新型智能口罩技術(shù)系統設計*

*基金項目： 1.安徽三聯(lián)學(xué)院2021年省級大學(xué)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(xué)院2021年國家級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目，項目編號：202210959060

1 傳統醫用口罩和智能口罩之間的區別

智能口罩是在鼻夾上裝入芯片自動(dòng)感知濕氣，散射遠紅外線(xiàn)通過(guò)傳導傳熱對其及時(shí)進(jìn)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(xiàn)通過(guò)傳導傳熱對其進(jìn)行烘干，從而降低電荷流失，且遠紅外線(xiàn)可以緩解肌膚壓力，解緩疲勞。在佩戴醫用口罩時(shí)，隨著(zhù)人們逐漸呼出的氣體，口鼻周?chē)沫h(huán)境變得污濁，可以在醫用口罩內層（親膚材質(zhì)）添加葉綠素，吸收呼出的二氧化碳并提供氧氣。由于人們的臉部結構不同，佩戴醫用口罩的時(shí)候可能會(huì )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(dòng)貼合皮膚，在很大程度上降低傳染病的風(fēng)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(wú)污染的材質(zhì)，不會(huì )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碼智慧熱釋電紅外傳感器技術(shù)，該傳感器是將數碼智慧控制集成電路和人類(lèi)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(guò)識別感知隨著(zhù)時(shí)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(jué)傳感器在更大的壓力下會(huì )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(gè)微處理器芯片上，該處理芯片將信號的強度轉換成一個(gè)數字脈沖流，然后被發(fā)送到周?chē)窠?jīng)或腦組織中去。測量接觸外界物體時(shí)所受壓力和壓力分布的傳感器。壓覺(jué)傳感器的敏感元件可由各類(lèi)壓敏材料制成，常用的有壓敏導電橡膠、由碳纖維燒結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(jué)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(guān)系的電信號及壓力分布情況。通過(guò)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(guò)合理選材和加工可制成高密度分布式壓覺(jué)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(zhù)時(shí)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(guò)濾網(wǎng)設計，能有效過(guò)濾95%~99% 的雜質(zhì)。主要采用殺菌紙、活性炭、HPEA過(guò)濾網(wǎng)和無(wú)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(guò)濾網(wǎng)是PM2.5、煙霧、粉塵等有效過(guò)濾的媒介。無(wú)紡布可以抑制細菌增生。

1.1.3 電動(dòng)送風(fēng)裝置

根據力學(xué)設計原理，主機排風(fēng)口處應該避免風(fēng)力直擊人體肌膚造成面部 痙攣的問(wèn)題，使用排風(fēng)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(kāi)發(fā)與新技術(shù)應用

2.1.1 醫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(dòng)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(gè)構成部分。發(fā)射端經(jīng)過(guò)數字單片機，把待發(fā)出的二進(jìn)制信號編碼后調制成相應的脈沖串信號，接著(zhù)經(jīng)過(guò)紅外線(xiàn)發(fā)射管產(chǎn)生紅外訊號。紅外線(xiàn)接收頭實(shí)現了對紅外訊號的同步收到、擴大、檢波、整形，并調解出了遙控編碼波形信號。

2.1.3 紅外接收流程圖

二進(jìn)制信息的調制方法由數字單片機來(lái)完成，它能夠將經(jīng)過(guò)解碼后的原二進(jìn)制信息調解成頻譜為38 kHz的中斷脈波串，相當于用二進(jìn)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(guò)調節后能夠用紅外發(fā)光二極管傳輸的信息。

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，而解調器的過(guò)程就是利用紅外接收器管進(jìn)行連接的。其基本工作流程是：在接收到調制信息時(shí)，必須產(chǎn)生高電平，否則即使產(chǎn)生的高低電平都有效，就是調制的逆過(guò)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 智能口罩內層設計

2.1.1 葉綠素如何導入口罩中

將口罩過(guò)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(zhù)于中間過(guò)濾層，完成葉綠素導入。

3 結束語(yǔ)

新型的智能口罩在以后的能源技術(shù)發(fā)展中勢必會(huì )產(chǎn)生不可估量的作用。智能口罩未來(lái)的功能將不僅僅只是預防肺部病變，其他各類(lèi)功能口罩會(huì )越來(lái)越多，產(chǎn)品布局也將會(huì )出現變化，這必然會(huì )為世界最大的口罩制造商和出口商提供全新的制造機會(huì )。除此之外，在新能源開(kāi)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(mǎn)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(shí)施起來(lái)具有一定的難度，成本問(wèn)題也尚待解決，未來(lái)的困難還有很多，最重要的還是要把成本降下來(lái)以及葉綠素從植物中的提取量，實(shí)現這個(gè)目標仍需更多的努力。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）