CN111208170B - 一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，是以摩擦纳米发电机为基础，该无源氨气传感器由带传感膜的发电模块和外部测试电路组成，通过测量发电模块的开路电压或短路电流对氨气进行传感。所述带传感膜的发电模块由传感膜、支撑PET层和电极组成，传感膜与支撑PET层通过简单的胶带固定，形成固定的拱形结构；支撑PET层与传感膜上镀有铝电极，电极上表层有引线与外部测试电路相连。本传感器工作时，通过测量发电模块的开路电压或短路电流对氨气进行传感，氨气存在时传感器的开路电压和短路电流会降低。本发明实现了自供电的氨气定性定量检测，可以实现长时间无外加电源的氨气检测与预警，对于本技术领域具有重要的实践和研究价值。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，具体地涉及一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器。
背景技术
随着人们生活质量的提高，对工业生产以及生活条件的要求越来越高，人们对气体传感器的需求也越来越大。气体传感器的研发，尤其是有毒有害气体传感器的研究更是得到迅猛发展。氨气是一种工业应用广泛的有毒气体，无色，有刺激性恶臭味，它对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，严重时会危及生命。目前检测氨气的气敏传感器已被广泛运用于市政、消防、燃气、电信、石油、化工、煤炭、电力、制药、冶金、焦化、储运等行业。因此实现对氨气的实时定性定量传感与检测有着极为重要的意义。2006年，王中林教授课题组依据ZnO半导体纳米材料的压电将性成功的研制出了一种能够直接将环境中的微弱机械能转化为电能的纳米发电机，从而实现了无需外接电源就可为微纳器件提供电能的全新发电模式。经过不断的探索，各国科学家己经研制出了基于材料压电、热电、摩擦电等特性的多种纳米发电机，并且己经成为了纳米器件和纳米系统的有效能量源。该发电量可以应用于很多领域，如可穿戴电子设备、移动设施充电、大能源设想、还有我们最关心的无源传感。目前无源传感器主要是以纳米发电机作为电源，驱动一个电学传感系统，而后检测对应传感信号，但整个传感系统需要储电模块、整流电路、电学传感器等辅助设施，制备复杂，且整体体积较大，不适合便携式应用。
而本发明则直接将制备简单、价格低廉的摩擦纳米发电机应用于自供电传感器，检测其发电信号的变化。摩擦纳米发电机内主要组成部分带负电的聚合物薄膜直接作为传感膜，氨气通过时，其表层电子分布会发生变化，进而引起发电信号的改变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，该方法灵敏度高，且无需外接电源，对长时间监测室内外气体环境有极为重要的意义。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，该无源氨气传感器由带传感膜的发电模块和外部测试电路组成，通过测量发电模块的开路电压或短路电流对氨气进行传感。
所述带传感膜的发电模块由传感膜(3)、支撑PET层(1)和PET表层铝电极(2)、传感膜表层铝电极(4)组成，所述传感膜与支撑PET层通过简单的胶带固定，形成固定的拱形结构；支撑PET层与传感膜上镀有铝电极，电极上表层有引线与外部测试电路相连，外部电路由外部负载电阻(5)与测试源表(6)组成。
所述的传感膜为聚合物传感膜，聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷三种可吸附负电荷的聚合物。膜材料为疏松多孔结构，比表面积大，增强传感器的灵敏度。
所述的外部测试电路是通过测量发电模块发电时的开路电压和短路电流对氨气进行传感，在通入氨气时，传感器的开路电压和短路电流会降低。
传感器的工作温度在15-60℃范围内，工作环境的相对湿度范围为10-80％。
本发明一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，所述的发电模块按照以下步骤制备而成：
以多孔聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷三种可吸附电子且其表层电荷分布对氨气有一定响应的材料作为发电模块的储电层，在其表层镀上铝电极；通过电晕充电使未镀铝一面带上负电荷；以PET(聚对苯二甲酸乙二酯)为支撑层，表层镀铝电极，将两层通过卡普顿胶带组装起来，制备了一种发电模块。
本发明一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，检测氨气的方法如下：
将发电模块与外部测试电路相接，通过源表监测发电模块的开路电压与短路电流。将发电模块放入气体试验箱内，向内通入一定浓度的氨气，测试开路电压与短路电流的变化。
传感膜的厚度为25μm～1mm。
本发明具有如下优点:
1、本发明传感器无需外接电源，可以实现长时间无外加电源的氨气检测与预警，对于本技术领域具有重要的实践和研究价值。
2、提供一种可以实时定性定量检测氨气的无源传感器，灵敏度高，稳定性好。
3、本传感器操作方便，前期制作简单，价格低廉，适合广泛使用。
附图说明
图1是传感器结构示意图。
其中：1为支撑PET层，2为PET表层铝电极，3为传感膜，4为传感膜表层铝电极，5为外部负载电阻，6为源表，1-4为组成发电模块；5-6构成外部测试电路。
图2是发电模块在5h内的发电信号。
图3是传感器对氨气的动态响应曲线。
图4是传感器对氨气的响应灵敏度随气体浓度变化曲线。
图5是传感器在室温下对多种干扰气体的感应信号的对比图。
具体实施方式
实施例1
一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，该无源氨气传感器由带传感膜的发电模块和外部测试电路组成，通过测量发电模块的开路电压或短路电流对氨气进行传感。
所述带传感膜的发电模块由传感膜3、支撑PET层1和PET表层铝电极2、传感膜表层铝电极4组成，所述传感膜与支撑PET层通过简单的胶带固定，形成固定的拱形结构；支撑PET层与传感膜上镀有铝电极，电极上表层有引线与外部测试电路相连，外部电路由外部负载电阻5与测试源表6组成。
发电模块的制备，包括以下步骤：
我们以3cm×3cm×50μm的多孔聚偏氟乙烯作为发电模块的储电层及传感膜，在其表层镀上铝电极；电晕充电30min使未镀铝一面带上负电荷；以3cm×3.2cm的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)为支撑层，表层镀铝电极，通过卡普顿胶带将两层边缘部分粘合起来，使其形成自然拱型结构，如图1所示，即形成了一种发电模块。该发电模块发电信号极为稳定，在5h内，其电流信号基本无变化，如图2所示。在后续气体实验中，使用同一个发电模块在不同时间进行检测，得到的数据也是可靠的。
实施例2.
氨气的传感：
将发电模块与外部测试电路相连，以源表对发电模块的开路电压和短路电流进行检测，测量传感器在空气和在以空气为背景的不同浓度的氨气氛围下开路电压和短路电流的变化，作为传感器的信号。
所述氨气传感器在室温下对不同浓度氨气的动态响应曲线见图3。可以看出，传感器对于不同浓度的氨气均具有快速响应，响应时间均小于1s，响应与恢复时间极为迅速。
所述氨气传感器在室温下对不同浓度氨气的响应灵敏度曲线见图4。可以看出，该传感器在室温下对低浓度氨气具有较高的响应灵敏度，对于200ppm氨气达到1.69，且对氨气具有很好的线性响应。
制备的氨气传感器在室温下对氨气及多种干扰气体的感应信号的对比见图5。可以看出，所开发的传感器在室温下表现出良好的氨气感应性能及对的选择性能。
实施例3
如实施例1、2所述的制备与检测方法，其中，以3cm×3cm×25μm的多孔聚偏四氟乙烯作为发电模块的储电层及传感膜，室温下，相对湿度35％时，对200ppm氨气，响应值达到2.38。
实施例4
实施例1、2所述的制备与检测方法，其中，以3cm×3cm×200μm的多孔聚二甲基硅氧烷作为发电模块的储电层及传感膜30℃下，相对湿度40％时，对于200ppm氨气响应灵敏度为1.41。
Claims (4)
1.一种基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，其特征在于：该无源氨气传感器由带传感膜的发电模块和外部测试电路组成，通过测量发电模块的开路电压或短路电流对氨气进行传感；所述的传感膜为聚合物传感膜，所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷这三种可吸附负电荷的聚合物。
2.根据权利要求1所述的基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，其特征在于：所述带传感膜的发电模块由传感膜(3)、支撑PET层(1)和PET表层铝电极(2)、传感膜表层铝电极(4)组成，所述传感膜与支撑PET层通过简单的胶带固定，形成固定的拱形结构；支撑PET层与传感膜上镀有铝电极，电极上表层有引线与外部测试电路相连，外部电路由外部负载电阻(5)与测试源表(6)组成。
3.根据权利要求1所述的基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，其特征在于：所述的外部测试电路是通过测量发电模块发电时的开路电压和短路电流对氨气进行传感，在通入氨气时，传感器的开路电压和短路电流会降低。
4.根据权利要求1所述的基于吸电子聚合物膜的无源氨气传感器，其特征在于：所述传感器的工作温度在15-60℃范围内，工作环境的相对湿度范围为10-80％。
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