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原文传递针对呼出气的湿度传感器制备方法及其检测系统

专利名称：	针对呼出气的湿度传感器制备方法及其检测系统
摘要：	本发明公开了一种针对呼出气的湿度传感器制备方法及其检测系统，属于传感器材料及气体检测系统领域，将微纳米传感器与MEMS工艺结合，构建了一种针对呼出气的湿度传感器，提高了传感响应效率和耐受性能，本发明还提供的可穿戴式的便携式实时呼吸检测系统，使用高灵敏度、低成本、宽范围、快速的湿度传感器，具有合理的响应和恢复时间,同时具有良好的可重复性，使用寿命长，能够在人们特别是老年人突发一些不可预测的事故时发送信息以寻求帮助。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	中国石油大学(华东)
发明人：	张冬至;王兴伟;宫礼坤;李博论
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-13T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910395561.9
公开号：	CN110208334A
代理机构：	北京汇捷知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	于鹏
分类号：	G01N27/22(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	266000 山东省青岛市黄岛区长江西路66号中国石油大学(华东)
主权项：	1.一种针对呼出气的湿度传感器制备方法，其特征在于，湿度传感器表面采用氧化铟-氧化石墨烯，In2O3-GO湿度传感器制备步骤包括： 1)首先，采用水热法制备In2O3； 2)然后，使用环氧树脂材料作为叉指电极的基板；将电极材料使用光刻技术在基板上的两个不同起始点以相同方向缠绕在中心上，以形成叉指电极背面图案； 3)进一步，制备In2O3-GO混合薄膜：①将0.01g的In2O3粉末与1.71g的0.3wt％GO水溶液一起混合，以使In2O3：GO质量分数比为7：3；②将混合物搅拌20分钟，然后用超声处理30分钟，得到均匀的溶液；③溶液被橡胶头滴管吸收，滴在带有叉指电极的环氧树脂基板上，形成湿度敏感的传感膜；④将传感器置于60℃的真空烘箱中并干燥4小时；其中，在环氧树脂基板表面制造In2O3-GO混合薄膜之后，叉指电极的电容随湿度的变化而变化。 2.根据权利要求1所述的针对呼出气湿度传感器制备方法，其特征在于，在步骤1)中，In2O3制备方法包括：①将12g的CO(NH2)2和1.52g的In(NO3)3·4.5H2O混合并溶解在80mL去离子水中，然后搅拌20分钟并超声处理30分钟；②将所得混合物在120℃下水热处理12小时，然后在60℃的真空烘箱中干燥6小时；③在氩气中在500℃下退火2小时后得到氧化铟。 3.一种采用如权利要求1或2所述制备方法所得湿度传感器的检测系统，其特征在于，当叉指电极的结构尺寸减小到微米级以下时，能够检测到电容值250nf以下的湿度变化，叉指电极传感器的电容灵敏度达到pf级别；具体地，In2O3-GO混合膜表面上的水吸附过程为：①In2O3-GO混合膜暴露于水分子，水分子吸附开始于In2O3的活性位点，这是水吸附的第一阶段，水层是离散的；②随着湿度的增加，第二阶段开始，随后发生多层吸附；③然后，In2O3-GO表面上的水分子形成连续层；④吸附的水分子被电离成H3O+，发生Grotthuss链式反应，H2O+H3O+→H3O++H2O；⑤当水分子渗透到GO膜和In2O3膜之间的中间层时，介电常数增加并且电容值相应提高。 4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，检测系统的集成电路包括STM32最小系统模组、外设接口电路、电源和电容式传感芯片。 5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，STM32最小系统模组包括STM32单片机、WiFi模块和时钟模块； STM32单片机为STM32F405，实现数模转换，数据的接收与发送，负责将湿度传感器采集到的实时数据，传递到移动通讯端口，同时设置报警装置，发现系统出现异常时进行报警，提醒人们出现异常异动；优选的，WiFi模块为ESP8266芯片，其与STM32单片机的连接包括3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚和I/O串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲；优选的，时钟模块为DS1302芯片，是SPI总线驱动方式，不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据；控制字总是从最低位开始输出，在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入时钟模块，数据输入从最低位的0位开始；同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出时钟模块的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。 6.根据权利要求4或5所述的检测系统，其特征在于，外设接口电路，使用的是I2C内部整合电路，并行连接OLED以及串口Wifi；保留了四路ADC，包括：采样，FFT即将波形时域信号变换到频域信号，保留一路示波器连接，还有一路连接到WiFi模块来保持实时的通讯。 7.根据权利要求4或5所述的检测系统，其特征在于，电源使用Microusb供5V电源，利用一个LDO线性稳压器将5V电源稳定在3.3V供单片机以及电容传感芯片使用；另外设置代码判断LED灯两盏并联，用于检测当代码出现问题时的处理方案，显示绿灯时表示程序运行正常；和/或电容式传感芯片优选为FDC2214芯片；最高分辨率为28位，采样最大速率为13.3ksps，能够检测最大值为250nF的电容，满足在零下40度到零上125度的温度区间内工作，内置一个应用电路；并且利用直流偏置在出现负电压的情况下将波形整体上移。 8.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，WiFi模块支持三种工作模式STA、AP和STA+AP，优选使用STA+AP模式，既能够通过路由器连接到互联网，也能够作为WiFi热点使得其他设备连接到这个模块，实现广域网与局域网的切换；通过TTL信号通道与WiFi模块利用高低电平进行通信，通常优选将TTL转化为232或485信号；优选的，当正常呼吸时曲线是稳定平滑的；而当曲线随呼吸的急促而变得杂乱跳动，判定意外情况出现，这种情况发生时立即对连接的多台移动终端，发送报警信息，使意外情况下，用户能及时得到救治。 9.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，与WiFi模块连接的移动终端为手机，移动终端的APP以两种方式接收数据：一种是直接从设备读取数据，另一种是从服务器数据库读取数据；同时，获得的数据用于绘制呼吸曲线，该曲线显示在屏幕上；用户能够随时查看，或将数据永久保存到手机的存储卡中；另外，能够执行扫描频率；在APP程序中设置上限和下限阈值，如果该值太低或太高，信息将被发送到下位计算机进行调整，当达到两个阈值的中间时，不需要调整，以便系统能够以最佳频率操作并将曲线绘制在适当的范围内；同时，能够实现报警功能，当突发情况发生时，便携式设备中的蜂鸣器开始工作，然后设备将警报信息发送给与其连接的所有用户，从而能够在第一时间处理意外情况。
所属类别：	发明专利