1.一种自驱动呼吸监测的智能口罩，其特征是：该智能口罩由两种纱线纺织成的智

  能织布与外层无纺布组合制成，两种纱线一种是未沉积气敏材料的纱线、另一种是沉积气

  敏材料的纱线，智能织布四周紧密缝合在外层无纺布上构成口罩；智能织布位于人口鼻处，

  使其非间接接触到人体的呼吸气流，随着人体的呼吸行为不断发生形变摩擦；沉积导电气敏

  材料的纱线作为摩擦层、气敏层、电极层，与另一种未沉积气敏材料的摩擦电极序不同的纱

  线通过编织构成若干个接触分离式的摩擦纳米发电机阵列；利用人体呼出气流对两种纱线

  当两种纱线摩擦接触时，由于摩擦起电原理，两纱线表面会带上等量异号的摩擦电荷，

  在人体呼气时，呼吸气流使智能口罩发生形变，两摩擦纱线慢慢的接触分离，基于摩擦起电与

  静电感应耦合作用从而对外输出交流电信号，输出电信号的频率和幅度大小用于判定人体

  人体呼出气体吸附在沉积有导电气敏材料的纱线上将影响导电聚合物的载流子浓度，

  从而改变导电纺线的导电率，进而改变摩擦纳米发电机的感应电荷转移效率以及发电机的

  气体敏感材料为聚苯胺，两种纱线材料为涂覆有聚苯胺的涤纶纱线和纯涤纶纱线，两

  （1）准备摩擦电极序不同的两捆30‑60m的纱线mol/L浓盐酸、苯胺、和过硫酸铵；

  （3）采用电子天平称量0.244‑0.488g过硫酸铵，并将其倒入10ml‑50ml的稀盐酸中进行

  （4）在冰浴环境下，将1ml‑2ml苯胺注入剩余稀盐酸中，并逐滴滴入过硫酸铵分散液，不

  （5）在溶液变为浅蓝色时，将一捆涤纶纱线放入混合溶液中，使得苯胺在涤纶纱线上自

  （6）待到溶液变为深紫色，将涤纶纱线捞出，并进行干燥，得到涂覆有聚苯胺的涤纶纱

  的纱线与发光二极管或无线无源线圈相连，将人体呼吸电信号自驱动地通过可见信号或时

  3.根据权利要求1所述的一种自驱动呼吸监测的智能口罩，其特征是：智能织布的针

  织方法选自：铜钱花针法、鱼骨刺针法、渔网针法、双元宝针法、四平针法其中至少一种。

  4.权利要求1至3任意一项所述的一种自驱动呼吸监测的智能口罩的制备方法，其特征

  （1）准备摩擦电极序不同的两捆30‑60m的纱线mol/L浓盐酸、苯胺、和过硫酸铵；

  （3）采用电子天平称量0.244‑0.488g过硫酸铵，并将其倒入10ml‑50ml的稀盐酸中进行

  （4）在冰浴环境下，将1ml‑2ml苯胺注入剩余稀盐酸中，并逐滴滴入过硫酸铵分散液，不

  （5）在溶液变为浅蓝色时，将一捆涤纶纱线放入混合溶液中，使得苯胺在涤纶纱线上自

  本发明属于本发明涉及能量收集技术、可穿戴电子技术、微电子机械系统(MEMS)、

  纳米材料、聚合物敏感材料以及机械纺织领域，具体涉及一种自驱动呼吸监测的智能口罩

  分析和内窥镜检查相比，对呼吸气做多元化的分析是一种快速、无创、无痛、低成本、方便的早期疾

  病诊断和实时生理监测方法。评估呼吸过程中的膈肌运动有助于及早识别人类呼吸行为方

  面的疾病，如异常呼吸暂停、哮喘、心跳骤停等。此外，由上呼吸道软组织塌陷引起的阻塞性

  睡眠呼吸暂停综合征(SAS)对人类的健康和安全造成了巨大的危害，并可能会引起糖尿病、高

  血压、中风甚至夜间死亡等各种疾病。监测呼吸行为和状态有利于及时监测并诊断SAS的发

  生，在降低呼吸系统疾病和猝死等健康风险方面具备极其重大意义。除了对人体的呼吸行为进

  行监测，人体呼出的气体是500多种不同化合物的混合气体，包括二氧化碳、氮气、氧气、水

  蒸气和挥发性有机成分等。呼吸气体的种类和浓度可当作生物标志物，使得人们在疾病

  早期就能够获得诊断并进行规范治疗，可以治愈或者延缓疾病进展，减弱疾病对人体造成

  的危害。由于生物医学的发展，各种呼吸气体已被用来作为内脏早期疾病诊断的生物标志

  物，例如：氨气是肾脏疾病的生物标志物，肾病患者呼出气体中的氨气浓度是正常人的两

  倍；肝硬化患者的呼出气体中，乙醇的浓度会升高。而对甲烷(CH4)进行呼气测试可以用来

  目前，已经有多种办法能够对呼吸气和呼吸行为进行仔细的检测，比如石英晶体微天平、

  离子迁移率光谱、质子转移反应质谱、气相色谱、声表面波、微分迁移率谱、薄膜晶体管、电

  化学传感器等。但这一些方法目前都需要外部电源进行供电，要维护人员定期地更换电池

  和维护以保证设备与系统的持续运行。当遇到断电等紧急状况时，可能没办法及时的对疾病

  进行诊断，而电池也影响了医疗器件的小型化和集成化，使得对疾病的诊断限定在固定的

  地点‑医院。现如今，随着化石燃料的快速消耗，能源短缺和环境污染成为当今社会面临的

  为了克服传统呼吸气传感器寿命短、功耗高，需要外部电源供电等问题，人们想到

  通过收集人体及周围环境中的机械能来解决。人体的呼吸行为伴随着大量的机械能产生，

  使用摩擦纳米发电机来收集人体呼吸时浪费掉的机械能，可以自发的进行呼吸气的监测。

  当前常用的自驱动呼吸气传感器主要是基于压电效应、光伏效应，这类设备输出小、制备复

  杂、成本高、难以大规模集成，从而制约了其实用化和商业化。而通过摩擦起电和静电感应

  的耦合作用所制备的摩擦电纳米发电机，能够将人体呼吸产生的机械能直接转换为电信号

  输出，具有输出信号强、结构相对比较简单、成本低廉、集成度高，生物兼容性好等优点，为自驱动呼

  层无纺布组合制成，两种纱线一种是未沉积气敏材料的纱线、另一种是沉积气敏材料的纱

  线，智能织布四周紧密缝合在外层无纺布上构成口罩；智能织布位于人口鼻处，使其直接接

  触到人体的呼吸气，随着人体的呼吸行为不断发生形变摩擦；沉积导电气敏材料的纱线作

  为摩擦层、气敏层、电极层，与另一种未沉积气敏材料的摩擦电极序不同的纱线通过编织构

  成若干个接触分离式的摩擦纳米发电机阵列；利用人体呼出气流对两种纱线的扩张与收缩

  作为优选方式，当两种纱线摩擦接触时，由于摩擦起电原理，两纱线表面会带上等

  量异号的摩擦电荷，在人体呼气时，呼吸气流使智能口罩发生形变，两摩擦纱线不断接触分

  离，基于摩擦起电与静电感应耦合作用从而对外输出交流电信号，输出电信号的频率和幅

  合物的载流子浓度，从而改变导电纺线的导电率，进而改变摩擦纳米发电机的感应电荷转

  作为优选方式，气体敏感材料选自聚苯胺、聚氧化乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、

  壳聚糖其中一种；或者为复合膜，所述复合膜为氧化石墨烯、二维材料石墨烯、还原氧化石

  纶、聚氯乙烯、涤腈，涤棉；或者其中一种纱线材料是由两种或两种以上不一样的种类的纤维经

  呼吸电信号自驱动地通过可见信号或时变电磁波传递到接收端，无需外界电力驱动。

  作为优选方式，智能织布的针织方法选自：铜钱花针法、鱼骨刺针法、渔网针法、双

  (1)准备摩擦电极序不同的两捆30‑60m的纱线mol/L浓盐酸、苯胺、和过硫酸

  (4)在冰浴环境下，将1ml‑2ml苯胺注入剩余稀盐酸中，并逐滴滴入过硫酸铵分散

  (5)在溶液变为浅蓝色时，将一捆涤纶纱线放入混合溶液中，使得苯胺在涤纶纱线

  智能织布，并将其缝合在口罩的中空无纺布上，同时两者无重叠，制备成智能口罩。

  口罩结构可直接利用人体呼吸时产生的气流动能驱动摩擦发电机工作，实现自发自主地进

  行呼吸气体和呼吸行为检测，且输出稳定性很高，可以将由发电机本身输出不稳定所造成的

  测量误差降到最小；本发明提出的智能口罩结构相对比较简单、制作方便、对材料无特别的条件、成本

  低、易于集成、生物兼容性好还可以充分采集气流动能并转换成电能输出使得呼吸气检

  所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还能够最终靠另外不同的具体实

  施方式加以实施或应用，本说明书里面的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离

  智能织布与外层无纺布组合制成，两种纱线一种是未沉积气敏材料的纱线、另一种是沉积

  气敏材料的纱线，智能织布四周紧密缝合在外层无纺布上构成口罩；智能织布位于人口鼻

  处，使其非间接接触到人体的呼吸气，随着人体的呼吸行为不断发生形变摩擦；沉积导电气敏

  材料的纱线作为摩擦层、气敏层、电极层，与另一种未沉积气敏材料的摩擦电极序不同的纱

  线通过编织构成若干个接触分离式的摩擦纳米发电机阵列；利用人体呼出气流对两种纱线

  电荷，在人体呼气时，呼吸气流使智能口罩发生形变，两摩擦纱线慢慢的接触分离，基于摩擦

  起电与静电感应耦合作用从而对外输出交流电信号，输出电信号的频率和幅度大小用于判

  浓度，从而改变导电纺线的导电率，进而改变摩擦纳米发电机的感应电荷转移效率以及发

  气体敏感材料选自聚苯胺、聚氧化乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、壳聚糖其中一

  种；或者为复合膜，所述复合膜为氧化石墨烯、二维材料石墨烯、还原氧化石墨烯、二维过渡

  两种纱线材料为摩擦电极序不同的纱线材料，材料选自尼龙、涤纶、聚氯乙烯、涤

  腈，涤棉；或者其中一种纱线材料是由两种或两种以上不一样的种类的纤维经混纺而成的纱线]

  智能织布的针织方法选自：铜钱花针法、鱼骨刺针法、渔网针法、双元宝针法、四平

  (1)准备摩擦电极序不同的两捆30‑60m的纱线mol/L浓盐酸、苯胺、和过硫酸

  (4)在冰浴环境下，将1ml‑2ml苯胺注入剩余稀盐酸中，并逐滴滴入过硫酸铵分散

  (5)在溶液变为浅蓝色时，将一捆涤纶纱线放入混合溶液中，使得苯胺在涤纶纱线

  智能织布，并将其缝合在口罩的中空无纺布上，同时两者无重叠，制备成智能口罩。

  如图1，图2所示，本实施例采用未沉积聚苯胺的涤纶纱线和沉积聚苯胺的涤纶纱

  线，两种纱线通过双元宝针法纺织成一块智能织布，由于其良好的导电性，聚苯胺作为气敏

  材料的同时，也充当电极材料。将纺织好的智能织布紧密贴合在无妨布上，便可制备成智能

  能。医用口罩的过滤机制是布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降和静电吸附。前四种都是物

  理因素，就是熔喷法生产的无纺布自然具有的特性，过滤性约为35％；这是达不到医用口罩

  要求的，因此就需要对材料来驻极处理，让纤维带上电荷，用静电捕获新冠病毒所在的气溶

  胶。如图3所示，每根纺线上都在表面累积有摩擦极性电荷，由于静电吸附的作用，即通过摩

  擦电荷的库仑力实现对新冠病毒飞沫(气溶胶)的捕捉，对颗粒的吸附效果更为突出，实现

  更高的过滤性。图3同样是该智能口罩的发电机理示意图。该智能口罩是通过人体呼吸时产

  生的气流来驱动纺线之间慢慢的接触分离，由此产生交流电信号的输出。如图3(a)所示，当人

  体刚佩戴上口罩还未进行呼吸时，纱线之间紧密接触，由于摩擦起电效应，两种纱线表面带

  有等量异号的摩擦电荷。其中，聚苯胺表面带有正电荷，涤纶表面带有负电荷。但由于静电

  屏蔽作用，该智能织布对外显示电中性；当人体呼气时，如图3(b)所示，口罩受气流作用发

  生膨胀，两种纱线之间会隔空一段距离，静电屏蔽效应会减弱，纱线上会发生电荷转移，对

  外输出电信号；当人体呼气量达到最大时，如图3(c)所示，纱线之间的隔空距离最大，静电

  屏蔽效应最弱，电荷转移停止；当人体开始吸气时，如图3(d)所示，智能口罩收缩，两种纱线

  开始逐渐接触，静电屏蔽效果慢慢地加强；当人体呼吸时，智能口罩随着人体呼吸的气流不断

  图4为智能口罩对于呼吸气和呼吸行为的检测原理图。图4(a)是通空气的情况下

  的气敏机理图，图4(b)是通氨气的情况下的气敏机理图；以待测气体氨气、气敏材料聚苯胺

  为例，对于肾病患者的疾病诊断提供帮助。由于氨气是还原性气体，聚苯胺是p型半导体材

  情况下，聚苯胺主链上的空穴浓度降低，因此导致聚苯胺薄膜电导率降低，随着PANI空穴浓

  度的降低，降低了PANI的导电率，从而削弱了静电感应过程中感应电荷的迁移效率，进而导

  致摩擦纳米发电机的输出电信号减小；人体呼吸气中的氨气浓度越高，输出电信号衰减程

  度越大，输出电压越小，基于此来判断肾病患者的疾病进展情况，并能够更好的起到警示的作用。

  随着人体呼吸的深度和频率的不同，两种纱线接触分离的程度以及速率也会发生明显的变化，从

  而影响到输出电压的大小和频率。当人体进行短而快的呼吸时，输出电压相对正常呼吸时

  较小，且交流电压信号频率更高；当人体进行长而久的呼吸时，输出电压相对正常呼吸时较

  大，且交流电压信号频率更低，由此能够借助该智能口罩对于一些呼吸系统疾病进行诊断

  和预警，例如对于患有睡眠呼吸暂停综合症的患病的人能起到良好的保护作用，降低在睡眠

  中发生窒息的风险。值得强调的是，该智能口罩完全基于人体持续不断的呼吸活动机械能，

  悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因

  此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成