CN107238652B - 基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及制备方法 - Google Patents

基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，属于传感器技术领域。本发明包括设于测试腔内部的多叶扇形结构的摩擦转子和双电级结构金属圆盘，摩擦转子靠近进气口设置在气流作用下转动与金属圆盘上电极形成接触‑分离循环，并且基于气敏薄膜吸附待测气体在双电级上产生非对称静电屏蔽效应，进而根据器件输出电压测得待测气体浓度。本发明相比现有气体传感器，无需外部供电系统，实现自发、实时监测待测气体的浓度，并且输出性能稳定，降低了由于器件本身输出不稳定造成的测量误差，另外，本发明气体传感器结构新颖、成本低廉且制备工艺简单，有利于实现商业化，为自供能气体传感器的研究提供了新的发展方向。

Description

基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及其制备方法。
背景技术
气体传感器被广泛用于军事、气象、农业、工业(特别是纺织、电子、食品)、医疗、建筑以及家用电器等诸多领域，因此，气体传感器在人们的生产和生活中发挥中重要的作用。目前，由于大部分气体传感器是通过电池供给能量，故而需要维护人员定期地更换电池和维护以保证设备与系统的持续运行，然而这样对于布设在危险地带和极端环境中的传感器网络节点而言，不仅会增加运行成本而且会威胁维护人员的生命安全。另一方面，半导体气体传感器所用敏感材料的气敏特性大多与温度有关，而传统气体传感器的加热单元功耗较大，并且为了实现有效检测和辨别混合气体，往往将气体传感器组成阵列来提高传感器的选择性，这样就会导致整个节点的功耗非常大，仅仅依靠电池供电无法长期满足此类传感器节点的工作需求。为了解决传统气体传感器寿命短、功耗高，需要外部电源供电等问题，有必要将自供能技术引进气体传感器的研究。通过自供能技术将周围环境中的能量转换为电能实现自供能是解决无线传感节点供电的一种理想方案。现有技术中常用的自供能气体传感器主要是基于压电效应或者光伏效应，然而，上述器件存在输出小、制备复杂、成本高、难以大规模集成等不足，因此，亟需一种能够克服上述缺陷的自供能气体传感器。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及其制备方法，本发明中摩擦转子在向测试腔通入待测气体时捕获气流动能，摩擦转子转动与双电级结构产生接触-分离式循环，进而形成旋转-隔空式纳米摩擦发电机，而双电级结构表面气敏薄膜吸附待测气体产生正电荷形成非对称静电屏蔽效应，通过不同浓度待测气体产生的静电屏蔽能力不同实时测得待测气体浓度。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，包括：测试腔以及设于测试腔上的进气口和出气口，其特征在于，测试腔的内部还包括第一部件和第二部件；
第一部件包括采用聚合物摩擦薄膜材料制成多叶扇形结构的摩擦转子；所述摩擦转子的多个扇形叶片的形状、尺寸均相近；
第二部件包括单面沉积有气敏薄膜的金属圆盘，金属圆盘上具有闭合环形缝隙将其分隔形成两个相互独立的环内电极和环外电极，其中，环内电极的形状、尺寸均与摩擦转子的形状、尺寸相同；
第一部件靠近测试腔上进气口处设置，第一部件和第二部件通过绝缘部件固定使得摩擦转子和环内电极的气敏薄膜面对面设置且相互隔离；在气流作用下，摩擦转子的扇形叶片与金属圆盘形成靠近-分离循环，从而产生感应电荷，并且通过环内电极和环外电极向检测电路输出气敏信号。
优选地，本发明中摩擦转子的扇形叶片的个数为4～12。
优选地，本发明中环内电极和环外电极的材料均为铝，镍，铜，银或者金。
为更好地实现本发明，本发明中在摩擦转子每一个扇形叶片背离气敏薄膜的表面或者侧面还设置有受力风筒或者其余有助于使扇叶转动的部件。
进一步地，本发明中环内电极与环外电极之间的缝隙宽度为500～1000μm。
进一步地，本发明中气敏薄膜的材料为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺及ZnO、SnO2、氧化石墨烯等半导体氧化物中任意一种或者任意两种、多种形成的复合材料。
进一步地，本发明中气敏薄膜的制备可以采用任何合适的方法，根据本发明实施例，采用原位聚合自组装法制备气敏薄膜。
进一步地，本发明中聚合物摩擦薄膜的材料为摩擦负极性材料，具体为尼龙、铁氟龙、聚氟乙烯、聚氟乙烯或者聚酰亚胺中任意一种。
进一步地，本发明中聚合物摩擦薄膜的厚度为10～50μm。
根据本发明实施例，本发明中固定第一部件和第二部件的绝缘部件具体为绝缘轴承和与绝缘轴承匹配设置的绝缘转轴，通过在测试腔进气口和出气口所在的两个侧面穿孔安装绝缘轴承，绝缘转轴的外径为轴承内径。
进一步地，第一部件和第二部件相对面之间垂直距离在1mm以内。
根据本发明实施例，本发明中金属圆盘具体采用表面镀制有电极材料层的圆形玻璃基板，电极材料层的制备可以采用任何合适的方法，玻璃基板的厚度范围30～300μm，电极材料层的厚度为100～200nm。
另一方面，本发明提供一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：制备第一部件；将聚合物摩擦薄膜切割为多叶扇形结构；
步骤B：制备第二部件；在洁净干燥的圆形基底上沉积电极材料得到金属圆盘，在金属圆盘的中间位置切割形成闭合环形缝隙，得到互不导通的环内电极和环外电极，并且环内电极的形状、尺寸均与步骤A制得摩擦转子的形状、尺寸相同；然后在金属圆盘单面的电极上沉积气敏薄膜；
步骤C：将步骤A制得的第一部件和步骤B制得的第二部件置于设有进气口和出气口的测试腔的内部，其中，第一部件靠近测试腔上进气口设置，通过绝缘部件固定第一部件和第二部件使得摩擦转子和环内电极的气敏薄膜面对面设置且相互隔离；将环内电极和环外电极分别与检测电路连接以输出气敏信号。
优选地，本发明中摩擦转子的扇形片的个数为4～12。
优选地，本发明中环内电极和环外电极的材料均为铝，镍，铜，银或者金。
为更好地实现本发明，本发明中在所述摩擦转子每一个扇形片背离气敏薄膜的表面或者侧面还具有受力风筒或者其余有助于使扇叶转动的部件。
进一步地，本发明中环内电极与环外电极之间的缝隙宽度为500～1000μm。
进一步地，本发明中气敏薄膜的材料为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺及ZnO、SnO2、氧化石墨烯等半导体氧化物中任意一种或者任意两种、多种形成的复合材料。
进一步地，本发明中气敏薄膜的制备可以采用任何合适的方法，根据本发明实施例，采用原位聚合自组装法制备气敏薄膜。
进一步地，本发明中聚合物摩擦薄膜的材料为摩擦负极性材料，具体为尼龙、铁氟龙、聚氟乙烯、聚氟乙烯或者聚酰亚胺中任意一种。
进一步地，本发明中聚合物摩擦薄膜的厚度为10～50μm。
根据本发明实施例，本发明中固定第一部件和第二部件的绝缘部件具体为绝缘轴承和与绝缘轴承匹配设置的绝缘转轴，通过在测试腔进气口和出气口所在的两个侧面穿孔安装绝缘轴承，绝缘转轴的外径为轴承内径。
进一步地，第一部件和第二部件相向面之间的垂直距离在1mm以内。
根据本发明实施例，本发明中金属圆盘具体采用表面镀制有电极材料层的圆形玻璃基板，电极材料层的制备可以采用任何合适的方法，玻璃基板的厚度范围30～300μm，电极材料层的厚度为100～200nm。
本发明的原理阐述如下：
本发明通过的自供能气体传感器在气流作用下使得摩擦转子转动与面对面隔离设置的气敏薄膜产生接触-分离式循环产生感应电荷，同时气敏薄膜吸附待测气体分子在环内电极和环外电极上均产生正电荷形成非对称静电屏蔽效应，不同浓度的待测气体的非对称静电屏蔽能力存在差异，因此导致器件的输出电压信号发生变化，通过外部检测电路获取器件的输出电信号即可反推得到待测气体的浓度。
本发明相比现有技术存在以下有益效果：
本发明提供了一种自供能气体传感器，相比现有气体传感器，本发明不需要外部供电系统，通过合理设置结构形成旋转-隔空式纳米摩擦发电机，通过利用向测试腔通入待测气体时气体流动的动能驱动气体传感器工作，耦合摩擦发电作用和非对称静电屏蔽作用实现了自发、实时监测待测气体的浓度；本发明提供的自供能气体传感器输出性能稳定，进而降低由于器件本身输出不稳定造成的测量误差，另外，本发明气体传感器结构新颖、成本低廉且制备工艺简单，有利于实现商业化，为自供能气体传感器的研究提供了新的发展方向。
附图说明
图1为本发明提供的自供能气体传感器的制备工艺流程图；
图2为本发明提供的自供能气体传感器的结构示意图；
图3为本发明提供的自供能气体传感器的摩擦发电原理示意图；
图4为本发明提供的自供能气体传感器的气敏机理示意图；
图5为本发明提供的自供能气体传感器在通入干燥空气时的输出开路电压图；
图6为本发明提供的自供能气体传感器在通入干燥空气时的短路电流图；
图7为本发明提供的自供能气体传感器在通入不同浓度氨气时的输出电流变化图；
图中：1为环内电极，2为环外电极，3为气敏薄膜，4为摩擦转子，5为进气口，6为出气口，7为转轴，8为测试腔。
具体实施方式
以下通过实施例并结合说明书附图详细阐述本发明的技术方案，同时对本发明的原理和特性做进一步的说明。本实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：制备摩擦转子4；采用激光切割机将铁氟龙薄膜切割形成直径为5cm的四叶扇形结构作为摩擦薄膜，根据本领域公知常识可知：作为摩擦转子4的材料可以为任何合适的材料，本实施例只是给出一种优选材料；为了更好地驱动扇形叶片转动，本实施例在每个扇形叶侧面粘附一个质地轻薄的受力风筒，根据本领域公知常识可知：有助于扇形叶片转动的结构不仅局限于上述结构，可以是任何合适的结构；
步骤B：制备气敏双电级；选择一个厚度为3mm的有机玻璃基板经过清洗、干燥处理，通过激光切割机将其切割成直径为6cm圆形基片；在上述圆形基片表面蒸镀一层电极材料得到金属圆盘，本实施例中电极材料选择金，根据本领域公知常识可知，电极材料可以为任何合适的材料，本实施例只给出了其中一种；然后在金属圆盘的中间位置切割形成闭合环形缝隙，得到互不导通的环内电极1和环外电极2，并且环内电极1的形状、尺寸均与步骤A制得摩擦转子4的形状、尺寸相同；再通过原位聚合自组装法在金属圆盘的电极上生长一层气敏薄膜3，本实施例中气敏薄膜3选用对氨气敏感的聚苯胺薄膜，氨气与聚苯胺薄膜发生反应将在聚苯胺薄膜表面生成一层带正电的离子，而这一层带正电的离子将对电极有电荷屏蔽效应；
步骤C：本实施例采用有机玻璃板制作测试腔8，本实施例对测试腔不做限定，在保证绝缘的前提下可以根据实际情况合理选择；在测试腔8的两个相对面设置有进气口5和出气口6，进一步地，为固定摩擦转子4和金属圆盘，本实施例采用如下绝缘固件：在进气口5和出气口6所在两个相对面的对应位置分别打孔，在两孔上分别安装轴承，将转轴7固定在两轴承之间，本实施例中转轴选用绝缘尼龙螺纹杆，为保证轴承与转轴匹配，应使得轴承内径为转轴外径；然后将步骤A制得的摩擦转子4和步骤B制得的金属圆盘固定于所述转轴7上，使得摩擦转子4与环内电极1的气敏薄膜3面对面设置且相互隔离，优选地，应控制金属圆盘与摩擦转子4的垂直距离在1mm内，其中，摩擦转子4位于测试腔8的进气口5处；将环内电极1和环外电极2分别与检测电路连接以输出气敏信号。
如图2所示，本发明提供一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，包括：测试腔8及设于测试腔8上的进气口5和出气口6，测试腔8的内部还设置有摩擦转子4和金属圆盘；
其中：摩擦转子4是将聚合物摩擦薄膜切割形成对称的四叶扇形结构，本实施例中聚合物薄膜的材料优选为铁氟龙薄膜材料(PTFE)，并且摩擦转子4的四个扇形叶片的形状、尺寸均相近；本实施例中金属圆盘采用在圆形有机玻璃基板表面镀制电极材料，具体地，电极材料为金，金属圆盘上具有闭合环形缝隙将其分隔形成相互独立的环内电极1和环外电极2，环内电极1的形状、尺寸与摩擦转子4的形状、尺寸均相同，并且在金属圆盘的电极上沉积有气敏薄膜3；
在测试腔8上进气口5和出气口6所在两个侧面分别穿设有过孔以安装轴承，两轴承之间安装有转轴7，摩擦转子4靠近进气口5固定，使得进气管道正对风筒的受力面，可通过调节气管直径来改变气流量，其中，摩擦转子4可与转轴7一起自由转动，且可以通过旋转转轴7调节四个扇形叶片与电极的间距，作为优选实施例，四个扇形叶片与电极的间距在1mm 以内较佳；金属圆盘也固定在转轴7上，使得气敏薄膜3与摩擦转子4面对面设置且相互隔离，金属圆盘中心开孔嵌入轴承使其不随转轴7一起自由转动。
结合图3提供的示意图：在气流作用下，随着摩擦转子4的扇形叶片转动，四个采用聚合物摩擦薄膜制成的扇形叶片与环内电极1和环外电极2均形成隔空式靠近-分离循环，由于环内电极1与铁氟龙薄膜之间的摩擦电极序相差比较大，因此，两者靠近时铁氟龙薄膜将从环内电极1上得到电子，从而使得相靠近的两个表面带有等量异号的电荷，此时，环内电极 1和环外电极2之间会产生电势差，将环内电极1和环外电极2之间接入负载，电子会从环内电极1通过负载转移至环外电极以平衡金属圆盘与铁氟龙薄膜之间的电势差(即摩擦电荷)；随着摩擦转子4转动，扇形叶片逐渐远离环内电极1而靠近环外电极2，基于静电感应作用下，环内电极1和环外电极2上产生感应正电荷，此时，环内电极1流向电子数目减少，环内电极1和环外电极2之间电势差降低；当铁氟龙薄膜转动至环内电极1和环外电极2之间缝隙的中心位置时，环内电极1和环外电极2所带的摩擦电荷等量同号，此时没有向外输出电流；随着摩擦转子4继续转动，扇形叶片继续远离环内电极1而靠近环外电极2，环内电极1上产生的感应电荷逐渐减小，而环外电极2上产生的感应电荷逐渐增大，当扇形叶片完全与环外电极2重合时，环外电极2向环内电极1转移的电子数目达到最大，环外电极2和环内电极1之间的电势差也相应达到最大。随着摩擦转子4的扇形叶片不停旋转，会不断与环内电极1和环外电极2重复上述电子转移过程，进而通过环内电极1和环外电极2两端不断输出交变电流。
结合图4提供的示意图：如图4(a)所示，向测试腔通入干燥空气时，发电机的输出电信号相对较大，并且输出电压由聚合物薄膜PTFE与电极靠近所产生的摩擦电荷量所决定；本发明器件在通入干燥空气时的输出开路电压如图5所示，本发明器件在通入干燥空气时的短路电流图如图6所示，结合两幅图可以看出：器件能够稳定输出电压；通过本实施例图5、图6和图7的实验结果也能确定：通入目标气体后输出电压相比通入干燥空气有所降低，首先如图4(b)所示，当通入低浓度氨气时，由于氨气为还原性气体，吸附在气敏薄膜表面后与之发生氧化还原反应，在气敏薄膜表面生成一层带正电的NH4+离子，NH4+离子层对与其靠近的电极产生静电屏蔽效应，使得与其靠近的电极上基于静电感应所形成的正电荷减小，环内电极1与环外电极2之间的电势差降低，故而导致器件输出的电压信号变小；然后随着通入氨气浓度加大，如图4(c)所示，气敏薄膜3表面形成的带正电NH4+离子增多，对与其靠近的电极产生的静电屏蔽效果增强，进而使得器件的输出电信号进一步降低。
因此，本发明在通入不同浓度待测气体，会导致气敏薄膜3表面正电离子数目改变，进而使得气敏薄膜3对与其靠近的电极产生的静电屏蔽能力发生改变，最终导致环内电极1与环外电极3之间的输出电信号亦随之改变，在具体实施例中，可以通过将环内电极1和环外电极2分别与数字静电计连接，读取器件输出电信号，本发明器件在不同浓度氨气时的输出电流变化如图7所示，根据本领域普通知识即可反推得到待测气体浓度。
实施例2；
本实施例除了铁氟龙薄膜为经过反应离子刻蚀进行处理得到粗糙表面的增强型聚合物摩擦薄膜外，其余结构和制备工艺均与实施例1相同，在此不再赘述。
上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，尽管已阐述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，即可对上述实施例作出另外的变更和修改。因此本发明的权利要求的范围应涵盖优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，包括测试腔(8)以及设于测试腔(8)上的进气口(5)和出气口(6)，其特征在于，测试腔(8)的内部还包括第一部件和第二部件；
第一部件包括采用聚合物摩擦薄膜材料制成多叶扇形结构的摩擦转子(4)；所述摩擦转子(4)的多个扇形叶片的形状、尺寸均相近；
第二部件包括单面沉积有气敏薄膜(3)的金属圆盘，金属圆盘上具有闭合环形缝隙将其分隔形成两个相互独立的环内电极(1)和环外电极(2)，其中，环内电极(1)的形状、尺寸均与摩擦转子(4)的形状、尺寸相同；
第一部件靠近测试腔(8)上进气口(5)处设置，第一部件和第二部件通过绝缘部件固定使得摩擦转子(4)和环内电极(1)的气敏薄膜(3)面对面设置且相互隔离；在气流作用下，摩擦转子(4)的扇形叶片与金属圆盘形成靠近-分离循环，从而产生感应电荷，并且通过环内电极(1)和环外电极(2)向检测电路输出电学信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，其特征在于，所述摩擦转子(4)的扇形叶片的个数为4～12。
3.根据权利要求2所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，其特征在于，在摩擦转子(4)的每一个扇形叶片背离气敏薄膜(3)表面或者侧面还设置有受力风筒。
4.根据权利要求1所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，其特征在于，环内电极(1)和环外电极(2)的材料均为铝，镍，铜，银或者金。
5.根据权利要求1所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，其特征在于，环内电极(1)与环外电极(2)之间的缝隙宽度为500～1000μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，其特征在于，所述气敏薄膜(3)的材料为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚酰亚胺、ZnO和SnO2中任意一种或者任意两种、多种形成的复合材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，其特征在于，所述聚合物摩擦薄膜的材料为摩擦负极性材料，具体为尼龙、铁氟龙、聚氟乙烯或者聚酰亚胺中任意一种。
8.一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：制备第一部件；将聚合物摩擦薄膜切割为多叶扇形结构；
步骤B：制备第二部件；在洁净干燥的圆形基底上沉积电极材料得到金属圆盘，在金属圆盘的中间位置切割形成闭合环形缝隙，得到互不导通的环内电极(1)和环外电极(2)，并且环内电极(1)的形状、尺寸均与步骤A制得摩擦转子的形状、尺寸相同；然后在金属圆盘单面的电极上沉积气敏薄膜(3)；
步骤C：将步骤A制得的第一部件和步骤B制得的第二部件置于设有进气口(5)和出气口(6)的测试腔(8)的内部，其中，第一部件靠近测试腔(8)上进气口(5)设置，通过绝缘部件固定第一部件和第二部件使得摩擦转子(4)和环内电极(1)的气敏薄膜(3)面对面设置且相互隔离；将环内电极(1)和环外电极(2)分别与检测电路连接以输出电学信号。
9.根据权利要求8所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器的制备方法，其特征在于，所述摩擦转子(4)的扇形叶片的个数为4～12，在摩擦转子(4)的每一个扇形叶片背离气敏薄膜(3)的表面或者侧面还设置有受力风筒。
10.根据权利要求8所述的一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器的制备方法，其特征在于，环内电极(1)与环外电极(2)之间的缝隙宽度为500～1000μm。
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