酰胺或(甲基)丙烯酸酯官能团的小分子或大分子，且官能团数量≥2，优选为亚甲基双丙烯酰胺(mbaa)、聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda，mn＝200)，更优选为mbaa。交联剂浓度为0wt％-1wt％，优选为0wt％-0.1wt％。

20、进一步地，氢受体和氢供体在加热条件下共混时，加热温度为60-120℃，优选为80℃。

21、进一步地，所述固化为热固化或光照固化。当采用光照固化时，光照波长为300-410nm，优选为365nm，光照时间为15-20min，光照时间可根据样品尺寸调整。

22、更进一步地，所述基于丙烯酰胺修饰氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶的凝胶层的制备方法如下：

23、将氯化胆碱和乙二醇按照1:2摩尔比在60-120℃下共混，充分搅拌得到深共晶溶剂；

24、将氨基酸单体、羟基磷灰石、交联剂、引发剂充分溶解于上述制备的深共晶溶剂中，倒入模具中，利用固化灯在330-410nm的波段上照射预聚液，优选的光照波段为365nm，光照时间和厚度根据样品尺寸调整。

25、一种所述多模式呼吸传感器的制备方法，包括以下步骤：

26、将介电层安装于所述上凝胶层与所述下凝胶层之间；将第一电极和第二电极分别安装于所述上凝胶层；将第三电极安装于所述下凝胶层；用导线连接所述第一电极和所述第二电极，用导线连接所述第一电极和所述第三电极，得到所述多模式呼吸传感器。

27、当第一电极和第二电极连通时，形成电阻式传感器；当第一电极与第三电极连通时，形成电容式传感器；本发明同时将两种传感器接通，制备的多模式传感器可以感知多种不同的信号。

28、一种所述的多模式呼吸传感器的使用方法，将所述多模式呼吸传感器贴于腹部、胸部或鼻子下方。

29、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

30、(1)本发明制备的氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶，通过氨基酸的羧基与羟基磷灰石上的钙离子螯合形成的物理交联网络，构建出兼具柔软性和高导电性的共晶凝胶，好的柔软性能够更好地对微弱的压力作出形变响应，而高导电性能够准确快速的输出形变产生的电信号，因此将本发明共晶凝胶作为传感器将大幅提升传感器的灵敏度，从而更适用于感应呼吸气流所产生的微弱压力，解决了现有共晶凝胶无法兼具柔软性和高导电性，导致不能用于微弱信号感应的问题。

31、(2)本发明制备的氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶具备优异的粘附性能，可自粘附于人体的皮肤组织，使得由本发明共晶凝胶所制备的传感器能够更好地粘附在人体的待测部位上，从而提高对信号采集的精确性。

32、(3)本发明制备的氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶具备优异的环境稳定性能，在-40℃～60℃宽温度范围内均具备优异的导电率和机械性能；使得由本发明共晶凝胶所制备的传感器能够适用于更广泛的应用环境。

33、(4)本发明制备的氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶在室温和低温条件下均具备快速的自愈合性能，室温下3h的自愈合效率为97％，低温下6h的自愈合效率为95％，良好的自愈合性能能够使得凝胶即使在使用过程中受到外力的轻微破坏也能够在一定时间内自愈合，从而延长了凝胶的使用寿命。

34、(5)本发明制备的基于氨基酸/羟基磷灰石共晶凝胶的多模式呼吸传感器具备自粘附性、可愈合性、力/温度双刺激响应，且双模式电信号同时输出，以上特点可以显著提高呼吸监测传感器的传感灵敏度、使用寿命、呼吸监测结果的准确性和可靠性。