CN111435124B - 基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，包括：一传感部件，该传感部件为摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机的膜电极为蒸汽智能形变电极，该蒸汽智能形变电极的材料为蒸汽智能形变材料；其中，该蒸汽智能形变材料具有容纳蒸汽的纳米分子通道，该纳米分子通道在不同的蒸汽浓度下吸收或释放蒸汽分子，并且使该蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势发生相应变化。该蒸汽传感器可用于蒸汽和挥发性气体的泄漏和安全监测，具有自供能驱动、结构简单、微型化、绿色清洁的优点，并且可以设置多个蒸汽传感器，在同一场合的不同方位进行检测，实现更高灵敏度和更高精度。

Description

基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器

技术领域

本公开属于蒸汽泄漏传感与检测领域，涉及一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器。

背景技术

气体传感器是一种将某种气体的成分、浓度等相关信息转化成对应电信号或者其他可被人员、计算机、仪器仪表等利用的信息的转换器，目前包括：半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、红外线气体传感器、热导式气体传感器、固体电解质气体传感器等。气体传感器可应用于蒸汽管道泄露、挥发性化学药品、可燃气体诸如：CO、氟利昂、NO₂和CH₄等领域的安全监测，尤其在有毒、有害气体的检测方面具有重要的意义。

随着技术的进步，对气体传感器提出了小型化、微型化和智能化的要求，目前一些传感器结构复杂，利用的检测原理是基于复杂的物理效应，检测过程中需要有外部电源的接入，能耗较高；因此，有必要提出一种绿色清洁、结构简单、微型化的气体传感器，更进一步，能够实现自驱动，不需要外部电源的加载。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，包括：一传感部件，该传感部件为摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机的膜电极为蒸汽智能形变电极，该蒸汽智能形变电极的材料为蒸汽智能形变材料；其中，该蒸汽智能形变材料具有容纳蒸汽的纳米分子通道，该纳米分子通道在不同的蒸汽浓度下吸收或释放蒸汽分子，并且使该蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势发生相应变化。

在本公开的一些实施例中，传感部件与一外部检测电路电性连接，该外部检测电路与该摩擦纳米发电机的蒸汽智能形变电极相连，以电压的形式反映该蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势变化。

在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机的工作模式为单电极模式或者接触分离模式。

在本公开的一些实施例中，膜电极的厚度介于几十微米至几百微米之间。

在本公开的一些实施例中，膜电极的面积介于几平方厘米至几百平方厘米之间。

在本公开的一些实施例中，外部检测电路包含一静电计。

在本公开的一些实施例中，蒸汽智能形变材料为一对湿度或蒸汽变化响应形变的离子导电膜。

在本公开的一些实施例中，离子导电膜的材料为全氟磺酸树脂膜。

在本公开的一些实施例中，利用该蒸汽传感器进行蒸汽监测时，在同一待监测环境下，将多个蒸汽传感器设置于同一待监测环境下的不同方位进行蒸汽监测，通过多个蒸汽传感器同时对同一环境不同方位蒸汽的监测，获得一组具有对比性的输出信号和结果，从而依据该组具有对比性的输出信号和结果判知该环境下蒸汽的变化情况。

在本公开的一些实施例中，蒸汽传感器可用于判别不同挥发性化学试剂的种类。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，具有以下有益效果：

采用离子导电膜一类的蒸汽智能形变材料作为摩擦纳米发电机的电极材料，蒸汽智能形变材料具有蒸汽分子吸收能力，其表面的纳米分子通道可对环境中的蒸汽分子进行自主的吸收和释放：当外界蒸汽浓度相对较高时，进行吸收；当外界蒸汽浓度相对较低时，进行释放。蒸汽智能形变电极吸收和释放蒸汽分子的过程伴随着该电极表面电荷量的变化，对应输出相应的电压变化信号，从而实现蒸汽传感，可用于蒸汽和挥发性气体的泄漏和安全监测，具有自供能驱动、结构简单、微型化、绿色清洁的优点，并且可以设置多个蒸汽传感器单元，在同一场合的不同方位进行检测，实现更高灵敏度和更高精度。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器的结构示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的实现更高灵敏度和精度探测的蒸汽传感器设置结构示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的蒸汽传感器在一定的蒸汽分子浓度范围内，输出电压信号和蒸汽的浓度的关系曲线。

具体实施方式

传统化石能源消耗所带来的温室效应和能源危机对社会可持续发展提出了巨大挑战，在此背景下，对可再生能源的开发和利用成为当前各国科学家的关注和研究重点。在过去的6年里，能有效收集周围环境机械能的摩擦纳米发电机在能源领域得到了广泛的应用。相对于其他新型的可再生能源技术，摩擦纳米发电机具有制造成本低、工艺简单、适用性强以及对低频振动能量高效收集等优点。基于摩擦纳米发电机的能源收集和自驱动传感器件是目前该领域的两大重要研究和应用方向。

在传感检测方面，一系列基于摩擦纳米发电机技术的传感器件和检测系统被开发了出来，其应用涉及到诸如安全监测、工业自动化、智能机器人、可穿戴电子设备等领域。相比于其他工作原理的传感技术，这些基于摩擦起电与静电感应原理的器件具有自供能、无需外部电源驱动即可自行工作和输出信号高的特点。同时，在与材料学科结合的过程中，具有更高环境适应性与多功能化的新型材料自驱动传感器件也被广泛开发并应用，大大提高了传感器件的综合性能。

然而，在基于摩擦纳米发电机的传感技术方面，能够对蒸汽进行有效检测的自驱动器件目前仍然处于空白阶段。

在锂离子电池技术领域，常基于锂离子导电膜的选择透过性实现离子交换。而本公开首次基于离子导电膜表面的纳米分子通道可对环境中的蒸汽分子进行自主的吸收和释放的特性，提出一种利用离子导电膜的小分子吸收能力的蒸汽传感器。

本公开基于离子导电膜具有的小分子/蒸汽分子吸收能力，将离子导电膜作为摩擦纳米发电机的电极材料，利用离子导电膜电极在吸收和释放蒸汽分子过程中伴随的电极表面电荷量的变化，对应输出相应的电压变化信号，从而实现蒸汽传感，可用于蒸汽和挥发性气体的泄漏和安全监测。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开的权利要求书和说明书中，数值参数“几”的含义表示在该“几”后面的量级之内的任意数值，比如“几十微米至几百微米”表示数值范围在十微米至百微米的量级，几的数值可以是从1到9的任意数字，例如可以是10微米、15微米、20微米、90微米或者100微米、130微米、200微米、500微米等。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器。

图1为根据本公开一实施例所示的基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器的结构示意图。

参照图1所示，本公开的基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，包括：

传感部件，该传感部件为摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机的膜电极为蒸汽智能形变电极，其材料为蒸汽智能形变材料，该蒸汽智能形变材料具有容纳蒸汽的纳米分子通道，该纳米分子通道在不同的蒸汽浓度下吸收或释放蒸汽分子，并且使该蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势发生相应变化。

该蒸汽传感器与一外部检测电路电性连接，其中，外部检测电路与该摩擦纳米发电机的蒸汽智能形变电极相连，以电压的形式反映该蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势变化。

在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机的工作模式可以为单电极模式，也可以为接触分离模式，从成本、制造复杂程度等方面考虑优选单电极工作模式。

在本公开的一些实施例中，蒸汽智能形变材料为一对湿度或蒸汽变化响应形变的离子导电膜，该离子导电膜为高分子材料，具有容纳蒸汽的纳米分子通道，该纳米分子通道在不同的蒸汽浓度下快速吸收或释放蒸汽分子，同时膜表面聚集蒸汽分子量的变化可引起膜表面电势的变化，离子导电膜的材料例如为：全氟磺酸树脂膜。

在本公开的一些实施例中，膜电极的厚度可在几十微米至几百微米，其尺寸大小和形状可根据具体的应用场景和需要调整，在几平方厘米至几百平方厘米皆可。

参照图1所示，图1中的立体结构表示蒸汽传感器的整体结构，其中摩擦纳米发电机并未绘示具体细节，可以为单电极或接触分离模式摩擦纳米发电机，其电极进行了突出显示，图1中的圈表示蒸汽分子。根据实际需要和应用场景，可以对本实施例所示的器件(传感部件或者蒸汽传感器的其它未说明的部分)的具体的结构和组成进行调整，或增加其他的辅助部件等，比如说，在器件中增加封装层，以提高器件使用寿命或稳定性；在器件中增加电学镀层或者其他材料辅助层，以提高电学、力学或者其他方面的性能。

本实施例中，参照图1所示，外部检测电路为一静电计，与该摩擦纳米发电机的电极采用导线相连，以电压的形式反映摩擦纳米发电机的蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势变化。

本实施例中，采用全氟磺酸树脂膜作为摩擦发电机的蒸汽智能形变电极的材料，用于实现蒸汽传感，具有较好的传感性能，本公开的蒸汽传感器实现自供能驱动，具有结构简单、微型化、绿色清洁的优点。

下面结合本实施例来说明该基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器的原理：在环境中的蒸汽氛围发生变化时，具有蒸汽分子吸收能力的离子导电膜电极通过膜表面的纳米分子通道可对蒸汽分子进行吸收和释放。外界蒸汽浓度较高时，进行吸收；外界蒸汽浓度相对低时，可将吸收的蒸汽分子释放出来。由于蒸汽分子自身所携带的摩擦电荷，离子导电膜电极对蒸汽分子的吸收和释放引起膜上蒸汽分子量的变化，从而会导致膜表面的电荷总量发生变化。电极膜表面累积分子电荷的变化宏观表现为电极膜表面的摩擦电势的相应变化，进而对应输出相应的电压变化值。

图2为根据本公开一实施例所示的实现更高灵敏度和精度探测的蒸汽传感器设置结构示意图。

为了进一步提高该基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器的监测灵敏度和精度，参照图2所示，在同一待监测环境/场合下，适当增加蒸汽传感器和相应静电计的数量，将多个蒸汽传感器设置于同一待监测环境/场合下的不同方位进行蒸汽监测，通过几个蒸汽传感器同时对同一环境/场合不同方位蒸汽的监测，获得一组具有对比性的输出信号和结果，从而可以依据该组具有对比性的输出信号和结果更明确地判知该环境/场合下蒸汽的变化情况。

图3为根据本公开一实施例所示的蒸汽传感器在一定的蒸汽分子浓度范围内，输出的电压信号和蒸汽的浓度的关系曲线。

参照图3所示，对本实施例中的基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器进行蒸汽监测实验测量，在一定的蒸汽分子浓度范围内，测量的输出电压信号和蒸汽的浓度呈现出规律的线性关系，进而根据输出电压信号的变化可表征周围环境中的蒸汽分子浓度。

另外，利用该蒸汽传感器测试不同化学试剂的蒸汽，所产生的信号变化特征也存在区别，对应每个不同试剂存在其相应的输出信号变化曲线，那么可以在同一蒸汽量下，根据不同的输出信号变化曲线，对不同挥发性化学试剂的种类也可以加以判别。

综上所述，本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，采用离子导电膜一类的蒸汽智能形变材料作为摩擦纳米发电机的电极材料，蒸汽智能形变材料具有蒸汽分子吸收能力，其表面的纳米分子通道可对环境中的蒸汽分子进行自主的吸收和释放：当外界蒸汽浓度相对较高时，进行吸收；当外界蒸汽浓度相对较低时，进行释放。蒸汽智能形变电极吸收和释放蒸汽分子的过程伴随着该电极表面电荷量的变化，对应输出相应的电压变化信号，从而实现蒸汽传感，可用于蒸汽和挥发性气体的泄漏和安全监测，具有自供能驱动、结构简单、微型化、绿色清洁的优点，并且可以设置多个蒸汽传感器单元，在同一场合的不同方位进行检测，实现更高灵敏度和更高精度。

需要说明的是，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

并且，为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明如下所公开的内容据以调整，于此先进行声明。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于摩擦纳米发电机的蒸汽传感器，其特征在于，包括：

一传感部件，该传感部件为摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机的膜电极为蒸汽智能形变电极，该蒸汽智能形变电极的材料为蒸汽智能形变材料，所述蒸汽智能形变材料为一对蒸汽变化响应形变的离子导电膜，所述离子导电膜为全氟磺酸树脂膜；

其中，所述离子导电膜具有容纳蒸汽的纳米分子通道，该纳米分子通道在不同的蒸汽浓度下吸收或释放蒸汽分子，由于蒸汽分子自身所携带的摩擦电荷，离子导电膜对蒸汽分子的吸收和释放引起膜上蒸汽分子量的变化，从而会导致膜表面的电荷总量发生变化，膜表面累积分子电荷的变化宏观表现为蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势的相应变化，进而对应输出相应的电压变化值；

所述传感部件与一外部检测电路电性连接，该外部检测电路与该摩擦纳米发电机的蒸汽智能形变电极相连，以电压的形式反映该蒸汽智能形变电极表面的摩擦电势变化。

2.根据权利要求1所述的蒸汽传感器，其中，所述摩擦纳米发电机的工作模式为单电极模式或者接触分离模式。

3.根据权利要求1所述的蒸汽传感器，其中，所述膜电极的厚度介于几十微米至几百微米之间。

4.根据权利要求1所述的蒸汽传感器，其中，所述膜电极的面积介于几平方厘米至几百平方厘米之间。

5.根据权利要求1所述的蒸汽传感器，其中，所述外部检测电路包含一静电计。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的蒸汽传感器，其中，利用该蒸汽传感器进行蒸汽监测时，在同一待监测环境下，将多个蒸汽传感器设置于同一待监测环境下的不同方位进行蒸汽监测，通过多个蒸汽传感器同时对同一环境不同方位蒸汽的监测，获得一组具有对比性的输出信号和结果，从而依据该组具有对比性的输出信号和结果判知该环境下蒸汽的变化情况。

7.根据权利要求1所述的蒸汽传感器，其中，所述蒸汽传感器可用于判别不同挥发性化学试剂的种类。