基于碳納米管的呼吸傳感器及便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉航, 王雨化, 徐 東, 張亞非

(上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院 上海200240)

基于碳納米管的呼吸傳感器及便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉航, 王雨化, 徐 東, 張亞非

(上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院 上海200240)

提出了一種新穎的基于碳納米管的呼吸傳感器.傳感器芯片通過微加工工藝制造,采用簡單的叉指狀金屬側(cè)壁電極結(jié)構(gòu).電極上覆蓋了一層碳納米管薄膜層,極大地增強(qiáng)了傳感器對呼吸氣體的敏感性.以該傳感器作為核心,設(shè)計(jì)了呼吸監(jiān)測系統(tǒng)電路,包括信號發(fā)生器、I/V轉(zhuǎn)換放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、以及基于FPGA的數(shù)字解調(diào)器、LCD顯示模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、呼吸異常報(bào)警模塊7個(gè)部分,實(shí)現(xiàn)了該呼吸傳感器系統(tǒng)的便攜化.測試結(jié)果表明,呼吸傳感器便攜式系統(tǒng)具有響應(yīng)快、回復(fù)快、靈敏度高、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).

呼吸傳感器;碳納米管;便攜式系統(tǒng);極化

0 引言

呼吸是人類的基本生命現(xiàn)象,通過對呼吸所具有的物理特征(如呼氣量、呼吸頻率等動(dòng)態(tài)特征)和化學(xué)特征(如呼出氣中的分子成分)的檢測分析,可以獲得有關(guān)人類生理、病理、心理狀況的重要信息[1-3].隨著家庭護(hù)理概念的日益普及,使得小型化、低成本、便攜式的醫(yī)療診斷設(shè)備逐步走進(jìn)家庭,M EM S傳感器也不斷朝著家庭護(hù)理醫(yī)療儀器領(lǐng)域發(fā)展,這些領(lǐng)域也要求M EM S傳感器件向小型化、低成本和高可靠性方向發(fā)展,以配合此類應(yīng)用.

本課題組研究的基于碳納米管的呼吸敏感結(jié)構(gòu)傳感器采用與人體的非接觸式測量,隨著溫度的漂移表現(xiàn)出了極強(qiáng)的穩(wěn)定性,不但可以應(yīng)用于臨床設(shè)備,而且能應(yīng)用在非臨床診斷的家用呼吸分析設(shè)備和病情長期監(jiān)控的呼吸分析網(wǎng)絡(luò)終端.提供了一種全新的便攜式呼吸檢測終端設(shè)計(jì)方案,具有快速響應(yīng)、高靈敏性、高抗干擾性和與人體完全非接觸式的重要優(yōu)點(diǎn).

1 傳感器芯片制造

呼吸傳感器芯片采用一組叉指狀的微電極結(jié)構(gòu),電極對之間的間距為5～10μm,電極金屬表面覆蓋一層多壁碳納米管薄膜.其工藝制造流程為:1)采用雙拋雙氧化硅片作為基底,先用丙酮、酒精常規(guī)清洗后烘干;2)甩雙層膠,通過光刻、顯影做出電極圖形;3)濺射Cr/Cu種子層,利用“Lift-off”工藝去除光刻膠,做出Cr/Cu電極圖形;4)在Cr/Cu電極上電鍍鎳,加厚電極厚度至2～3μm;5)利用丙酮均勻分散多壁碳納米管(直徑為30～50 nm);6)利用“電泳”工藝將碳納米管均勻附于鎳電極上,并在其上電鍍一層鎳保護(hù)層,以增加碳納米管與鎳電極的結(jié)合力.其工藝流程如圖1所示.

圖1 呼吸傳感器微加工工藝流程圖Fig.1 Flow schematic of breath senso r microfabrication p rocess

圖2為傳感器芯片電極間隙處SEM照片,圖中顯示電極上覆蓋了一層濃度適中的多壁碳納米管薄膜,在電極側(cè)壁上有很多碳納米管的尖端.測試結(jié)果表明,這層碳納米管薄膜極大地增強(qiáng)了傳感器對呼吸氣體的敏感性.

2 便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)呼吸傳感器便攜式系統(tǒng)由呼吸敏感單元和外圍電路儀表兩部分構(gòu)成,系統(tǒng)框圖如圖3所示.系統(tǒng)工作時(shí)呼吸敏感單元置于口鼻5～10 cm處或者直接貼于口鼻之間的皮膚上,通過嚴(yán)格屏蔽的導(dǎo)線連接至外圍電路儀表盒.

系統(tǒng)外圍電路包括以下部分:1)10 k Hz正弦波信號發(fā)生電路;2)I/V轉(zhuǎn)換放大電路;3)A/D轉(zhuǎn)換電路; 4)基于FPGA數(shù)字解調(diào)電路;5)LCD顯示電路;6)SD卡存儲(chǔ)電路;7)呼吸異常報(bào)警電路.

10 k Hz正弦波信號發(fā)生電路采用基于運(yùn)算放大器的文氏電橋振蕩器,利用電阻和穩(wěn)壓管構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)保證電橋振蕩信號的幅值的穩(wěn)定性,為呼吸傳感器芯片提供穩(wěn)定幅值和頻率的電壓源.I/V轉(zhuǎn)換放大電路基于運(yùn)算放大器,傳感器對呼吸的電流響應(yīng)信號經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換,然后通過差分放大,最終輸出幅值為0～2.5 V的交流電壓信號.

數(shù)字電路采用A ltera公司的FPGA芯片(CycloneⅡEP2C20F484C8)作為核心.A/D轉(zhuǎn)換器采用串行芯片ADS7816,該芯片的最高采樣頻率為200 k Hz.選用TL 431芯片做為穩(wěn)壓芯片,輸出一個(gè)2.5 V的穩(wěn)定電壓作為ADS7816參考信號端.FPGA芯片接收ADS7816的12位數(shù)字信號并對其進(jìn)行幅值解調(diào),并利用FPGA內(nèi)部資源編寫LCD12864顯示模塊和SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊.

LCD采用波形的方式來顯示呼吸信號,同時(shí)利用SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊記錄波形信號(經(jīng)過放大的電壓幅值),按照固定的時(shí)間間隔進(jìn)行存儲(chǔ),以便對檢測對象呼吸參數(shù)進(jìn)行后續(xù)分析.報(bào)警模塊作為一個(gè)附加功能模塊,當(dāng)被檢測對象出現(xiàn)呼吸異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警,該模塊由一個(gè)蜂鳴器和三極管構(gòu)成.

3 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明碳納米管薄膜極大地增強(qiáng)了傳感器對呼吸氣體的敏感性,同時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)出了高靈敏度以及對溫度漂移和空氣氣流的高抗干擾性.測試結(jié)果中縱軸為傳感器對人體呼吸的響應(yīng)電流經(jīng)過外圍系統(tǒng)電路放大得到的電壓信號,對應(yīng)于呼吸波的呼吸強(qiáng)度.傳感器電流響應(yīng)信號經(jīng)過外圍電路轉(zhuǎn)化為電壓信號的增益為4×106V/A.橫軸坐標(biāo)為時(shí)間,通過測試結(jié)果可以得到呼吸的頻率特性.

圖4所示為有碳納米管薄膜的傳感器和無碳納米管薄膜(純金屬電極)傳感器的呼吸響應(yīng)曲線.圖4中顯示,純金屬電極傳感器輸出信號很難被檢測到.而碳納米管傳感器表現(xiàn)出了優(yōu)良的敏感性.

圖5所示為人體高頻率呼吸狀況下的呼吸波形.圖5中顯示,該系統(tǒng)可以分辨100次/分鐘的呼吸,遠(yuǎn)高于正常人體呼吸的16～20次/分鐘.同時(shí)用流量計(jì)對呼吸氣體進(jìn)行流量的標(biāo)定,結(jié)果顯示該傳感器可以分辨0.5 slpm流量的呼吸波.

圖6所示為不同的溫度下進(jìn)行的呼吸響應(yīng)測試結(jié)果.在35℃,40℃,45℃,50℃,55℃,60℃6個(gè)不同溫度條件下,該系統(tǒng)對呼吸的響應(yīng)表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性.為了測試系統(tǒng)在外界氣流作用下的響應(yīng),將壓縮空氣以脈沖氣的形式作用于呼吸敏感單元,可以發(fā)現(xiàn)信號幾乎不能辨認(rèn),表現(xiàn)出了很好的抗干擾能力.

圖6 不同溫度下呼吸測試對比Fig.6 Comparison of breath test under different temperatures

4 機(jī)理分析

對于呼吸氣體的醫(yī)學(xué)研究表明,呼吸氣體中存在大量的小液滴[4].經(jīng)過理論分析與驗(yàn)證,認(rèn)為傳感器的響應(yīng)電流包括3個(gè)部分[5]:1)在外界電場的作用下,放電區(qū)域氣體由于離化作用產(chǎn)生的電流(Ii);2)氣體中的小液滴在外界電場作用下不均勻極化,隨著呼吸氣流的流動(dòng),當(dāng)液滴與側(cè)壁接觸后產(chǎn)生的電流(Ip);3)在外界電場力的作用下,不均勻液滴不自主的漂移產(chǎn)生的電流(Id).

當(dāng)呼吸信號作用于傳感器上,放電區(qū)域的氣體將被呼吸氣體部分取代.如果呼吸的流速足夠大,那么第2部分電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩部分電流,傳感器對呼吸氣體的流速的靈敏度可以定義為[5]

其中,Jp為第2部分電流Ip對應(yīng)的電流密度,Wd為呼吸氣流的流速,q為元電荷電量,VE為有效放電區(qū)域, χE為VE中氣體的平均電極化率,ε0為真空介電常數(shù),E為有效區(qū)域VE中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度,d V為放電區(qū)域體積微分單元.對于固定測試者,其呼吸氣體成分不變,χE是定值.同時(shí)由于碳納米管薄膜的存在(如圖1所示),局部電場由于其尖端的電場收斂作用極大地增強(qiáng)[6],從而很大程度上提高了該傳感器對呼吸的靈敏度.根據(jù)公式(1),電流大小與呼吸氣流強(qiáng)度成正比.

當(dāng)呼吸信號停止作用于傳感器時(shí),放電區(qū)域氣體將很快地被空氣重新取代,由于液滴的不均勻極化,產(chǎn)生的電流將急劇減少,導(dǎo)致了響應(yīng)電流的下降.同時(shí),由于非吸附式的機(jī)理,傳感器表現(xiàn)出了很好地回復(fù)特性.

根據(jù)以上分析,傳感器響應(yīng)電流的主要貢獻(xiàn)來源于呼吸氣體中小液滴的不均勻極化,傳感器對空氣氣流的響應(yīng)將遠(yuǎn)小于對呼吸氣體的響應(yīng),所以,該傳感器表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗空氣氣流干擾能力.

5 結(jié)論

本文提出了一種新穎的基于碳納米管的呼吸傳感器,采用簡單的叉指狀微電極結(jié)構(gòu).電極表面電泳了一層碳納米管敏感層,極大地增強(qiáng)了傳感器對呼吸氣體的敏感性.基于該呼吸敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了便攜式呼吸監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)可以分辨人體高頻下的呼吸信號,表現(xiàn)出了良好的性能.同時(shí),對于外界流動(dòng)空氣以及溫度漂移的干擾,系統(tǒng)表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性.

[1] Anh Dam T V,OlthuisW,Bergveld P.A hydrogen peroxide sensor fo r exhaled breathmeasurement[J].Senso r and Actuato rs B,2005(111/112):494-499.

[2] Natale C D,Macagnano A,Martinelli E,et al.Lung cancer identification by the analysisof breath by meansof an array of non-selective gas senso rs[J].Biosenso r and Bioelectronics,2003,18(10):1209-1218.

[3] Fleischer M,Simon E,Rumpel E,et al.Detection of volatile compounds co rrelated to human diseases through breath analysis w ith chemical senso rs[J].Senso r and Actuato rs B,2002,83(1/2/3):245-249.

[4] Phillips M.Method fo r the collection and assay of volatile organic compounds in breath[J].Analytical Biochemistry, 1997,247(2):272-278.

[5] Hou Zhongyu,CaiBingchu,Liu Hai,et al.Sensing of atomized liquids through field effectsof polarization and ionization induced by nanostructures[J].App lied Physics Letters,2009,94(22):223503.

[6] 樊志琴,姚寧,楊仕娥,等.不銹鋼襯底碳納米管薄膜的場發(fā)射特性[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目,編號50730008;上海市科技項(xiàng)目,編號09JC1407400.

陳曉航(1984-),男,碩士研究生,主要從事納米氣體傳感器及其系統(tǒng)集成研究,E-mail:chxh@sjtu.edu.cn;通訊聯(lián)系人:張亞非(1955-),男,教授,主要從事無機(jī)非金屬材料、納米功能材料和納電子器件研究,E-mail:yfzhang@sjtu.edu.cn.