新型智能口罩技術系統設計*

*基金項目： 1.安徽三聯學院2021年省級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：S202110959061

2.安徽三聯學院2021年國家級大學生創新創業訓練計劃項目，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。在佩戴醫用口罩時，隨著人們逐漸呼出的氣體，口鼻周圍的環境變得污濁，可以在醫用口罩內層（親膚材質）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 材質及外殼設計

智能口罩整體采用健康且無污染的材質，不會產生有毒物質。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，該傳感器是將數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生更強的電信號，而不是高頻脈沖流。電信號必須被發送到另一個微處理器芯片上，該處理芯片將信號的強度轉換成一個數字脈沖流，然后被發送到周圍神經或腦組織中去。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和金屬電極。在外壓力作用下，導電橡膠電阻發生變化, 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 層的過濾網設計，能有效過濾95%~99% 的雜質。主要采用殺菌紙、活性炭、HPEA過濾網和無紡布。殺菌紙可以起到殺菌抗菌的作用。活性炭吸附空氣中各種異味分子，吸收有害氣體分子。HEPA 過濾網是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 功能開發與新技術應用

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出和收到頭兩個構成部分。發射端經過數字單片機，把待發出的二進制信號編碼后調制成相應的脈沖串信號，接著經過紅外線發射管產生紅外訊號。紅外線接收頭實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

二進制信息的調制方法由數字單片機來完成，它能夠將經過解碼后的原二進制信息調解成頻譜為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，即為經過調節后能夠用紅外發光二極管傳輸的信息。

圖3 紅外接收管

圖4 紅外發射管

紅外接收器需要事先解調，而解調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：在接收到調制信息時，必須產生高電平，否則即使產生的高低電平都有效，就是調制的逆過程。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 結束語

新型的智能口罩在以后的能源技術發展中勢必會產生不可估量的作用。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，產品布局也將會出現變化，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，為以后的更具智能化的口罩的發展奠定基礎，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，實現這個目標仍需更多的努力。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年5月期）