CN107402048A - 气体流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体流量传感器，包括：壳体，以及设置在壳体内部的电极以及第一高分子薄膜，其中，壳体具有相对设置的第一端面和第二端面，第一端面上开设有至少一个进气孔，第二端面上开设有至少一个出气孔；电极和第一高分子薄膜之间形成气流通道；电极沿壳体的中心轴线方向设置，第一高分子薄膜为套设在电极外部的筒状薄膜，其形状与电极形状相匹配，且第一高分子薄膜上开设有至少一个振膜；其中，每个振膜具有与第一高分子薄膜连接一体的固定端以及能够在待测气体的带动下与电极相互摩擦的自由端。本发明提供的气体流量传感器解决了现有技术中气体流量传感器输出信号偏小、灵敏度较低并且制作工艺复杂的问题，使组装简单，易实施。

Description

气体流量传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种气体流量传感器。

背景技术

随着科技的发展以及人们对生活需求的提高，气体流量传感器在生活中的多个方面得到了应用，通过气流传感器能够检测气流的流量和流速等相关信息。

但是，发明人在实现本发明的过程中发现，现有的气体流量传感器大多为工业设备，其不仅体积庞大而笨重，而且存在着制作成本高、制作工艺复杂、以及灵敏度较低等一系列问题。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供一种能够解决上述问题的气体流量传感器。

根据本发明的一个方面，提供了一种气体流量传感器，包括：壳体，以及设置在所述壳体内部的电极以及第一高分子薄膜，其中，所述壳体具有相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面上开设有用于供待测气体流入的至少一个进气孔，所述第二端面上开设有用于供待测气体流出的至少一个出气孔；所述电极和所述第一高分子薄膜之间形成气流通道；所述电极沿所述壳体的中心轴线方向设置，所述第一高分子薄膜为套设在所述电极外部的筒状薄膜，所述第一高分子薄膜的形状和所述电极的形状相匹配，且所述第一高分子薄膜上进一步开设有至少一个振膜；气流通过进气孔，进入所述气流通道带动所述振膜振动；其中，每个振膜具有与所述第一高分子薄膜连接一体的固定端以及能够在所述待测气体的带动下与所述电极相互摩擦的自由端；所述电极为所述气体流量传感器的信号输出端。

本发明提供的气体流量传感器利用摩擦发电原理实现，不仅具有轻便易携的优势，且制作成本低廉、制作工艺简单。而且，通过在第一高分子薄膜上进一步设置振膜的方式，充分利用了振膜自由端的惯性作用，进而增加了摩擦效果，提升了信号灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的气体流量传感器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的气体流量传感器的一个具体实施例的分解结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的气体流量传感器的组装后结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种第一高分子薄膜的振膜结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的第一高分子薄膜与电极组装一体后振膜与电极之间的摩擦示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。

实施例一

图1为本发明提供的气体流量传感器的剖面结构示意图。如图1所示，在本实施例中，气体流量传感器包括：中空壳体110、设置在中空壳体110内部的电极120以及第一高分子薄膜130。其中，中空壳体110为空心结构，内部套装有电极120以及第一高分子薄膜130。中空壳体110、电极120以及第一高分子薄膜130的中轴线位于同一条直线上，并且三者的表面都相互分离。在材质上，壳体110可以为金属外壳，也可以为非金属的绝缘外壳。在结构上，壳体110进一步包括相对设置的第一端面111和第二端面112。其中，第一端面111上开设有用于供待测气体流入的至少一个进气孔，第二端面112上开设有用于供待测气体流出的至少一个出气孔。具体地，第一端面111和第二端面112中的至少一个端面可以一体化设置在壳体110上，以此来更好地保护气体流量传感器的内部结构；或者，第一端面111和第二端面112中的至少一个端面也可以以可拆卸的方式设置在壳体110上，以此来方便用户对壳体的更换和拆卸等。

电极120设置在壳体110的内部，沿壳体110的中心轴线方向设置，其表面可以设置为金属电极层，也可以设置为非金属电极层。其中，电极120的内部既可以为实心结构，也可以为空心结构。优选地，电极120的内部为空心结构，以便于在电极120和第一高分子薄膜130之间形成气流通道的同时，和/或电极120内部形成气流通道，同时，空心结构的电极120重量更小，从而使气体流量传感器的整体更加轻便；更优选地，在电极120上进一步设置有内外相通的通孔，以便增加气流通道内的气流大小，提升摩擦效果。第一高分子薄膜130为套设在电极120外部的筒状薄膜，且第一高分子薄膜130的形状和电极120的形状相匹配。第一高分子薄膜130上进一步开设有至少一个振膜，当气流经过上述进气孔时，气流通过上述气流通道带动振膜振动。其中，每个振膜具有与第一高分子薄膜130连接一体的固定端以及能够在待测气体的带动下与电极120相互摩擦的自由端。其中，每个振膜的固定端设置在靠近进气孔的一侧，每个振膜的自由端设置在靠近出气孔的一侧，这种设置方式用于保证当气流从进气孔吹入时，气流从每个振膜的固定端的方向吹入，从而可以实现较好的摩擦效果(发明人在实验中发现，当气流从振膜固定端的方向吹入时，振膜自由端的起振效果以及摩擦效果都较佳)。并且，电极120作为气体流量传感器的信号输出端。

具体地，第一高分子薄膜130与电极120之间间隔有预设距离，该预设距离用于在电极120和第一高分子薄膜130之间形成气流通道，同时，该间距也用于为第一高分子薄膜130上的振膜提供足够的振动空间。具体实施中，上述预设距离控制在0.01-2.0mm之间。在未有气体流入情况下，第一高分子薄膜130上的振膜与电极120的表面未产生摩擦，未有感应电荷产生；当被测气体从第一端面111上的进气孔流入时，被测气体产生的涡流使上述振膜的自由端产生振动，振动的自由端与电极120的表面产生相应频率的接触分离，即振膜与电极120的表面产生摩擦，进而在电极120上产生感应电荷。其中，电极120作为气体流量传感器的信号输出端，电极120上设置有与该电极相连的导线，则电极120表面的感应电荷被作为感应电信号通过上述导线输出。其中，电极120可以与外电路中的接地点共同形成电流回路，从而以单电极方式实现电信号输出。其中，上述电信号包括电压值、频率值等相关的电信号参数。经发明人测量发现，被测气体的气体流速越大，振膜的振动频率相应越高，则输出的电压值和频率值也越大。并且，发明人进一步从测量的数值中发现，气体流速与电压值V以及频率f之间为正比关系，即特定的电压值或者频率值对应一定的气体流速值，因此，通过获取输出的电压值以及频率值便可进一步通过计算来获取气体的流速以及流量。

由此可见，本发明提供的气体流量传感器制作工艺简单，制作成本低廉。并且，本发明提供的气体流量传感器通过在第一高分子薄膜上进一步设置振膜的方式，充分利用了振膜自由端的惯性作用，增加了摩擦发电的摩擦效果，提升了信号灵敏度。

实施例二

图2至图5分别从不同角度示出了本发明实施例二提供的气体流量传感器的一种具体结构的结构示意图。其中，图2示出了该气体流量传感器的分解结构示意图，图3示出了该气体流量传感器的组装后结构示意图，图4示出了该气体流量传感器中的第一高分子薄膜的示意图，图5示出了该气体流量传感器中的第一高分子薄膜与电极组装一体后振膜与电极之间的摩擦示意图。如图2至图5所示，该气体流量传感器包括：壳体210、和依次设置在壳体210内部的第一高分子薄膜230、支撑结构240以及电极220。其中，支撑结构240设置在电极220外侧，第一高分子薄膜230套设在电极220以及支撑结构240的外部，并且，在第一高分子薄膜230上进一步设置有振膜231。

具体地，首先介绍壳体210。在形状上，壳体210的形状可以为圆柱状、棱柱状、圆台状、以及棱台状等形状的空心壳体，其中，壳体210的形状优选为圆柱状。在材质上，壳体210可以为金属壳体，也可以为非金属的绝缘壳体。在结构上，壳体210进一步包括第一端面211以及第二端面212。其中，第一端面211上开设有供待测气体流入的至少一个进气孔；第二端面上开设有用于供待测气体流出的至少一个出气孔。其中，上述进气孔与出气孔的数量均可以为多个，其形状可以为网状气孔或者孔状气孔。如图3所示，图3为与图2中的分解结构示意图相对应的组装后结构示意图，从图3中可以看出，待测气体从第一端面211上的进气孔流入，其中，进气孔的数量为多个，形状为孔状气孔。在这里，要说明的是，第一端面上进气孔和第二端面上出气孔的形状和数量可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置，本发明对此不作限制。

壳体210内部套装有电极220以及第一高分子薄膜230，其中，上述三者的位置关系具体为：壳体210、电极220以及第一高分子薄膜230的中轴线位于同一条直线上，并且，第一高分子薄膜230的内径大于电极220的外径，壳体210的内径大于第一高分子薄膜230的外径。即：壳体210与第一高分子薄膜230之间、以及第一高分子薄膜230与电极220之间都具有一定的间隙。

接下来具体介绍电极220以及第一高分子薄膜230。首先介绍电极220。具体地，电极220沿壳体210的中心轴线方向设置，在形状上，电极220的形状可以为圆柱状、棱柱状、圆台状、以及棱台状等形状；其中，为了增加电极220的摩擦面积，优选电极220的形状为侧表面为平面的棱柱状或者棱台状。例如，如图5所示，图5示出的电极220为中空三棱柱形状。在结构上，电极220既可以为实心结构，也可以为空心结构。优选地，电极220的内部为空心结构，以便于在电极220和第一高分子薄膜230之间形成气流通道的同时，和/或电极220内部形成气流通道，同时，空心结构的电极220重量更小，从而使气体流量传感器的整体更加轻便；更优选地，在电极220上进一步设置有内外相通的通孔，以此来增加气流通道内的气流大小，从而进一步提升摩擦效果。

接下来介绍第一高分子薄膜230。具体地，在形状上，与电极220相应，第一高分子薄膜230的形状可以为中空圆柱状、中空棱柱状、中空圆台状、以及中空棱台状等各种形状；其中，为了增大第一高分子薄膜230与电极220产生摩擦时的接触面积，优选第一高分子薄膜230为具有侧表面的中空棱柱状或者中空棱台状，并且，第一高分子薄膜230和电极220的形状保持匹配。也就是说，若电极220的形状为圆柱状，则第一高分子薄膜230对应为中空圆柱状；若电极220的形状为三棱柱状，则第一高分子薄膜230对应为中空三棱柱状等等。例如，如图5所示，图5示出的第一高分子薄膜与电极形状匹配，在图5中，电极形状为三棱柱状，则第一高分子薄膜的形状对应也是中空三棱柱形状。

具体地，当所述壳体以及电极的形状为圆柱状或棱柱状，且所述第一高分子薄膜的形状为中空圆柱状或中空棱柱状时，所述第一高分子薄膜的内径大于所述电极的外径，且所述壳体的内径大于所述第一高分子薄膜的外径，以便于在壳体210与第一高分子薄膜230之间、以及第一高分子薄膜230与电极220之间形成间隙。当所述壳体以及电极的形状为圆台状或棱台状，且所述第一高分子薄膜的形状为中空圆台状或中空棱台状时，所述第一高分子薄膜的上表面的内径大于所述电极的上表面的外径，且所述壳体的上表面的内径大于所述第一高分子薄膜的上表面的外径；所述第一高分子薄膜的下表面的内径大于所述电极的下表面的外径，且所述壳体的下表面的内径大于所述第一高分子薄膜的下表面的外径，以便于在壳体210与第一高分子薄膜230之间、以及第一高分子薄膜230与电极220之间形成间隙。其中，第一高分子薄膜为中空状，即，第一高分子薄膜是两端贯穿的中空结构，在上文中，第一高分子薄膜上下表面是指：由第一高分子薄膜的两侧分别在壳体的第一端面和第二端面上所限定的表面。同理，当电极为空心时，电极的上下表面也是类似含义。

在结构上，当第一高分子薄膜230具有多个侧表面时，在第一高分子薄膜230的每个侧表面上进一步开设有至少一个振膜231，如图4所示，图4中的第一高分子薄膜的每个侧表面上都开设有两个振膜。当然，可以理解的是，在具体实施中，第一高分子薄膜230的每个侧表面上的振膜231的数量并不限于两个，可以是一个，也可以为多个，其具体数量由本领域技术人员根据实际情况进行设置，本发明对此不作限制。其中，振膜231具体用于：在气流通过进气孔之后，气流进入气流通道带动振膜231振动。其中，上述气流通道的实现方式有多种，例如，既可以形成于电极和第一高分子薄膜之间，也可以形成于电极内部，或者还可以同时在电极和第一高分子薄膜之间以及电极内部形成气流通道。具体地，在第一种实现方式中，上述气流通道形成于电极220与第一高分子薄膜230之间的间隙内；在第二种实现方式中，除了在电极220与第一高分子薄膜230之间的间隙内形成气流通道之外，还可以进一步在电极220的内部也形成气流通道，例如在电极220的内部设置数个内外相通的通孔，或者将电极220的内部设置为空心结构等等，总之，在电极220内部设置气流通道能够更有利于气流的加速流动，从而实现更加理想的摩擦效果。本领域技术人员可以根据需要灵活设置上述的气流通道。

接下来介绍振膜231的结构。振膜231的结构具体如下：第一高分子薄膜230上的每个振膜231具有与第一高分子薄膜230连接一体的固定端以及能够在待测气体的带动下与电极相互摩擦的自由端。其中，振膜231的固定端设置在靠近进气孔的一侧，振膜231的自由端设置在靠近出气孔的一侧，这种设置方式用于保证当气流从进气孔吹入时，气流从每个振膜的固定端的方向吹入，从而可以实现较好的摩擦效果。其中，优选地，振膜231可以是从第一高分子薄膜230上预先切割以形成预设形状的振膜，相应地，切割振膜231后在第一高分子薄膜230上形成的空缺部分能够更好地进出气流，从而提升摩擦效果；而且，振膜231的自由端能够在气流带动下往复运动，即：振膜231在气流作用力的带动下在上述空缺部位产生相应频率的振动，该振动能够使振膜231的自由端与电极220的表面产生摩擦，从而实现振膜231在气流作用力的带动下产生摩擦的效果。并且，进一步地，本领域技术人员还可以根据实际中的实验情况将振膜231的结构设计为能够充分利用惯性实现持续起振的结构，例如，设计振膜231自由端的大小略大于振膜231固定端的大小，则振膜231的自由端在受到气流作用力产生振动后，振动中的振膜231会在惯性作用下持续振动，该惯性作用与气流作用同时作用于振膜231，进一步增加了振膜231的振动效果，从而能够进一步提升摩擦效果。当然，在本发明的其它实施例中，也可以将多个预设形状的振膜固定设置在第一高分子薄膜230上，在这里，本发明对振膜231的具体设置方式不做限定，只要能够起到接触摩擦效果既可。其中，振膜231的形状可以为矩形、三角形、多边形以及扇形等形状，并且，振膜231的长度可以由本领域技术人员根据振膜的形状进行适应性设置，以避免由于振膜过长或者过短导致的振膜振动不稳定或者无法起振的情况。其中，当振膜231的数量为多个时，上述多个振膜按照阵列化方式设置在第一高分子薄膜230上，并且，为了提升摩擦效果，当第一高分子薄膜230为中空棱柱状时，可以在中空棱柱状的第一高分子薄膜230的每个侧表面上分别设置一个或多个振膜。如图4所示，图4示出的第一高分子薄膜为中空三棱柱状，振膜231为多个分别设置在该第一高分子薄膜的各个侧表面上的矩形振膜，矩形振膜中有一边与第一高分子薄膜230相连，从而形成该矩形振膜的固定端；其余三边为分离状，从而形成该矩形振膜的自由端。并且，从图4中可以看出，振膜的数量可以为多个，图4中的振膜以阵列化的方式排布在第一高分子薄膜230上。

具体地，为了便于摩擦，第一高分子薄膜230与电极220之间间隔预设距离，该预设距离用于为第一高分子薄膜230上的振膜提供足够的振动空间。具体实施中，该预设距离可以控制在0.01-2.0mm之间。具体地，上述预设距离可通过下述两种方式实现：在第一种实现方式中，将电极220的两端分别固定在壳体210的第一端面211以及第二端面212的内壁上，同时，将第一高分子薄膜230的两端也分别固定在壳体210的第一端面211以及第二端面212的内壁上，使固定之后的壳体210与第一高分子薄膜230之间保持分离，并使固定之后的电极220与第一高分子薄膜230之间存在上述预设距离，该种方式尤其适用于第一高分子薄膜材质较硬的场景中。在第二种实现方式中，为了防止第一高分子薄膜230的中部与电极220相互接触从而无法有效分离，在电极220与第一高分子薄膜230之间进一步设置有：至少一个支撑结构240，支撑结构240用于在电极220和第一高分子薄膜230之间形成间隙，使第一高分子薄膜230上的振膜的自由端和电极220接触分离。具体实施中，在设置支撑结构240时，可以将支撑结构240一体化设置在电极220和第一高分子薄膜230相对的侧表面上或者设置在第一高分子薄膜230和电极220相对的侧表面上，以防止支撑结构240由于脱落等原因导致第一高分子薄膜230的一面持续接触在电极220上，进而无法实现较为理想的摩擦效果；或者，也可以将支撑结构240设置为可拆卸的结构，以便于用户对支撑结构240进行拆卸和更换。其中，支撑结构240的厚度优选在0.01-2.0mm之间，则本领域技术人员还可以设置多组不同厚度的支撑结构240，以供用户可以根据实际中的不同情况选择不同厚度的支撑结构240进行拆卸更换。其中，支撑结构240的数量可以为一个，也可以为多个。当支撑结构240的数量为多个时，每相邻的两个支撑结构240之间互相间隔预设距离。其中，上述预设的距离能够保证各个振膜分别设置在每相邻的两个支撑结构240之间。即：在第一高分子薄膜230与支撑结构240未接触的部分设置对应的振膜，该振膜能够在气流带动的作用下产生振动，并且其振动过程不会受到支撑结构240的影响。总之，通过支撑结构240能够确保第一高分子薄膜与电极之间的有效分离，防止两个摩擦界面在接触后无法有效分离的情况发生，进而提升摩擦效果。上述的两种实现方式既可以单独使用也可以结合使用。

介绍完气体流量传感器的结构之后，接下来，介绍上述气体流量传感器的工作原理：

在没有气体流入时，电极220与第一高分子薄膜230之间未产生摩擦，因此没有感应电荷产生；其中，电极220与第一高分子薄膜230通常采用极性相反的材质制作(例如电极一般通过易失电子的材质制作，而第一高分子薄膜则一般采用易得电子的材质制作)，此时，由于电极220与第一高分子薄膜230之间的预设距离较小，因此第一高分子薄膜230上的振膜会吸附在电极220的表面。当被测气体从壳体210第一端面上的进气孔流入时，被测气体产生的涡流使上述振膜的自由端产生振动，振动的自由端与电极220的表面产生相应频率的接触分离，即第一高分子薄膜230上的振膜与电极220的表面产生摩擦，则振膜与电极220上产生出相应的感应电荷。具体实施中，如图5所示，图5为第一高分子薄膜上的振膜与电极之间的摩擦示意图。其中，图5中的电极220设置在第一高分子薄膜230的内部，与第一高分子薄膜230之间存在一定的预设距离，当待测气流流入时，振膜231在待测气流的带动下上下振动，与电极220之间产生快速的接触分离，即振膜与电极的表面产生摩擦，生成感应电荷，感应电荷从电极220流出从而输出对应的电信号。其中，电极220与外电路中的接地点共同形成电流回路，从而以单电极方式实现电信号输出。

另外，上述结构的气体流量传感器主要是依靠第一高分子薄膜与电极之间的接触摩擦进行发电，在具体实施时，本领域技术人员还可以对上述气体流量传感器的内部结构进行各种改动和变形：

例如，其中的电极220又可以进一步通过下述的两种方案实现：

方案一：电极220仅包括单一的金属电极层，相应地，第一高分子薄膜230上每个振膜的自由端能够在待测气体的带动下与电极220中的金属电极层相互摩擦。其中，因为金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此将电极220的表面设置为金属电极层，采用金属电极与高分子聚合物(即第一高分子薄膜230)摩擦，能够有效增强感应电荷的产生并增加输出的电信号的灵敏度。在这里，电极220与第一高分子薄膜230的极性相反，电极220极易失电子，第一高分子薄膜230易得电子。即：上述金属电极层极易失电子，上述第一高分子薄膜极易得电子。

方案二：不同于方案一中的单层结构，方案二中的电极为复合结构，具体地，电极220进一步包括：金属电极层以及设置在金属电极层外侧的第二高分子薄膜，则每个振膜的自由端能够在待测气体的带动下与电极220中的第二高分子薄膜相互摩擦。具体地，在本方案中，进一步在电极220的金属电极层之上设置一层第二高分子薄膜，例如，可以在电极220的金属电极层之上再涂刷一层第二高分子薄膜，则第一高分子薄膜230上的每个振膜的自由端在待测气体带动的作用下与电极220中的第二高分子薄膜之间相互摩擦产生感应电荷，即通过聚合物(第一高分子薄膜)与聚合物(第二高分子薄膜)之间的摩擦来产生感应电荷，并通过第二高分子薄膜内部的金属电极层输出电信号，从而实现了与上述方案一类似的摩擦效果。

具体地，在方案一或方案二中，金属电极层的材质具体可以为金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。除此之外，金属电极层的材质还可以进一步选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜等非金属导电材料。第一高分子薄膜与第二高分子薄膜的材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。其中，原则上第一高分子薄膜和第二高分子薄膜的材质可以相同，也可以不同。但是，如果两层高分子薄膜的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此优选地，第一高分子薄膜与第二高分子薄膜的材质不同。

相应地，针对于上文提到的支撑结构240的设置，其相应方案如下：若电极220采用方案一中的结构，即：电极220的外层仅包括单一的金属电极层，则上文提到的支撑结构240对应设置在电极220金属电极层的外侧；若电极220采用方案二中的结构，即：电极220的外层的金属电极层上还进一步设置了第二高分子薄膜，则上文提到的支撑结构240对应设置在电极220中的第二高分子薄膜的外侧。

进一步地，在上述两个方案中，为了增加摩擦效果，还可以进一步对电极220的表面进行进一步设置，使电极220的表面形成平面状或者粗糙点状。其中，平面状电极为表面为光滑平面的电极，由于平面状电极摩擦产生的感应电荷的静电吸附力较小，即产生的静电吸附振膜的吸附力较小，因此在气流的作用下，当第一高分子薄膜230上的振膜与表面设置为平面状的电极220进行摩擦时，可以克服由于摩擦产生的静电力较大而带来的振膜振动不稳定的问题；粗糙点状电极为表面具有一定粗糙度的电极，由于其具有的较大粗糙度表面在摩擦时会产生较多的感应电荷，因此当第一高分子薄膜230上的振膜与表面设置为粗糙点状的电极220进行摩擦时，粗糙点状电极的表面能够增加摩擦阻力，从而增加摩擦生成的感应电荷并增大输出电信号，提高电信号输出的灵敏度。其中，上述粗糙点状电极可以通过在电极220的表面进行打磨或者设置凹凸结构的方式实现，其中，上述凹凸结构可以是半圆形、条纹状、立方体型、四棱锥型、或圆柱形等规则形状或者其他不规则形状的凹凸结构。

另外，上述两种方案中的每一种方案，又可以进一步划分为两种实现方式：在第一种实现方式中，可以仅由电极220作为信号输出端；在第二种实现方式中，可以由电极220与另外的一个输出电极共同构成信号输出端，例如，可以将壳体210设置为金属壳体，从而使壳体210作为气体流量传感器的另一个信号输出端。也就是说，当壳体210为金属壳体时，可以设置壳体210作为另一个输出电极。具体地，壳体210构成气体流量传感器中的一个输出电极，在设置壳体210与第一高分子薄膜230之间的距离时，将上述两者的距离设置在预设距离的范围之内，例如可以将上述两者之间的距离设置在0.01-2.0mm之间，则当第一高分子薄膜230上的振膜在气流的带动下产生上下振动时，上述振膜不仅与电极220的电极表面产生摩擦，还可以进一步与壳体210的内表面产生摩擦，从而在壳体210的内表面上产生相应的感应电荷，则此时的壳体210可作为除电极220之外的另一个信号输出端。在这里，要说明的是，壳体210的材质可以设置为金属，也可以设置为除金属以外的其它具有导电性的材料；或者，壳体210还可以进一步设置为两层结构，即：可以将壳体210内部一层结构设置为金属，然后在上述金属之外再设置一层高分子薄膜材料等等。在这里，只要能够实现将壳体210作为另一个信号输出端，本发明对壳体210的材质以及结构不作限制。

其中，在方案一和方案二的第一种实现方式中，仅设置有一个信号输出端，即电极220作为唯一的信号输出端；而在方案一和方案二的第二种实现方式中，设置有两个信号输出端，分别为电极220以及壳体210。其中，当仅设置一个信号输出端时，即选择电极220作为唯一的信号输出端，电极220与外电路中的接地点共同形成电流回路；当设置两个信号输出端时，即选择电极220以及壳体210作为信号输出端时，由于电极220以及壳体210这两个电极层之间具有电势差而形成电流回路。

另外，在方案二的任一实现方式的基础上，本领域技术人员还可以进一步在第二高分子薄膜和第一高分子薄膜之间增设居间薄膜层或居间电极层，从而进一步增加摩擦界面的数量，提升摩擦效果。总之，本发明对摩擦界面的具体数量和实现方式不做限定，本领域技术人员可以灵活设置摩擦界面的形式，只要能够实现摩擦发电的效果即可。

最后，介绍一下气体流量传感器输出的电信号与其内部的待测气体的流量和流速之间的换算关系：

在获取信号输出端输出的电信号之后，通过对上述电信号中包含的相应数值进行处理来获取被测气体的流速以及流量。其中，上述电信号包括电压值、频率值等相关的电信号参数。经发明人测量发现，被测气体的气体流速越大，振膜的振动频率相应越高，则输出的电压值和频率也越大。并且，发明人进一步从测量的数值中发现，气体流速与电压值V以及频率f之间为正比关系，即气流流速(即：气体流速)与电压值V、气流流速与频率f之间的关系为线性关系，因此，通过获取输出的电压值、频率值以及测量的时间长度便可进一步计算出气体的流速以及流量，从而实现测量气体的流速与流量的目的。其中，上述测量的具体实验数据如表1所示，表1为不同气体流速下测量到的样品输出电信号参数表，项目1和项目2中的具体样品参数不同，因此，在相同气流流速下的测量值也有所不同。由表1可以看出，表1中不同的气流流速与电压值V、气流流速与频率f之间的关系近似呈线性关系。其中，由于测量结果受多个参数的影响，另外，由于实验误差的存在，表1中的数据并没有呈现出严格的线性关系，但是，可以明显看出，无论是在项目1中还是在项目2中，随着气流流速的增大，电压值以及频率值都随之相应地增大。其中，测量样品的一种可选的参数信息如下：样品外壳为金属外壳，直径为6.0mm，振膜与电极的间距(即电极三脚架台阶高度)为1.0mm，振膜厚度为4～6um，振膜为长方形，长度为3.50mm，宽度为1.0mm。

表1

由此可见，本发明提供的气体流量传感器利用摩擦发电原理实现，不仅具有轻便易携的优势，而且制作成本低廉、制作工艺简单，具有实施性强、易组装的特点。同时，在本发明提供的气体流量传感器的工作过程中，通过在第一高分子薄膜上进一步设置振膜，充分利用振膜自由端在气流作用下产生振动进而产生摩擦效果，以及振膜在振动过程中产生的惯性作用增加摩擦发电过程中的摩擦效果，并通过设置多种方式的摩擦发电方案来获取更加准确和有效的感应信号，提升了信号灵敏度，同时也提高了气体流量传感器工作的准确性。

本发明中所提到的各种模块、电路均为由硬件实现的电路，虽然其中某些模块、电路集成了软件，但本发明所要保护的是集成软件对应的功能的硬件电路，而不仅仅是软件本身。

本领域技术人员应该理解，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种气体流量传感器，其特征在于，包括：壳体，设置在所述壳体内部的电极以及第一高分子薄膜，其中，

所述壳体具有相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面上开设有用于供待测气体流入的至少一个进气孔，所述第二端面上开设有用于供待测气体流出的至少一个出气孔；所述电极和所述第一高分子薄膜之间形成气流通道；

所述电极沿所述壳体的中心轴线方向设置，所述第一高分子薄膜为套设在所述电极外部的筒状薄膜，所述第一高分子薄膜的形状和所述电极的形状相匹配，且所述第一高分子薄膜上进一步开设有至少一个振膜；气流通过进气孔，进入所述气流通道带动所述振膜振动；

其中，每个振膜具有与所述第一高分子薄膜连接一体的固定端以及能够在所述待测气体的带动下与所述电极相互摩擦的自由端；所述电极为所述气体流量传感器的信号输出端。

2.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述电极进一步包括：金属电极层以及设置在所述金属电极层外侧的第二高分子薄膜，则每个振膜的自由端能够在所述待测气体的带动下与所述电极中的第二高分子薄膜相互摩擦。

3.根据权利要求1或2所述的气体流量传感器，其特征在于，所述壳体为气体流量传感器的另一个输出电极，且所述壳体和所述电极分别作为所述气体流量传感器的信号输出端。

4.根据权利要求1或2所述的气体流量传感器，其特征在于，所述电极和所述第一高分子薄膜之间形成间隙，使所述振膜的自由端和所述电极接触分离。

5.根据权利要求4所述的气体流量传感器，其特征在于，所述电极与所述第一高分子薄膜之间进一步设置有：至少一个支撑结构，所述支撑结构用于在所述电极和所述第一高分子薄膜之间形成所述间隙。

6.根据权利要求5所述的气体流量传感器，其特征在于，所述电极和所述第一高分子薄膜之间形成0.01-2.0mm的间隙。

7.根据权利要求5所述的气体流量传感器，其特征在于，所述至少一个支撑结构一体化设置在所述电极靠近所述第一高分子薄膜的一侧表面上，或者，所述至少一个支撑结构固定在所述电极靠近所述第一高分子薄膜的一侧表面上。

8.根据权利要求5所述的气体流量传感器，其特征在于，所述支撑结构的数量为多个，且每相邻的两个支撑结构之间相互间隔预设距离；

且所述至少一个振膜的数量为多个，且各个振膜分别设置在每相邻的两个支撑结构之间。

9.根据权利要求8所述的气体流量传感器，其特征在于，所述第一高分子薄膜具有多个侧表面，每个侧表面上分别设置有至少一个振膜。

10.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述电极与所述第一高分子薄膜的极性相反，所述电极易失电子，所述第一高分子薄膜易得电子。

11.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述振膜是从所述第一高分子薄膜上预先切割出的振膜，或者，所述振膜是固定设置在所述第一高分子薄膜上的振膜。

12.根据权利要求11所述的气体流量传感器，其特征在于，所述振膜的形状包括以下中的至少一个：矩形、三角形、多边形以及扇形；

其中，当所述振膜的数量为多个时，多个振膜按照阵列化方式设置。

13.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述壳体的形状包括以下中的至少一个：圆柱状、棱柱状、圆台状、以及棱台状；

所述电极的形状包括以下中的至少一个：圆柱状、棱柱状、圆台状、以及棱台状；

且所述第一高分子薄膜的形状包括以下中的至少一个：中空圆柱状、中空棱柱状、中空圆台状、以及中空棱台状；

其中，当所述壳体以及电极的形状为圆柱状或棱柱状，且所述第一高分子薄膜的形状为中空圆柱状或中空棱柱状时，所述第一高分子薄膜的内径大于所述电极的外径，且所述壳体的内径大于所述第一高分子薄膜的外径；

当所述壳体以及电极的形状为圆台状或棱台状，且所述第一高分子薄膜的形状为中空圆台状或中空棱台状时，所述第一高分子薄膜的上表面的内径大于所述电极的上表面的外径，且所述壳体的上表面的内径大于所述第一高分子薄膜的上表面的外径；所述第一高分子薄膜的下表面的内径大于所述电极的下表面的外径，且所述壳体的下表面的内径大于所述第一高分子薄膜的下表面的外径。