CN106953002A - 一种电化学自供电加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

一种电化学自供电加速度传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于加速度传感器领域的一种电化学加速度传感器及其制造方法。该电化学加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体‑正电极‑隔膜‑负电极‑集流体；采用机械结构装卡和刚性树脂胶灌封将器件封装在金属或塑料外壳中。该电化学加速度传感器通过电化学体系的离子重分布效应实现加速度冲击信号的传感。本发明的集流体采用钛等金属材料，通过激光焊接完成极针与集流体的可靠连接。多孔电极的制备采用溶胶凝胶浸渍结合烧结工艺，在基体表面形成丰富的沟壑孔洞结构。本发明解决了高g加速度信号的自供电传感问题，在汽车工业、航空航天和武器装备领域具有广阔的应用潜力。

Description

一种电化学自供电加速度传感器及其制造方法
技术领域
本发明属于加速度传感器领域，特别涉及一种电化学自供电加速度传感器及其制造方法,具体说是基于电化学离子浓度敏感机制的自供电加速度传感器及制备方法。
技术背景
加速度传感器是汽车工业、航空航天、武器装备等领域应用广泛的一种基础传感器。目前上述应用领域正经历快速的产业发展和技术进步，对于加速度传感器的性能提出了以下三点迫切的发展需求：一，汽车碰撞实验、侵彻武器等领域对于加速度信号的测量范围有极高的要求，要求加速度传感器具有高达数万g的量程；二，侵彻武器领域需要识别间隔时间较短的连续多个加速度冲击信号，要求加速度传感器的输出信号杂峰震荡较少；三，随着微机电系统技术的发展，汽车、航空航天等领域的系统集成程度越来越高，对于加速度传感器的无源化提出了迫切的要求，自供电加速度传感器将显著减小系统的功耗和体积，提高系统的集成度。
而目前发展较为成熟的加速度传感器主要分为以下四种：压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器和电化学加速度传感器。其中压电式加速度传感器利用加速度冲击过程中压电材料受压产生的电荷量来测量加速度大小，其代表性专利如扬州英迈克测控技术有限公司的《一种高冲击压电式加速度计》(CN 103792389 B)。但是压电式加速度计的主要不足在于其受限于压电效应较长的弛豫时间，在一次冲击后零点恢复需要较长的时间，传感信号的杂峰震荡较多，在经历连续多次加速度冲击时传感信号粘连严重。压阻式加速度传感器利用压阻材料受压时的电阻变化测量加速度信号，其代表性专利如大连理工大学的《一种MEMS压阻式加速度计》(CN 103575932 B)。电容式加速度传感器则利用加速度冲击下电容结构和容值的变化测量加速度信号，其代表性专利如立积电子股份有限公司的《电容式加速度计》(CN 103018486 B)。但是，压阻式加速度传感器和电容式加速度传感器的共同缺点在于它们需要外部电源供电，不利于微系统整体集成度的提高。电化学加速度计是近年来出现的一种新型加速度传感器，利用液体而非固体作为加速度敏感单元，通过加速度冲击下溶液离子浓度变化对电化学反应产生影响，实现对加速度信号的电压响应，其代表性专利如中国科学院电子学研究所的《基于MEMS技术的电化学地震检波器》(CN 103048680 B)。目前，电化学加速度传感器尚处于发展阶段，已有的成果主要存在两点不足，一是器件的加速度量程较小，无法满足汽车、航空航天和武器装备领域的应用需求，二是器件需要外部电源供电驱动电化学反应，不利于微系统集成度的提高。
针对目前对于自供电高量程加速度传感器的需求，本发明提出了一种电化学自供电加速度传感器及其制造方法。
发明内容
本发明的目的是提出了一种电化学加速度传感器及其制造方法，其特征在于，
所述电化学加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体；并通过机械装置装卡后灌封在金属或塑料壳体中；其中集流体为钛或其他导电性良好的金属材料(如铂、不锈钢等)；正负电极均为氧化钌或其他金属氧化物多孔材料(如氧化锰、氧化钴等)，隔膜为聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)，正负电极和隔膜的孔隙中均填充硫酸电解液。
所述电化学加速度传感器的制作，具体包括：
1)集流体的制造工艺
将钛片浸泡在体积分数的硫酸溶液中，浸泡个小时，完成金属表面的表面处理；将处理后的钛片按照设计尺寸切割成集流体，通过激光焊接将极针焊接到集流体上，保障高加速度瞬间极针与集流体之间不发生脱落或断路现象；
2)电极薄膜的制造工艺
在金属集流体基体表面，采用溶胶凝胶浸渍工艺，将金属盐氯化钌或氯化锰、成膜促进剂聚乙烯醇或聚四氟乙烯和沉淀剂氢氧化铵或碳酸氢钠构成的反应体系，其中，聚四氟乙烯约占总质量的氧化钌和碳酸氢钠的质量比约为2：3，在高温下反应生成多元金属氧化物，经过烧结工艺(温度范围为烧结时间为形成稳定均匀的多元金属氧化物薄膜，薄膜内部形成丰富的沟壑孔洞，为电解液的流动和离子迁移提供通道
3)电极的装卡工艺
在含有氧化钌的正、负电极之间基于MEMS工艺加工微纳支撑体阵列，将集流体、正电极、隔膜、负电极、集流体顺序叠放，通过电极之间的微纳支撑体阵列实现正负电极之间的刚性装卡；这种刚性装卡工艺保障了高加速度冲击瞬间，电解液流动和带电离子迁移通道的稳定性和可靠性；其中微纳支撑体为圆柱体或正方体；
4)注液及封装工艺
向多孔的正、负电极和多孔隔膜的孔隙中添加0.1mol/L～10mol/L的氧化性电解液，采用固性树脂胶将器件封装在金属或塑料外壳中；其中氧化性电解液为硫酸溶液。
所述电化学加速度传感器的性能测试
对封装好的加速度传感器进行10A/m2～200A/m2的恒流充电，直至充满状态，电压达到1V，实现储能功能；然后先进行足够长时间的自放电，使加速度传感器内部的离子分布达到平衡状态后，进行10A/m2～200A/m2的恒流放电；若放电过程中发生高加速度过载冲击，加速度传感器的输出电压将在冲击瞬间发生波动，实现加速度传感器的加速度传感功能。
所述电化学加速度传感器单体的尺寸小于1cm*1cm*5mm，充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达1万g，有望应用于航空航天和汽车领域。
本发明的有益效果是电化学加速度传感器采用刚性封装结构和工艺，在两电极之间基于MEMS加工微纳支撑体阵列，形成电解液带电粒子迁移的顺畅通道，保障高加速度冲击瞬间电解液流动和离子迁移通道的稳定性和可靠性，采用机械结构装卡和刚性树脂胶灌封将器件封装在金属或塑料外壳中，本发明的单体的充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达1万g；能够实现高量程下加速度信号的自供电传感，通过器件的电压波动实现对加速度冲击信号的感知识别。
附图说明
图1为电化学加速度传感器结构示意图。
图2为电化学加速度传感器的加速度响应机理图。
图3为电化学加速度传感器在加速度冲击瞬间的实测电压波动响应。
图4为多孔电极加工工艺效果图。
图5为电化学加速度传感器封装工艺示意图。
图6为微纳支撑体阵列结构示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种电化学加速度传感器及其制造方法，所述器件能够在具有超级电容器储能性能和充放电特性的同时，感知放电过程中的加速度冲击信号，并在加速度冲击瞬间产生电压波动响应。下面结合附图予以说明。
图1所示为电化学加速度传感器结构示意图。本电化学加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体1、正电极2、隔膜4、负电极5和集流体1；并通过机械装置装卡后灌封在金属或塑料壳体中(如图5所示)；其中集流体为钛或其他导电性良好的金属材料(如铂、不锈钢等)；正负电极均为氧化钌3或其他金属氧化物多孔材料(如聚丙烯等)，隔膜为聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)，正负电极和隔膜的孔隙中均填充硫酸电解液6。
所述电化学加速度传感器的制作，具体包括：
1)集流体的制造工艺
将钛片浸泡在体积分数的硫酸溶液中，浸泡个小时，完成金属表面的表面处理；将处理后的钛片按照设计尺寸切割成集流体，通过激光焊接将极针焊接到集流体上，保障高加速度瞬间极针与集流体之间不发生脱落或断路现象；
2)电极薄膜的制造工艺
在金属集流体基体表面，采用溶胶凝胶浸渍工艺，将金属盐氯化钌或氯化锰、成膜促进剂聚乙烯醇或聚四氟乙烯和沉淀剂氢氧化铵或碳酸铵构成的反应体系以氧化钌-聚四氟乙烯-碳酸氢钠反应体系为例，聚四氟乙烯约占总质量的 氧化钌和碳酸氢钠的质量比约为2：3；在高温下反应生成多元金属氧化物，经过烧结工艺：温度范围为其中最佳烧结温度为300℃，烧结时间可从)，形成稳定均匀的多元金属氧化物薄膜，薄膜内部形成丰富的沟壑孔洞，为电解液的流动和离子迁移提供通道(如图4所示)保障加速度冲击瞬间电解液迅速流动，快速完成正负极间的离子重分布过程(如图2所示)，实现加速度冲击信号的传感。加速度冲击瞬间，电解液在惯性力作用下产生定向流动，流动产生的物质迁移效应使使电解液中氢离子浓度发生重分布，进而响应到电化学体系的电导率和法拉第反应的进行速率，使器件的输出电压发生瞬时波动，实现对加速度冲击信号的传感在加速度冲击瞬间的电压波动响应现象得到了实验验证(如图3所示)。
3)电极的装卡工艺
如图5所示，在含有氧化钌的正、负电极之间，基于MEMS工艺加工微纳支撑体阵列，将集流体1、正电极2、隔膜4、负电极5、集流体1顺序叠放，通过电极之间的微纳支撑体阵列7(如图6所)，实现正负电极之间的刚性装卡；这种刚性装卡工艺保障了高加速度冲击瞬间，电解液流动和带电离子迁移通道的稳定性和可靠性；其中微纳支撑体为圆柱体或正方体；
4)注液及封装工艺
向多孔的正、负电极和多孔隔膜的孔隙中添加0.1mol/L～10mol/L的氧化性电解液6，采用固性树脂胶将器件封装在金属或塑料外壳中；其中氧化性电解液为硫酸溶液。
所述电化学加速度传感器的性能测试
对封装好的加速度传感器进行10A/m2～200A/m2的恒流充电，直至充满状态，电压达到1V，实现储能功能；然后先进行足够长时间的自放电，使加速度传感器内部的离子分布达到平衡状态后，进行10A/m2～200A/m2的恒流放电；若放电过程中发生高加速度过载冲击，加速度传感器的输出电压将在冲击瞬间发生波动，实现加速度传感器的加速度传感功能(如图3所示)。
所述电化学加速度传感器单体的尺寸小于1cm*1cm*5mm，充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达1万g，有望应用于航空航天和汽车领域。
本发明的电化学加速度传感器通过双电层效应和法拉第反应实现电能的存储和释放。双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构。由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。法拉第反应是金属氧化物电极与氧化性酸电解液之间发生的高度可逆的氧化还原反应，通过氧化还原反应的得失电子过程形成法拉第电流实现能量存储。

Claims (6)

1.一种电化学自供电加速度传感器，其特征在于，所述电化学加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体；并通过机械装置装卡后灌封在金属或塑料壳体中；其中集流体为钛或其他导电性良好的金属材料；正负电极均为氧化钌或其他金属氧化物多孔材料(如氧化锰、氧化钴等)，隔膜为聚四氟乙烯或多孔聚合物的聚丙烯，正负电极和隔膜的孔隙中均填充硫酸电解液。
2.根据权利要求1所述一种电化学自供电加速度传感器，其特征在于，所述其他导电性良好的金属材料为铂或不锈钢。
3.根据权利要求1所述一种电化学自供电加速度传感器，其特征在于，所述其他金属氧化物多孔材料为氧化锰或氧化钴。
4.一种电化学自供电加速度传感器的制造方法，其特征在于，所述电化学加速度传感器的制作，具体包括：
1)集流体的制造工艺
将钛片浸泡在体积分数的硫酸溶液中，浸泡个小时，完成金属表面的表面处理；将处理后的钛片按照设计尺寸切割成集流体，通过激光焊接将极针焊接到集流体上，保障高加速度瞬间极针与集流体之间不发生脱落或断路现象；
2)电极薄膜的制造工艺
在金属集流体基体表面，采用溶胶凝胶浸渍工艺，将金属盐氯化钌或氯化锰、成膜促进剂聚乙烯醇或聚四氟乙烯和沉淀剂氢氧化铵或碳酸铵构成的反应体系，其中，聚乙烯醇或聚四氟乙烯占总质量的氧化钌和碳酸氢钠的质量比为2：3，在高温下反应生成多元金属氧化物，经过烧结，烧结时间为形成稳定均匀的多元金属氧化物薄膜，薄膜内部形成丰富的沟壑孔洞，为电解液的流动和离子迁移提供通道；
3)电极的装卡工艺
在含有氧化钌的正、负电极之间基于MEMS工艺加工微纳支撑体阵列，将集流体、正电极、隔膜、负电极、集流体顺序叠放，通过电极之间的微纳支撑体阵列实现正负电极之间的刚性装卡；这种刚性装卡工艺保障了高加速度冲击瞬间，电解液流动和带电离子迁移通道的稳定性和可靠性；其中微纳支撑体为圆柱体或正方体；
4)注液及封装工艺
向多孔的正、负电极和多孔隔膜的孔隙中添加的氧化性电解液，采用固性树脂胶将器件封装在金属或塑料外壳中；其中氧化性电解液为硫酸溶液。
5.根据权利要求4所述一种电化学自供电加速度传感器的制造方法，其特征在于，所述电化学加速度传感器的性能测试：对封装好的加速度传感器进行的恒流充电，直至充满状态，电压达到1V，实现储能功能；然后先进行足够长时间的自放电，使加速度传感器内部的离子分布达到平衡状态后，进行的恒流放电；若放电过程中发生高加速度过载冲击，加速度传感器的输出电压将在冲击瞬间发生波动，实现加速度传感器的加速度传感功能。
6.根据权利要求4所述一种电化学自供电加速度传感器的制造方法，其特征在于，所述电化学加速度传感器的单体尺寸小于1cm*1cm*5mm，充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达1万g，有望应用于航空航天和汽车领域。
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