CN106469995B - 流体摩擦纳米传感器、传感网络及流体检测系统 - Google Patents

流体摩擦纳米传感器、传感网络及流体检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及摩擦发电技术领域，公开了一种流体摩擦纳米传感器、传感网络及流体检测系统，所述流体摩擦纳米传感器包括：第一部件，设置于腔体的内壁上，所述第一部件包括：第一摩擦层，用于在所述腔体内的流体流过所述第一摩擦层表面时，所述第一摩擦层上产生表征流体参数的摩擦电荷；第一电极层，贴合所述第一摩擦层设置，用于当所述第一摩擦层表面产生摩擦电荷时，所述第一电极层对应位置处产生感应电荷。本发明流体摩擦纳米传感器可无需外接电源即可实现对流体参数的检测。

Description

流体摩擦纳米传感器、传感网络及流体检测系统
技术领域
本发明涉及摩擦发电技术领域，具体地，涉及一种流体摩擦纳米传感器、传感网络及流体检测系统。
背景技术
目前，基于声波、静电电容、热效应、微波等原理的微流体流速检测与成份分析的传感器，已经取得了一些研究成果，但是大多数传感器工作原理以及制作工艺复杂，集成度低，而且需要外接电源供电，一旦外接电源出现问题，则无法实现为流体的参数的检测，具有一定的局限性，适用性低。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体摩擦纳米传感器、传感网络及流体检测系统，可无需外接电源即可实现对流体参数的检测。
为了实现上述目的，本发明提供一种流体摩擦纳米传感器，流体摩擦纳米传感器包括：第一部件，设置于腔体的内壁上，所述第一部件包括：第一摩擦层，用于在所述腔体内的流体流过所述第一摩擦层表面时，所述第一摩擦层上产生表征流体参数的摩擦电荷；第一电极层，贴合所述第一摩擦层设置，用于当所述第一摩擦层表面产生摩擦电荷时，所述第一电极层上产生感应电荷。
本发明流体摩擦纳米传感器通过在腔体内设置第一部件，在流体流过第一部件的第一摩擦层时，所述第一摩擦层上能够产生摩擦电荷，进而所述第一电极层对应位置处产生感应电荷，进一步获得电信号，以检测流体的参数，无需外接电源，即可实现为流体的检测。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明流体摩擦纳米传感器实施例一的剖面示意图；
图2是本发明流体摩擦纳米传感器实施例二的剖面示意图；
图3a–图3c是图1或图2所示流体摩擦纳米传感器的工作原理图；
图4是本发明流体摩擦纳米传感器中的纳米结构层；
图5a-图5b是本发明流体摩擦纳米传感器输出的电信号的性能曲线图；
图6是本发明流体摩擦纳米传感器输出电压和电流与速度的关系示意图；
图7a是本发明流体摩擦纳米传感器检测流体温度时输出的电压信号与流体温度的对应曲线；
图7b是本发明流体摩擦纳米传感器检测流体浓度时输出的电压信号与流体浓度的对应曲线；
图7c是本发明流体摩擦纳米传感器检测离子浓度时输出的电压信号与离子浓度的对应曲线；
图8是本发明流体摩擦纳米传感器另一结构的剖面图；
图9是本发明流体摩擦纳米传感网络的结构示意图；
图10本发明流体检测系统的一实施例。
附图标记说明
1 第一部件 11 第一摩擦层
12 第一电极层 2 腔体
21 内壁 3 第二部件
31 第二摩擦层 32 第二电极层
4 流体 51-57 流体摩擦纳米传感器
61 第一入口 62 第二入口
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明流体摩擦纳米传感器包括第一部件1，设置于腔体2的内壁21上，所述第一部件1包括：第一摩擦层11，用于在所述腔体2内的流体4流过所述第一摩擦层11表面时，所述第一摩擦层11上产生表征流体参数的摩擦电荷；第一电极层12，贴合所述第一摩擦层11设置，用于当所述第一摩擦层11表面产生摩擦电荷时，所述第一电极层12上产生感应电荷。
本发明流体摩擦纳米传感器通过在腔体的内壁上设置第一部件，使得在流体流过第一部件的第一摩擦层11时，第一摩擦层11上产生摩擦电荷，第一电极层12产生感应电荷，进而获得电信号，以确定流体的参数，检测迅速、准确度高；此外，本发明无需外接电源，即可实现对流体的检测，结构简单、成本低。
本发明流体摩擦纳米传感器通过设置第一部件1可形成单电极发电机，即：第一电极层12与地电位(或者等电位)连接，在流体流过第一摩擦层11时，第一电极层12与地之间产生一组交流电信号，根据所述电信号的强度可确定流体的参数。其中，所述流体的参数包括流体的流速、温度、极性以及离子浓度等中至少一者。
如图3a-图3c所示，本发明流体摩擦纳米传感器的工作原理为：当流体4未流经本发明流体摩擦纳米传感器之前，没有信号输出(如图3a所示)；当流体4开始流经第一部件1的第一摩擦层11表面时，第一摩擦层11上产生摩擦电荷(如图3b所示)，在摩擦感应电荷的作用下，第一电极层12的摩擦电势越来越高，电子不断地从第一电极层12流向地，最终达到如图3c所示的平衡。
在本发明流体摩擦纳米传感器的第一电极层上产生感应电荷时，有对应的电信号输出：图5a所示为流体流过本发明流体摩擦纳米传感器时的电流输出曲线，图5b为流体流过本发明流体摩擦纳米传感器时的电压输出曲线。由于摩擦电荷和/或感应电荷与流体的流动速度有关，因此本发明输出的电压或电流的幅值随着流体的流动速度而改变。如图6所示，速度越快输出电压和/或电流信号的幅值越大。因此，本发明流体摩擦纳米传感器可以用于感测流速的相关参数，例如流体的流速、位置、温度等。
当不同流体以同一流动速度(例如20ml/hr)流过所述流体摩擦纳米传感器时，输出的电压幅值会随着流体的温度的变化而变化(如图7a所示)；当配有不同浓度比例的液体(例如酒精溶液)，以相同的流动速度(例如50ml/hr)流过所述流体摩擦纳米传感器时，输出的电压幅值会随着溶度的变化而变化(如图7b所示)；当不同离子浓度(例如金离子Au3+)以相同的流动速度(例如5ml/hr)流过所述流体摩擦纳米传感器时，输出的电压幅值会随着离子浓度的变化而变化(如图7c所示)。
此外，所述第一部件1还包括第一基底层(图中未示出)，设置在所述腔体2的内壁21上，所述第一基底层与所述第一电极层12贴合，用于支撑所述第一电极层12和第一摩擦层11。其中，所述第一基底层由可进行图形化的绝缘材料制成，所述绝缘材料可为聚合物、塑料、硅、玻璃石英等。进一步的，所述第一基底层的厚度一般为0.001-100mm。
如图8所示，本发明流体摩擦纳米传感器还包括第二部件3，与所述第一部件1间隔设置在所述腔体2的内壁21上，从而形成双电极发电机。在本实施例中，所述第一部件1和第二部件3正对设置在所述腔体2的内壁21上，但并不以此为限。
其中，所述第二部件3包括第二摩擦层31，用于在所述腔体2内的流体4流过所述第二摩擦层31表面时，所述第二摩擦层31上产生表征流体参数的摩擦电荷；以及第二电极层32，贴合所述第二摩擦层31设置，用于当所述第二摩擦层31表面产生摩擦电荷时，所述第二电极层32上产生感应电荷，所述第一电极层12与第二电极层32之间形成电势差。所述第一摩擦层11和/或第二摩擦层31的表面具有疏水层或者由疏水的绝缘材料制成。
其中，所述第一摩擦层11和第二摩擦层31的接触面的材料之间具有摩擦电极序差异。为提高电信号的输出性能，所述第一摩擦层11(如图4所示)和/或第二摩擦层31与液体的接触面具有微纳米结构层。优选方案，所述第一摩擦层11和第二摩擦层31的形状和尺寸相同，所述第一电极层12和第二电极层32的形状和尺寸相同。所述第一电极层12和/或第二电极层32的厚度为
Figure BDA0000781336720000051
至1mm。
此外，所述第二部件3还包括第二基底层(图中未示出)，设置在所述腔体2的内壁21上，所述第二基底层与所述第二电极层32贴合，用于支撑所述第二电极层32和第二摩擦层31。其中，所述第二基底层由可进行图形化的绝缘材料制成，例如：聚合物、塑料、硅、玻璃石英等。所述第二基底层的厚度一般为0.001-100mm。
所述腔体2的截面可为矩形(如图1、图4和图8所示)、正方形、圆形(如图2所示)或椭圆形等，本发明中对所述截面的形状无特殊限制。所述第一部件1和/或第二部件2可设置于所述腔体2的部分内壁21(如图1所示)上，或环绕设置在全部内壁21(如图2所示)上。其中，所述腔体2的深度为0.0001mm至10mm(截面的宽度)。
本发明还提供一种流体摩擦纳米传感网络。所述流体摩擦纳米传感网络包括多个上述流体摩擦纳米传感器，各所述传感器间隔分布在同一腔体的内壁上，可以用于测试特定流体段的流速信息，管道的流阻信息以及液面的位置信息等，进一步的，通过液面流过两个流体摩擦纳米传感器的时间差可以测出流体在流道内部的实时流速信息，同时亦可以对比不同流道内部的流速信息，从而确定腔体的几何形状等信息对流速和/或管道流阻的影响。在本实施例中，本发明流体摩擦纳米传感网络中共设置有三个流体摩擦纳米传感器等间距分布在腔体的内壁上(如图9所示)。
本发明还提供一种流体检测系统。本发明流体检测系统包括：多个上述流体摩擦纳米传感器；以及用于不同流体间的化学反应或混合的腔体通道，各所述流体摩擦纳米传感器分别设置在所述腔体通道的对应位置处。本发明流体检测系统可在线检测液体的动速度、不同液体间的化学反应时间或混合时间、混合前后的液体浓度(或离子浓度等)。如图10所示，流体摩擦纳米传感器51和52检测从第一入口61进入所述流体检测系统的SDS(SodiumDodecyl Sulfate，十二烷基硫酸钠)溶液的进样流速，流体摩擦纳米传感器54检测从第二入口62进入所述流体检测系统的NaAuCl4(氯金酸钠)中金离子浓度，流体摩擦纳米传感器53和55检测SDS与NaAuCl4混合的速度和时间，流体摩擦纳米传感器56和57检测还原剂与SDS、NaAuCl4混合液的反应时间，其中反应时间越长表示金纳米粒子的直径越大。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

1.一种流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述流体摩擦纳米传感器为流体滑动摩擦纳米传感器，所述流体摩擦纳米传感器包括：
第一部件，设置于腔体的内壁上，所述第一部件包括：
第一摩擦层，用于在所述腔体内的流体流过所述第一摩擦层表面时，所述第一摩擦层上产生用于定量表征流体参数的摩擦电荷；
第一电极层，贴合所述第一摩擦层设置，用于当所述第一摩擦层表面产生摩擦电荷时，所述第一电极层上产生感应电荷，
其中，所述流体参数包括流体的流速、温度、极性以及离子浓度中至少一者。
2.根据权利要求1所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一部件还包括：
第一基底层，设置在所述腔体的内壁上，并与所述第一电极层贴合，用于支撑所述第一电极层和第一摩擦层。
3.根据权利要求2所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一基底层由绝缘材料制成。
4.根据权利要求1-3任一项所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一电极层连接至等电位或者地电位。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述流体摩擦纳米传感器还包括：
第二部件，与所述第一部件间隔设置在所述腔体的内壁上，所述第二部件包括：
第二摩擦层，用于在所述腔体内的流体流过所述第二摩擦层表面时，所述第二摩擦层上产生表征流体参数的摩擦电荷；以及
第二电极层，贴合所述第二摩擦层设置，用于当所述第二摩擦层表面产生摩擦电荷时，所述第二电极层上产生感应电荷，所述第一电极层与第二电极层之间形成电势差。
6.根据权利要求5所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的接触面的材料之间具有摩擦电极序差异。
7.根据权利要求5所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层与液体的接触面具有微纳米结构层。
8.根据权利要求5所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面具有疏水层或者由疏水的绝缘材料制成。
9.根据权利要求5所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的形状和尺寸相同，所述第一电极层和第二电极层的形状和尺寸相同。
10.根据权利要求5所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度为
Figure FDA0002701295650000021
11.根据权利要求5所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第二部件还包括：
第二基底层，设置在所述腔体的内壁上，并与所述第二电极层贴合，用于支撑所述第二电极层和第二摩擦层。
12.根据权利要求11所述的流体摩擦纳米传感器，其特征在于，所述第二基底层由绝缘材料制成。
13.一种流体摩擦纳米传感网络，其特征在于，所述流体摩擦纳米传感网络包括多个根据权利要求1-12中任一项所述的流体摩擦纳米传感器，各所述传感器间隔分布在同一腔体内壁上。
14.一种流体检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：
多个根据权利要求1-12中任一项所述的流体摩擦纳米传感器；以及
用于不同流体间的化学反应或混合的腔体通道，各所述流体摩擦纳米传感器分别设置在所述腔体通道的对应位置处。
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