新型智能口罩技術(shù)系統(tǒng)設計*

*基金項目： 1.安徽三聯(lián)學院2021年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，項目編號：S202110959061

2.安徽三聯(lián)學院2021年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，項目編號：202210959060

1 傳統(tǒng)醫(yī)用口罩和智能口罩之間的區(qū)別

智能口罩是在鼻夾上裝入芯片自動感知濕氣，散射遠紅外線通過傳導傳熱對其及時進行烘干，從而鎖住電荷流失且在非織造布復合材料中加入某種物質(zhì)凈化人體呼出的二氧化碳與提供氧氣，即在醫(yī)用口罩中層超細聚丙烯纖維熔噴材料層植入芯片感知濕氣，散射遠紅外線通過傳導傳熱對其進行烘干，從而降低電荷流失，且遠紅外線可以緩解肌膚壓力，解緩疲勞。在佩戴醫(yī)用口罩時，隨著人們逐漸呼出的氣體，口鼻周圍的環(huán)境變得污濁，可以在醫(yī)用口罩內(nèi)層（親膚材質(zhì)）添加葉綠素，吸收呼出的二氧化碳并提供氧氣。由于人們的臉部結(jié)構(gòu)不同，佩戴醫(yī)用口罩的時候可能會存在不完全貼合皮膚的情況，因此，可以在口罩四周植入芯片，感知皮膚組織，自動貼合皮膚，在很大程度上降低傳染病的風險。

1.1 智能口罩設計

1.1.1 材質(zhì)及外殼設計

智能口罩整體采用健康且無污染的材質(zhì)，不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)。為了適應不同人群的臉頰，則在口罩四周植入芯片，感知皮膚組織。皮膚感知芯片的原理是應用了數(shù)碼智慧熱釋電紅外傳感器技術(shù)，該傳感器是將數(shù)碼智慧控制集成電路和人類檢測敏感單元都整合到了電磁屏蔽罩中的熱釋電紅外感受器。本智能口罩中所使用的是通過識別感知隨著時間的流逝在人的臉上所產(chǎn)生的壓力芯片。該芯片的原理是當人體中的機械性感受器感知到壓力后，信號接收單元接收電信號；壓力越大，脈沖頻率越高。而之前的觸覺傳感器在更大的壓力下會產(chǎn)生更強的電信號，而不是高頻脈沖流。電信號必須被發(fā)送到另一個微處理器芯片上，該處理芯片將信號的強度轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字脈沖流，然后被發(fā)送到周圍神經(jīng)或腦組織中去。測量接觸外界物體時所受壓力和壓力分布的傳感器。壓覺傳感器的敏感元件可由各類壓敏材料制成，常用的有壓敏導電橡膠、由碳纖維燒結(jié)而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導電橡膠的排列面等。是以壓敏導電橡膠為基本材料的壓覺傳感器。在口罩上面附有柔性保護層，下部裝有玻璃纖維保護環(huán)和金屬電極。在外壓力作用下，導電橡膠電阻發(fā)生變化, 使基底電極電流相應變化, 從而檢測出與壓力成一定關系的電信號及壓力分布情況。通過改變導電橡膠的滲入成分可控制電阻的大小。例如滲入石墨可加大電阻，滲碳、滲鎳可減小電阻。通過合理選材和加工可制成高密度分布式壓覺傳感器。這種傳感器可以測量細微的壓力分布及其變化，從而到達可以減緩口罩隨著時間的增加對皮膚產(chǎn)生的勒痕。

圖1 皮膚感知芯片步驟

1.1.2 濾芯設計

智能口罩采用4~5 層的過濾網(wǎng)設計，能有效過濾95%~99% 的雜質(zhì)。主要采用殺菌紙、活性炭、HPEA過濾網(wǎng)和無紡布。殺菌紙可以起到殺菌抗菌的作用?；钚蕴课娇諝庵懈鞣N異味分子，吸收有害氣體分子。HEPA 過濾網(wǎng)是PM2.5、煙霧、粉塵等有效過濾的媒介。無紡布可以抑制細菌增生。

1.1.3 電動送風裝置

根據(jù)力學設計原理，主機排風口處應該避免風力直擊人體肌膚造成面部 痙攣的問題，使用排風腮閾，排氣閥，可以增加透氣性從而大大減少濕悶感。

2 功能開發(fā)與新技術(shù)應用

2.1.1 醫(yī)用口罩中層超細聚丙烯纖維熔噴材料層植入芯片

該芯片為紅外芯 片，可以達到感知濕氣，自動排放二氧化碳和氧氣。

2.1.2 紅外芯片原理

紅外芯片主要包括發(fā)出和收到頭兩個構(gòu)成部分。發(fā)射端經(jīng)過數(shù)字單片機，把待發(fā)出的二進制信號編碼后調(diào)制成相應的脈沖串信號，接著經(jīng)過紅外線發(fā)射管產(chǎn)生紅外訊號。紅外線接收頭實現(xiàn)了對紅外訊號的同步收到、擴大、檢波、整形，并調(diào)解出了遙控編碼波形信號。

2.1.3 紅外接收流程圖

二進制信息的調(diào)制方法由數(shù)字單片機來完成，它能夠?qū)⒔?jīng)過解碼后的原二進制信息調(diào)解成頻譜為38 kHz的中斷脈波串，相當于用二進制信息的編碼量乘以原頻譜為38 kHz 的脈沖信號所得到的中斷脈波串，即為經(jīng)過調(diào)節(jié)后能夠用紅外發(fā)光二極管傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

圖3 紅外接收管

圖4 紅外發(fā)射管

紅外接收器需要事先解調(diào)，而解調(diào)器的過程就是利用紅外接收器管進行連接的。其基本工作流程是：在接收到調(diào)制信息時，必須產(chǎn)生高電平，否則即使產(chǎn)生的高低電平都有效，就是調(diào)制的逆過程。而HS0038 則是一體化集成電路的紅外接收器件，直接就能產(chǎn)生調(diào)解后的高低電平有效信號。從而達到了利用紅外芯片感知濕氣的作用。

2 智能口罩內(nèi)層設計

2.1.1 葉綠素如何導入口罩中

將口罩過濾層浸入兩倍體積的葉綠素衍生物中，取出干燥后再次浸入，直到所有葉綠素衍生物均附著于中間過濾層，完成葉綠素導入。

3 結(jié)束語

新型的智能口罩在以后的能源技術(shù)發(fā)展中勢必會產(chǎn)生不可估量的作用。智能口罩未來的功能將不僅僅只是預防肺部病變，其他各類功能口罩會越來越多，產(chǎn)品布局也將會出現(xiàn)變化，這必然會為世界最大的口罩制造商和出口商提供全新的制造機會。除此之外，在新能源開發(fā)上，新型的綠色的新能源，正是國家所需要的，而智能口罩完全可以滿足這一需求，提供一種新的技術(shù)，為以后的更具智能化的口罩的發(fā)展奠定基礎，但是智能口罩實施起來具有一定的難度，成本問題也尚待解決，未來的困難還有很多，最重要的還是要把成本降下來以及葉綠素從植物中的提取量，實現(xiàn)這個目標仍需更多的努力。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）