CN109540998B - 基于无线电力传输的气体传感器阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线电力传输的气体传感器阵列及其制备方法，传感器阵列包括转轴、聚合物转子、聚合物定子、接收极、气敏薄膜、进气口、出气口、引线及气体测试腔，本发明的优势在于：供能部分收集到的外界机械能可无线隔空地发送到气敏检测界面以驱动气敏检测，提升了传感器的配置灵活性和个体移动性，此外，本发明提出探测结构完全基于聚合物材料的能量收集—传输机制与方法，无需任何金属电极和线路连接，从而简化了器件结构与集成工艺，进一步提升了能源模块与传感器阵列的兼容性，本发明提出的一种基于无线电力传输的气体传感器阵列制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高、充分利用了自然界的能量。

Description

基于无线电力传输的气体传感器阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种基于无线电力传输的气体传感器阵列及其制备方法。

背景技术

大气污染治理是发展生态城市、建设生态文明的首要方面。挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是导致我国当前区域复合型空气污染的主要物质，更是PM2.5的前体物质。控制VOCs的排放是治理雾霾改善大气环境质量的主要手段。然而，VOCs的监测和管理极具挑战性。首先，VOCs分布广泛且来源普遍。在我国大部分城市，人为排放的VOCs远高于自然源，主要来自固定源燃烧、汽车尾气道路交通、溶剂产品使用和工业生产过程。另外，VOCs的组成复杂且各组分间物理和化学性质差异大。这就给由气体传感器构成的大气环境监测网络提出了新的要求。

因此，开展有毒有害气体的传感器技术研究迫在眉睫。目前，当前研发生产的传感器均以电池或有线电力传输供给能量，需要人员定期的更换电池和维护电网以保证网络的持续运行，这不仅增加了经济成本，而且极大地降低了传感器网络节点的移动性和环境适应性。2)为了检测和辨别混合VOCs气体，往往将气体传感器组成阵列来提高传感器的选择性，这就导致整个节点的能耗非常大，仅依靠电池供电无法满足此类传感器节点长期工作的需求。3)有线电力传输技术难以将能量传递到某些极端环境和危险场所，从而严重限制了物联网节点的构建和布局。无线能量传输技术在增强无线器件与系统的适应性和移动性方面具有显著的推动作用。现有的无线能量传输技术主要包括电磁感应、磁共振和无线电波三种技术模式。但是此类技术通常是通过感应线圈和/或天线实现，并且主要用于较小功率场合，如为手机、MP3等小型电子设备充电，难以直接与传感器网络节点集成。

为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，发明了完全基于聚合物材料的能量收集—传输机制与方法，无需任何金属电极和线路连接，从而简化了器件结构与集成工艺，进一步提升了能源模块与传感器阵列的兼容性，弥补了当前研究的缺陷。

此外，目前的自驱动气体传感器均需要外界能量源直接作用在器件上，即能量收集的空间范围只能局限在传感器位置处，无法收集器件位置之外的环境能量，因此在很大程度上削弱了其应用范围及空间利用率。本发明提出无线能量传输自驱动敏感机理与模型，发明了仅靠外界机械运动就能同时驱动的环境能量收集—无线能量传输—自发主动检测一体化探测系统，且不需要外部供电就能独立工作。供能部分收集到的能量可无线隔空地发送到气敏检测界面，提升了传感器的环境适用性和个体移动性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于无线电力传输的气体传感器阵列及其制备方法，该器件可以仅靠外力同时驱动能量收集和无线能量传输以自供能无线气体检测，实现“环境能量收集-无线能量传输-主动自发探测”一体化功能模块，以满足数量众多、分布广泛、位置灵活的传感器节点长期稳定的能量供给与自驱动环境监控的需求。其中聚合物转子和聚合物定子作为能量收集-传输单元(介质层)，在外界气流或机械运动推动下转动，将外界机械能转化为时变电位移场能量并向外传输。接收极用于无线收集时变电位移场能量并转化成感应电流。在能量转化界面处将化学特异性反应转化成电信号，以实现对气体种类和浓度的实时自发主动检测。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于无线电力传输的气体传感器阵列，包括供能部分和探测部分，

供能部分包括与气体测试腔直径相同的聚合物定子3、绕转轴1转动的平行于聚合物定子3的聚合物转子2，聚合物定子、聚合物转子和气体测试腔关于转轴1同心设置，聚合物定子和聚合物转子位于气体测试腔外部，聚合物转子包括至少一个扇形叶片，扇形叶片靠近圆心的一端与转轴固定，聚合物转子和聚合物定子作为能量收集及传输单元，聚合物转子在外力带动下转动，聚合物定子固定不转动，聚合物转子用于在外力作用下旋转并对外输出时变电位移场能量，聚合物转子的表面有第一聚合物薄膜，聚合物定子的表面设有第二聚合物薄膜；第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜材料为摩擦电极性具有差别的材料；聚合物定子和聚合物转子两者可以分离，因为是无线能量传输，只要两者垂直距离在最大感应距离以内就可以。

探测部分包括圆形的气体测试腔，气体测试腔用于收集、测试气体；气体测试腔内设有至少一根接收极作为气敏单元；接收极结构包括两端的金属电极、中间的亚克力内芯及亚克力内芯外表面包覆的气敏薄膜；接收极两端的金属电极都分别连接引线，引线用于引出信号到电流测试仪器的测试端；引线支撑接收极使其平行于聚合物转子和聚合物定子所在平面，每个接收极表面的气敏薄膜材料不同以检测不同待测气体，接收极呈条状；接收极用于无线收集时变电位移场能量，并将其表面处由于气体吸附产生的化学特异性反应过程调制到输出信号当中，实现待测气体种类和浓度的自驱动检测；气体测试腔两侧设有进气口和出气口，进气口和出气口分别与进气管和出气管连接，用于定量导入和排出待测气体。

传感器阵列的供能部分和探测部分的间距可在最大感应距离内按需调节，从而扩充了能量收集的空间范围与种类，极大地提升了传感器的环境适用性和个体移动性。

作为优选方式，接收极直径范围为30-700微米，长度范围为15mm～50mm。

作为优选方式，所述气敏薄膜材料为对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机材料。

作为优选方式，所述气敏薄膜为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺、壳聚糖以及氧化石墨烯其中两种或三种不同材料所组成的复合膜。

作为优选方式，聚合物转子表面的第一聚合物薄膜选用铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯或聚酰亚胺，薄膜厚度范围为10-50微米。

作为优选方式，聚合物定子表面的第二聚合物薄膜选用尼龙或聚氨酯或氟化镁，厚度范围为10-50微米。

作为优选方式，采用旋涂、喷涂、滴涂、sol-gel、自组装、化学气相沉积其中一种方法将气敏材料沉积在两端镀有金属电极的亚克力内芯表面以形成接收极。。

作为优选方式，多个扇形叶片在聚合物转子所在圆周上沿周向均布，接收极在气体测试腔内部沿周向均布。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于无线电力传输的气体传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将第一聚合物薄膜、第二聚合物薄膜经化学试剂清洗并干燥；

步骤2：将聚合物薄膜作为接触起电层，第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜共同作为摩擦起电材料，在接触过程中产生摩擦电电荷，其中第一聚合物薄膜为得电子能力强的材料，第二聚合物薄膜为得电子能力弱的材料，因此两者接触将在第一聚合物薄膜表面带上负电荷，而第二聚合物薄膜表面带上正电荷；

步骤3：将第一聚合物薄膜进行激光切割成为中心对称的扇叶结构，作为聚合物转子；将第二聚合物薄膜进行激光切割成为圆形图形，作为聚合物定子；

步骤4：采用旋涂、喷涂、滴涂、sol-gel、自组装、化学气相沉积其中一种方法将气敏材料沉积在亚克力内芯表面形成接收极；

步骤5：用激光切割机切割出有机玻璃板，使其拼装成气体测试腔，气体测试腔左右两边分别打孔，作为进气口和出气口，多个接收极在测试腔内部沿周向均匀分布，每根接收极表面固定有不同气敏材料，以形成自驱动气体传感器阵列；

步骤6：通过引线将各接收极两端的金属电极引出到电流测试仪器的测试端口。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：传统的自驱动气体传感器均需要外界能量源直接作用在器件上，即能量收集的空间范围只能局限在传感器位置处，无法收集器件位置之外的环境能量，因此在很大程度上削弱了其应用范围及空间利用率。本发明提出无线能量传输自驱动敏感机理与模型，发明了仅靠外界机械运动就能同时驱动的环境能量收集—无线能量传输—自发主动检测一体化探测系统，且不需要外部供电就能独立工作。供能部分收集到的能量可无线隔空地发送到气敏检测界面，提升了传感器的环境适用性和个体移动性。此外，本发明完全基于聚合物材料的能量收集—传输机制与方法，无需任何金属电极和线路连接，从而简化了器件结构与集成工艺，进一步提升了能源模块与传感器阵列的兼容性

附图说明

图1为本发明的基于无线电力传输的气体传感器阵列结构示意图。

图2为介质层表面极化电荷驱动位移电流示意图。(a)X,Y,Z轴三个方向的电位移场分布；(b)电位移场能量传输。

图3为接收极对称(全轴)情况下无线能量传输机理，其中，(a)为接收极非对称结构；(b)为垂直于X轴剖面电位移场分布；(c)为感应电流。

图4为接收极非对称(半轴)情况下无线能量传输机理，其中，(a)为接收极非对称结构；(b)为垂直于X轴剖面电位移场分布；(c)为感应电流。

图5为接收极结构。

图6为气体敏感机理，其中(a)为器件结构；(b)为真空环境；(c)为干燥空气；(d)为乙醇环境。

其中，1-转子；2-定子；3-气体测试腔；4-接收极；5-进气口；6-出气口；7-引线，8为亚克力板，9为气敏薄膜，10为金属电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示，一种基于无线电力传输的气体传感器阵列，包括供能部分和探测部分：

供能部分包括与气体测试腔直径相同的聚合物定子3、绕转轴1转动的平行于聚合物定子3的聚合物转子2，聚合物定子、聚合物转子和气体测试腔关于转轴1同心设置，聚合物定子和聚合物转子位于气体测试腔外部，聚合物转子包括至少一个扇形叶片，扇形叶片靠近圆心的一端与转轴固定，聚合物转子和聚合物定子作为能量收集及传输单元，聚合物转子在外力带动下转动，聚合物定子固定不转动，聚合物转子用于在外力(如轮轴、车轮转动等)作用下旋转并对外输出时变电位移场能量(位移电流)，聚合物转子的表面有第一聚合物薄膜，聚合物定子的表面设有第二聚合物薄膜；第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜材料为摩擦电极性具有差别的材料；聚合物定子和聚合物转子两者可以分离，因为是无线能量传输，只要两者垂直距离在最大感应距离以内就可以。

探测部分包括圆形的气体测试腔，气体测试腔用于收集、测试气体；气体测试腔内设有至少一根接收极作为气敏单元；接收极结构包括两端的金属电极、中间的亚克力内芯及亚克力内芯外表面包覆的气敏薄膜；接收极两端的金属电极都分别连接引线，引线用于引出信号到电流测试仪器的测试端；引线支撑接收极使其平行于聚合物转子和聚合物定子所在平面，每个接收极表面的气敏薄膜材料不同以检测不同待测气体，接收极呈条状；接收极用于无线收集时变电位移场能量，并将其表面处由于气体吸附产生的化学特异性反应过程调制到输出信号当中，实现待测气体种类和浓度的自驱动检测；气体测试腔两侧设有进气口和出气口，进气口和出气口分别与进气管和出气管连接，用于定量导入和排出待测气体。

由于器件结构以及所形成电位移场的空间对称性，各个接收极收集到的能量是完全相同的，所以可灵活、便捷地设定接收极的数目及其固定的气敏薄膜，以满足混杂气体探测的具体要求。

聚合物转子和聚合物定子置于气体测试腔外，使得叶片旋转运动不会干扰测试腔流场以及气体分子吸/脱附，从而最大程度上保证了气体检测的稳定性。

传感器阵列的供能部分和探测部分的间距可在最大感应距离内按需调节，从而扩充了能量收集的空间范围与种类，极大地提升了传感器的环境适用性和个体移动性。

优选的，接收极直径范围为30-700微米，长度范围为15mm～50mm。

优选的，所述气敏薄膜材料为对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机材料。

优选的，所述气敏薄膜为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺、壳聚糖以及氧化石墨烯其中两种或三种不同材料所组成的复合膜。

优选的，聚合物转子表面的第一聚合物薄膜选用铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯或聚酰亚胺，薄膜厚度范围为10-50微米。

优选的，聚合物定子表面的第二聚合物薄膜选用尼龙或聚氨酯或氟化镁，厚度范围为10-50微米。

优选的，采用旋涂、喷涂、滴涂、sol-gel、自组装、化学气相沉积其中一种方法将气敏材料沉积镀有金属电极的亚克力内芯表面，以形成接收极(气体敏感单元)。

优选的，多个扇形叶片在聚合物转子所在圆周上沿周向均布，接收极在气体测试腔内部沿周向均布。

本实施例还提供一种基于无线电力传输的气体传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将第一聚合物薄膜、第二聚合物薄膜经化学试剂清洗并干燥；

步骤2：将聚合物薄膜作为接触起电层，第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜共同作为摩擦起电材料，在接触过程中产生摩擦电电荷，其中第一聚合物薄膜为得电子能力强的材料，第二聚合物薄膜为得电子能力弱的材料，因此两者接触将在第一聚合物薄膜表面带上负电荷，而第二聚合物薄膜表面带上正电荷；

步骤3：将第一聚合物薄膜进行激光切割成为中心对称的扇叶结构，作为聚合物转子；将第二聚合物薄膜进行激光切割成为圆形图形，作为聚合物定子；

步骤4：采用旋涂、喷涂、滴涂、sol-gel、自组装、化学气相沉积其中一种方法将气敏材料沉积镀有金属电极的亚克力内芯表面，以形成接收极(气体敏感单元)；

步骤5：用激光切割机切割出有机玻璃板，使其拼装成气体测试腔，气体测试腔左右两边分别打孔，作为进气口和出气口，多个接收极在测试腔内部沿周向均匀分布，每根接收极表面固定有不同气敏材料，以形成自驱动气体传感器阵列；

步骤6：通过引线将各接收极两端的金属电极引出到电流测试仪器的测试端口。

该气体传感器的发电原理如图2所示。其中PTFE材料的转子和Nylon材料的定子作为能量收集-传输模块，利用接触起电过程在PTFE和Nylon形成等量异号的极化电荷，并在外力作用(如风能、旋转)下同轴旋转并对外输出空间时变电位移场能量(位移电流)(图2(a))。而于后端的接收极用于无线收集介质层产生的时变电位移场能量，并转化成交变感应电流(图2(b))。图3和图4分别展示了沿Y轴中心对称(全轴)和非对称(半轴)的接收极位置上的电位移场分布情况。从图3(c)和图4(c)可知，在外电场的作用下，接收极中的自由电子定向移动，对外输出交变电流。虽然输出电流大小不同，但半轴结构和全轴结构的输出变化同步且极性一致，所以，为了更好设计接收极阵列形成传感器阵列，本发明中的接收极结构均采用半轴结构。

接收极结构包括亚克力板内芯、气敏薄膜外壳及两端金属电极，如图5所示。该结构的制备方法如下：将气敏薄膜沉积在亚克力板内芯并在两端沉积金属电极。

本发明的气体探测机理如图6所示：以检测乙醇为例，通过极化介质层收集外界机械能并转化成时变电位移场能量，隔空地传递到涂覆有气敏材料的接收极(图6a)，将接收极表面处的化学特异性反应过程调制到输出信号当中，实现对待测气体种类和浓度的自驱动检测。当器件结构处于真空环境下(图6b)，接收极的信号输出将只取决于空间电位移场。在干燥空气中，氧气分子吸附在敏感薄膜表面形成氧离子(图6c)，该过程将吸收接收极上的感应电荷从而减小感应电流。随后，乙醇气体的通入将解吸附敏感薄膜表面化学吸附的氧离子，并释放出电子(图6d)，从而改变接收极感应电流大小。所以，接收极的输出电流将随通入待测气体的浓度变化而改变。因此，可通过检测传感器输出电学参量反推出环境中待测气体的浓度。

由于电位移场的空间对称性，本发明提出的传感器阵列结构设计与制备方法，可在测试腔沿中心对称均匀地布置若干涂覆有不同气敏材料的接收极，以形成自驱动气体传感器阵列。由此，可以根据对应接收极上的电流变化来反推出混杂气氛中相应气体的浓度。需要指出的是，由于器件结构以及所形成电位移场的空间对称性，各个接收极收集到的能量是完全相同的，所以可灵活、便捷地设定接收极的数目，以满足混杂气体探测的具体要求。

相对于传统的自供能气体传感器，本发明将能量收集单元(PTFE转子和Nylon定子)置于气体测试腔外，如图1所示，使得叶片旋转运动不会干扰测试腔流场以及气体分子吸/脱附，从而最大程度上保证了气体检测的稳定性。

本实施例的基于无线电力传输的气体传感器阵列的尺寸大小5cm×5cm×7cm。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：包括供能部分和探测部分，

供能部分包括与气体测试腔直径相同的聚合物定子、绕转轴转动的平行于聚合物定子的聚合物转子，聚合物定子、聚合物转子和气体测试腔关于转轴同心设置，聚合物定子和聚合物转子位于气体测试腔外部，聚合物转子包括至少一个扇形叶片，扇形叶片靠近圆心的一端与转轴固定，聚合物转子和聚合物定子作为能量收集及传输单元，聚合物转子在外力带动下转动，聚合物定子固定不转动，聚合物转子用于在外力作用下旋转并对外输出时变电位移场能量，聚合物转子的表面有第一聚合物薄膜，聚合物定子的表面设有第二聚合物薄膜；第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜材料为摩擦电极性具有差别的材料；

探测部分包括圆形的气体测试腔，气体测试腔用于收集、测试气体；气体测试腔内设有至少一根接收极作为气敏单元；接收极结构包括两端的金属电极、中间的亚克力内芯及亚克力内芯外表面包覆的气敏薄膜；接收极两端的金属电极都分别连接引线，引线用于引出信号到电流测试仪器的测试端；引线支撑接收极使其平行于聚合物转子和聚合物定子所在平面，每个接收极表面的气敏薄膜材料不同以检测不同待测气体，接收极呈条状；接收极用于无线收集时变电位移场能量，并将其表面处由于气体吸附产生的化学特异性反应过程调制到输出信号当中，实现待测气体种类和浓度的自驱动检测；气体测试腔两侧设有进气口和出气口，进气口和出气口分别与进气管和出气管连接，用于定量导入和排出待测气体。

2.根据权利要求1所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：接收极直径范围为30-700微米，长度范围为15mm～50mm。

3.根据权利要求1所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：所述气敏薄膜材料为对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机材料。

4.根据权利要求3所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：所述气敏薄膜为聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺、壳聚糖以及氧化石墨烯其中两种或三种不同材料所组成的复合膜。

5.根据权利要求1所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：聚合物转子表面的第一聚合物薄膜选用铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯或聚酰亚胺，薄膜厚度范围为10-50微米。

6.根据权利要求1所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：聚合物定子表面的第二聚合物薄膜选用尼龙或聚氨酯或氟化镁，厚度范围为10-50微米。

7.根据权利要求1所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：采用旋涂、喷涂、滴涂、sol-gel、自组装、化学气相沉积其中一种方法将气敏材料沉积在两端镀有金属电极的亚克力内芯表面以形成接收极。

8.根据权利要求1所述的基于无线电力传输的气体传感器阵列，其特征在于：多个扇形叶片在聚合物转子所在圆周上沿周向均布，接收极在气体测试腔内部沿周向均布。

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