基于碳纳米管的呼吸传感器及便携式系统设计

陈晓航, 王雨化, 徐 东, 张亚非

(上海交通大学微纳科学技术研究院 上海200240)

基于碳纳米管的呼吸传感器及便携式系统设计

陈晓航, 王雨化, 徐 东, 张亚非

(上海交通大学微纳科学技术研究院 上海200240)

提出了一种新颖的基于碳纳米管的呼吸传感器.传感器芯片通过微加工工艺制造,采用简单的叉指状金属侧壁电极结构.电极上覆盖了一层碳纳米管薄膜层,极大地增强了传感器对呼吸气体的敏感性.以该传感器作为核心,设计了呼吸监测系统电路,包括信号发生器、I/V转换放大器、A/D转换器、以及基于FPGA的数字解调器、LCD显示模块、SD卡数据存储模块、呼吸异常报警模块7个部分,实现了该呼吸传感器系统的便携化.测试结果表明,呼吸传感器便携式系统具有响应快、回复快、灵敏度高、抗干扰强等优点.

呼吸传感器;碳纳米管;便携式系统;极化

0 引言

呼吸是人类的基本生命现象,通过对呼吸所具有的物理特征(如呼气量、呼吸频率等动态特征)和化学特征(如呼出气中的分子成分)的检测分析,可以获得有关人类生理、病理、心理状况的重要信息[1-3].随着家庭护理概念的日益普及,使得小型化、低成本、便携式的医疗诊断设备逐步走进家庭,M EM S传感器也不断朝着家庭护理医疗仪器领域发展,这些领域也要求M EM S传感器件向小型化、低成本和高可靠性方向发展,以配合此类应用.

本课题组研究的基于碳纳米管的呼吸敏感结构传感器采用与人体的非接触式测量,随着温度的漂移表现出了极强的稳定性,不但可以应用于临床设备,而且能应用在非临床诊断的家用呼吸分析设备和病情长期监控的呼吸分析网络终端.提供了一种全新的便携式呼吸检测终端设计方案,具有快速响应、高灵敏性、高抗干扰性和与人体完全非接触式的重要优点.

1 传感器芯片制造

呼吸传感器芯片采用一组叉指状的微电极结构,电极对之间的间距为5～10μm,电极金属表面覆盖一层多壁碳纳米管薄膜.其工艺制造流程为:1)采用双抛双氧化硅片作为基底,先用丙酮、酒精常规清洗后烘干;2)甩双层胶,通过光刻、显影做出电极图形;3)溅射Cr/Cu种子层,利用“Lift-off”工艺去除光刻胶,做出Cr/Cu电极图形;4)在Cr/Cu电极上电镀镍,加厚电极厚度至2～3μm;5)利用丙酮均匀分散多壁碳纳米管(直径为30～50 nm);6)利用“电泳”工艺将碳纳米管均匀附于镍电极上,并在其上电镀一层镍保护层,以增加碳纳米管与镍电极的结合力.其工艺流程如图1所示.

图1 呼吸传感器微加工工艺流程图Fig.1 Flow schematic of breath senso r microfabrication p rocess

图2为传感器芯片电极间隙处SEM照片,图中显示电极上覆盖了一层浓度适中的多壁碳纳米管薄膜,在电极侧壁上有很多碳纳米管的尖端.测试结果表明,这层碳纳米管薄膜极大地增强了传感器对呼吸气体的敏感性.

2 便携式系统设计

整个呼吸传感器便携式系统由呼吸敏感单元和外围电路仪表两部分构成,系统框图如图3所示.系统工作时呼吸敏感单元置于口鼻5～10 cm处或者直接贴于口鼻之间的皮肤上,通过严格屏蔽的导线连接至外围电路仪表盒.

系统外围电路包括以下部分:1)10 k Hz正弦波信号发生电路;2)I/V转换放大电路;3)A/D转换电路; 4)基于FPGA数字解调电路;5)LCD显示电路;6)SD卡存储电路;7)呼吸异常报警电路.

10 k Hz正弦波信号发生电路采用基于运算放大器的文氏电桥振荡器,利用电阻和稳压管构成负反馈网络保证电桥振荡信号的幅值的稳定性,为呼吸传感器芯片提供稳定幅值和频率的电压源.I/V转换放大电路基于运算放大器,传感器对呼吸的电流响应信号经电流/电压转换,然后通过差分放大,最终输出幅值为0～2.5 V的交流电压信号.

数字电路采用A ltera公司的FPGA芯片(CycloneⅡEP2C20F484C8)作为核心.A/D转换器采用串行芯片ADS7816,该芯片的最高采样频率为200 k Hz.选用TL 431芯片做为稳压芯片,输出一个2.5 V的稳定电压作为ADS7816参考信号端.FPGA芯片接收ADS7816的12位数字信号并对其进行幅值解调,并利用FPGA内部资源编写LCD12864显示模块和SD卡的数据存储模块.

LCD采用波形的方式来显示呼吸信号,同时利用SD卡数据存储模块记录波形信号(经过放大的电压幅值),按照固定的时间间隔进行存储,以便对检测对象呼吸参数进行后续分析.报警模块作为一个附加功能模块,当被检测对象出现呼吸异常时进行报警,该模块由一个蜂鸣器和三极管构成.

3 测试结果

测试结果表明碳纳米管薄膜极大地增强了传感器对呼吸气体的敏感性,同时系统表现出了高灵敏度以及对温度漂移和空气气流的高抗干扰性.测试结果中纵轴为传感器对人体呼吸的响应电流经过外围系统电路放大得到的电压信号,对应于呼吸波的呼吸强度.传感器电流响应信号经过外围电路转化为电压信号的增益为4×106V/A.横轴坐标为时间,通过测试结果可以得到呼吸的频率特性.

图4所示为有碳纳米管薄膜的传感器和无碳纳米管薄膜(纯金属电极)传感器的呼吸响应曲线.图4中显示,纯金属电极传感器输出信号很难被检测到.而碳纳米管传感器表现出了优良的敏感性.

图5所示为人体高频率呼吸状况下的呼吸波形.图5中显示,该系统可以分辨100次/分钟的呼吸,远高于正常人体呼吸的16～20次/分钟.同时用流量计对呼吸气体进行流量的标定,结果显示该传感器可以分辨0.5 slpm流量的呼吸波.

图6所示为不同的温度下进行的呼吸响应测试结果.在35℃,40℃,45℃,50℃,55℃,60℃6个不同温度条件下,该系统对呼吸的响应表现出了很好的稳定性.为了测试系统在外界气流作用下的响应,将压缩空气以脉冲气的形式作用于呼吸敏感单元,可以发现信号几乎不能辨认,表现出了很好的抗干扰能力.

图6 不同温度下呼吸测试对比Fig.6 Comparison of breath test under different temperatures

4 机理分析

对于呼吸气体的医学研究表明,呼吸气体中存在大量的小液滴[4].经过理论分析与验证,认为传感器的响应电流包括3个部分[5]:1)在外界电场的作用下,放电区域气体由于离化作用产生的电流(Ii);2)气体中的小液滴在外界电场作用下不均匀极化,随着呼吸气流的流动,当液滴与侧壁接触后产生的电流(Ip);3)在外界电场力的作用下,不均匀液滴不自主的漂移产生的电流(Id).

当呼吸信号作用于传感器上,放电区域的气体将被呼吸气体部分取代.如果呼吸的流速足够大,那么第2部分电流将远远大于其他两部分电流,传感器对呼吸气体的流速的灵敏度可以定义为[5]

其中,Jp为第2部分电流Ip对应的电流密度,Wd为呼吸气流的流速,q为元电荷电量,VE为有效放电区域, χE为VE中气体的平均电极化率,ε0为真空介电常数,E为有效区域VE中某点的电场强度,d V为放电区域体积微分单元.对于固定测试者,其呼吸气体成分不变,χE是定值.同时由于碳纳米管薄膜的存在(如图1所示),局部电场由于其尖端的电场收敛作用极大地增强[6],从而很大程度上提高了该传感器对呼吸的灵敏度.根据公式(1),电流大小与呼吸气流强度成正比.

当呼吸信号停止作用于传感器时,放电区域气体将很快地被空气重新取代,由于液滴的不均匀极化,产生的电流将急剧减少,导致了响应电流的下降.同时,由于非吸附式的机理,传感器表现出了很好地回复特性.

根据以上分析,传感器响应电流的主要贡献来源于呼吸气体中小液滴的不均匀极化,传感器对空气气流的响应将远小于对呼吸气体的响应,所以,该传感器表现出了极强的抗空气气流干扰能力.

5 结论

本文提出了一种新颖的基于碳纳米管的呼吸传感器,采用简单的叉指状微电极结构.电极表面电泳了一层碳纳米管敏感层,极大地增强了传感器对呼吸气体的敏感性.基于该呼吸敏感结构设计了便携式呼吸监测系统,该系统可以分辨人体高频下的呼吸信号,表现出了良好的性能.同时,对于外界流动空气以及温度漂移的干扰,系统表现出了很好的稳定性.

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[6] 樊志琴,姚宁,杨仕娥,等.不锈钢衬底碳纳米管薄膜的场发射特性[J].郑州大学学报:理学版,2004,36(2):48-52.

A Breath Sensor Based on Carbon Nanotubesand System Design

CHEN Xiao-hang,WANG Yu-hua,XU Dong,ZHANG Ya-fei
(Research Institute of M icro/N ano Science and Technology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

A novel breath sensor based on carbon nanotubes is p roposed.The breath sensor has a simp le structure of two interdigital metal beam s,inco rpo rating w ith m ulti-w alled carbon nanotubes,w hich greatly increase the sensitivity of the breath sensor to the exhaled gas.The peripheral circuitsof breath monitoring system are designed,including signal generator,I/V converter, A/D converter,digital demodulato r,LCD disp lay circuit,and SD card circuit.The po rtable breath monito ring system has a high speed of response and recovery.M eanw hile,strong anti-interference ability to external airflow and temperature shift is observed.

breath sensor;carbon nanotubes;portable system;polarization

TP 212.3

A

1671-6841(2010)03-0080-04

2009-11-19

国家自然科学基金资助项目,编号50730008;上海市科技项目,编号09JC1407400.

陈晓航(1984-),男,硕士研究生,主要从事纳米气体传感器及其系统集成研究,E-mail:chxh@sjtu.edu.cn;通讯联系人:张亚非(1955-),男,教授,主要从事无机非金属材料、纳米功能材料和纳电子器件研究,E-mail:yfzhang@sjtu.edu.cn.