Датчик потока воздуха | ГК ТРИММ
Датчик потока воздуха
19 Сентября 2022

Китайские ученые разработали компактный гибкий сенсор для мониторинга дыхания за счет разности температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Он автоматически обрабатывает сигнал и определяет остановку дыхания. Такой сенсор подходит для мониторинга дыхания через нос и через рот, а применять его можно как во время физических нагрузок, так и во время сна. Статья опубликована в журнале Advanced Electronic Materials 09 июня 2020 г.

Устройство состоит из датчика температуры, располагающегося под ноздрями пользователя, и интегральной схемы на гребне носа: положение датчика не стесняет движений пользователя, а его измерения от них не зависят.

Чтобы датчик переводил разность температур в циклы дыхания, ученые разработали термическую модель для предсказания паттерна дыхания. Они предположили, что скорость дыхательного потока синусоидальная, а поток температуры имеет ступенчатую зависимость. После моделирования дыхания при различных условиях исследователи заметили, что скорость потока меняется экспоненциально, в то время как средняя температура (среднее между максимальной и минимальной) остается постоянной. При этом время ответа сенсора прямо пропорционально зависит от коэффициента конвекционного теплообмена, который, в свою очередь, зависит от площади поверхности самого сенсора — поэтому сделать его нужно было как можно меньше. Также они выяснили, что амплитуда сигнала детектора линейно возрастает с температурой выдыхаемого воздуха, в отличие от температуры вдыхаемого воздуха. Подобная система, однако, не будет работать, если температура окружающей среды будет такой же, как и температура тела.

Структуру устройства ученые создали следующим образом: на подложку с полидиметилсилоксаном и полиимидом нанесли тонкие слои хрома (десять микрометров) и золота (150 микрометров). С помощью фотолитографии и влажного травления они придали металлическому слою необходимую форму, а затем реактивным ионным травлением подстроили

форму полиимида под форму металла. На следующем этапе ученые перенесли металлические слои и слой полиимида на подложку со скотчем и отвержденным полидиметилсилоксаном, соединили с проводящими контактами и нанесли на него полупроницаемый слой с защитной основой.

После удаления слоя полидиметилсилоксана и защитной основы датчик был готов, а за счет адгезии полупроницаемой поверхности он с легкостью наносится на любой участок тела. В таком датчике от температуры изменяется сопротивление, которое косвенно измеряется с помощью вольтметра. Схема преобразовывала аналоговые данные в числовые и передавала их через Bluetooth в приложение на смартфоне. Питание осуществлялось с помощью небольшой литий-ионной батареи.

78789.jpg

Работоспособность сенсора ученые проверили при различных условиях: физических упражнениях, потреблении пищи, во время сна и отдыха — и во всех случаях пользователям было комфортно, к тому же физические упражнения в ходе тестов никак не повлияли на сигнал. Время ответа датчика составило 0,8– 1,2 секунды, в то время как стандартный период одного цикла дыхания человека равен трем-пяти секундам. Если испытуемые дышали через рот, то уменьшалась амплитуда сигнала, но дыхание все еще удавалось регистрировать.

8877.jpg

Частота (слева) и амплитуда (справа) дыхания во время бега: синяя область - подготовка, зеленая - физическое упражнение, желтая – восстановление.

Xue Feng et al./ Advanced Electronic Materials, 2020

Чтобы продемонстрировать способность датчика регистрировать апноэ во сне, исследователи проверили устройство во время сна у участника с подтвержденным апноэ. Во время сна у испытуемого они обнаружили участок с низкой частотой дыхания, а при более подробном рассмотрении они обнаружили перерыв в циклах дыхания на 40 секунд.

Далее исследователи также разработали автоматическую систему отслеживания апноэ. Для этого они наблюдали за средней частотой дыхания за минуту и сравнивали со средней частотой дыхания за десять минут: если средняя частота дыхания за минуту меньше, чем за десять, то в таком интервале можно обнаружить задержку дыхания. Ученые проверили исходные данные и система обнаружила еще проявление апноэ.

9887.jpg

Укрупненный график дыхания. Частота (слева) и амплитуда (справа) дыхания во время сна. Красный кружок обозначает время проявления апноэ, (вставка).

Xue Feng et al./ Advanced Electronic Materials, 2020

Авторы предполагают, что для коммерческой реализации устройства необходимо разработать крепкий многослойный интерфейс и наладить процессы массового производства гибких датчиков и автоматического встраивания в гибкую интегральную схему: такой подход к получению гибкой электроники предложили всего лишь два года назад.

Дыхательные паттерны отражают как физическое, так и ментальное состояние: например, ускоренное дыхание свидетельствует о состоянии стресса, паники или страха, а повышенная температура выдыхаемого воздуха может говорить о воспалении дыхательных путей при астме.

Источник

Запросить коммерческое предложение
Отправьте сообщение специалистам компании.