本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非對稱靜電屏蔽效應(yīng)的自供能氣體傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

氣體傳感器被廣泛用于軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)(特別是紡織、電子、食品)、醫(yī)療、建筑以及家用電器等諸多領(lǐng)域，因此，氣體傳感器在人們的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮中重要的作用。目前，由于大部分氣體傳感器是通過電池供給能量，故而需要維護人員定期地更換電池和維護以保證設(shè)備與系統(tǒng)的持續(xù)運行，然而這樣對于布設(shè)在危險地帶和極端環(huán)境中的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而言，不僅會增加運行成本而且會威脅維護人員的生命安全。另一方面，半導體氣體傳感器所用敏感材料的氣敏特性大多與溫度有關(guān)，而傳統(tǒng)氣體傳感器的加熱單元功耗較大，并且為了實現(xiàn)有效檢測和辨別混合氣體，往往將氣體傳感器組成陣列來提高傳感器的選擇性，這樣就會導致整個節(jié)點的功耗非常大，僅僅依靠電池供電無法長期滿足此類傳感器節(jié)點的工作需求。為了解決傳統(tǒng)氣體傳感器壽命短、功耗高，需要外部電源供電等問題，有必要將自供能技術(shù)引進氣體傳感器的研究。通過自供能技術(shù)將周圍環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能實現(xiàn)自供能是解決無線傳感節(jié)點供電的一種理想方案?，F(xiàn)有技術(shù)中常用的自供能氣體傳感器主要是基于壓電效應(yīng)或者光伏效應(yīng)，然而，上述器件存在輸出小、制備復雜、成本高、難以大規(guī)模集成等不足，因此，亟需一種能夠克服上述缺陷的自供能氣體傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于非對稱靜電屏蔽效應(yīng)的自供能氣體傳感器及其制備方法，本發(fā)明中摩擦轉(zhuǎn)子在向測試腔通入待測氣體時捕獲氣流動能，摩擦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動與雙電級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生接觸-分離式循環(huán)，進而形成旋轉(zhuǎn)-隔空式納米摩擦發(fā)電機，而雙電級結(jié)構(gòu)表面氣敏薄膜吸附待測氣體產(chǎn)生正電荷形成非對稱靜電屏蔽效應(yīng)，通過不同濃度待測氣體產(chǎn)生的靜電屏蔽能力不同實時測得待測氣體濃度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種基于非對稱靜電屏蔽效應(yīng)的自供能氣體傳感器，包括：測試腔以及設(shè)于測試腔上的進氣口和出氣口，其特征在于，測試腔的內(nèi)部還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葉扇形結(jié)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)子；所述摩擦轉(zhuǎn)子的多個扇形葉片的形狀、尺寸均相近；

第二部件包括單面沉積有氣敏薄膜的金屬圓盤，金屬圓盤上具有閉合環(huán)形縫隙將其分隔形成兩個相互獨立的環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極，其中，環(huán)內(nèi)電極的形狀、尺寸均與摩擦轉(zhuǎn)子的形狀、尺寸相同；

第一部件靠近測試腔上進氣口處設(shè)置，第一部件和第二部件通過絕緣部件固定使得摩擦轉(zhuǎn)子和環(huán)內(nèi)電極的氣敏薄膜面對面設(shè)置且相互隔離；在氣流作用下，摩擦轉(zhuǎn)子的扇形葉片與金屬圓盤形成靠近-分離循環(huán)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并且通過環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極向檢測電路輸出氣敏信號。

優(yōu)選地，本發(fā)明中摩擦轉(zhuǎn)子的扇形葉片的個數(shù)為4～12。

優(yōu)選地，本發(fā)明中環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極的材料均為鋁，鎳，銅，銀或者金。

為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明中在摩擦轉(zhuǎn)子每一個扇形葉片背離氣敏薄膜的表面或者側(cè)面還設(shè)置有受力風筒或者其余有助于使扇葉轉(zhuǎn)動的部件。

進一步地，本發(fā)明中環(huán)內(nèi)電極與環(huán)外電極之間的縫隙寬度為500～1000μm。

進一步地，本發(fā)明中氣敏薄膜的材料為聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺、聚酰亞胺及zno、sno2、氧化石墨烯等半導體氧化物中任意一種或者任意兩種、多種形成的復合材料。

進一步地，本發(fā)明中氣敏薄膜的制備可以采用任何合適的方法，根據(jù)本發(fā)明實施例，采用原位聚合自組裝法制備氣敏薄膜。

進一步地，本發(fā)明中聚合物摩擦薄膜的材料為摩擦負極性材料，具體為尼龍、鐵氟龍、聚氟乙烯、聚氟乙烯或者聚酰亞胺中任意一種。

進一步地，本發(fā)明中聚合物摩擦薄膜的厚度為10～50μm。

根據(jù)本發(fā)明實施例，本發(fā)明中固定第一部件和第二部件的絕緣部件具體為絕緣軸承和與絕緣軸承匹配設(shè)置的絕緣轉(zhuǎn)軸，通過在測試腔進氣口和出氣口所在的兩個側(cè)面穿孔安裝絕緣軸承，絕緣轉(zhuǎn)軸的外徑為軸承內(nèi)徑。

進一步地，第一部件和第二部件相對面之間垂直距離在1mm以內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明實施例，本發(fā)明中金屬圓盤具體采用表面鍍制有電極材料層的圓形玻璃基板，電極材料層的制備可以采用任何合適的方法，玻璃基板的厚度范圍30～300μm，電極材料層的厚度為100～200nm。

另一方面，本發(fā)明提供一種基于非對稱靜電屏蔽效應(yīng)的自供能氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟a：制備第一部件；將聚合物摩擦薄膜切割為多葉扇形結(jié)構(gòu)；

步驟b：制備第二部件；在潔凈干燥的圓形基底上沉積電極材料得到金屬圓盤，在金屬圓盤的中間位置切割形成閉合環(huán)形縫隙，得到互不導通的環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極，并且環(huán)內(nèi)電極的形狀、尺寸均與步驟a制得摩擦轉(zhuǎn)子的形狀、尺寸相同；然后在金屬圓盤單面的電極上沉積氣敏薄膜；

步驟c：將步驟a制得的第一部件和步驟b制得的第二部件置于設(shè)有進氣口和出氣口的測試腔的內(nèi)部，其中，第一部件靠近測試腔上進氣口設(shè)置，通過絕緣部件固定第一部件和第二部件使得摩擦轉(zhuǎn)子和環(huán)內(nèi)電極的氣敏薄膜面對面設(shè)置且相互隔離；將環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極分別與檢測電路連接以輸出氣敏信號。

優(yōu)選地，本發(fā)明中摩擦轉(zhuǎn)子的扇形片的個數(shù)為4～12。

優(yōu)選地，本發(fā)明中環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極的材料均為鋁，鎳，銅，銀或者金。

為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明中在所述摩擦轉(zhuǎn)子每一個扇形片背離氣敏薄膜的表面或者側(cè)面還具有受力風筒或者其余有助于使扇葉轉(zhuǎn)動的部件。

進一步地，本發(fā)明中環(huán)內(nèi)電極與環(huán)外電極之間的縫隙寬度為500～1000μm。

進一步地，本發(fā)明中氣敏薄膜的材料為聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺、聚酰亞胺及zno、sno2、氧化石墨烯等半導體氧化物中任意一種或者任意兩種、多種形成的復合材料。

進一步地，本發(fā)明中氣敏薄膜的制備可以采用任何合適的方法，根據(jù)本發(fā)明實施例，采用原位聚合自組裝法制備氣敏薄膜。

進一步地，本發(fā)明中聚合物摩擦薄膜的材料為摩擦負極性材料，具體為尼龍、鐵氟龍、聚氟乙烯、聚氟乙烯或者聚酰亞胺中任意一種。

進一步地，本發(fā)明中聚合物摩擦薄膜的厚度為10～50μm。

根據(jù)本發(fā)明實施例，本發(fā)明中固定第一部件和第二部件的絕緣部件具體為絕緣軸承和與絕緣軸承匹配設(shè)置的絕緣轉(zhuǎn)軸，通過在測試腔進氣口和出氣口所在的兩個側(cè)面穿孔安裝絕緣軸承，絕緣轉(zhuǎn)軸的外徑為軸承內(nèi)徑。

進一步地，第一部件和第二部件相向面之間的垂直距離在1mm以內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明實施例，本發(fā)明中金屬圓盤具體采用表面鍍制有電極材料層的圓形玻璃基板，電極材料層的制備可以采用任何合適的方法，玻璃基板的厚度范圍30～300μm，電極材料層的厚度為100～200nm。

本發(fā)明的原理闡述如下：

本發(fā)明通過的自供能氣體傳感器在氣流作用下使得摩擦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動與面對面隔離設(shè)置的氣敏薄膜產(chǎn)生接觸-分離式循環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，同時氣敏薄膜吸附待測氣體分子在環(huán)內(nèi)電極和環(huán)外電極上均產(chǎn)生正電荷形成非對稱靜電屏蔽效應(yīng)，不同濃度的待測氣體的非對稱靜電屏蔽能力存在差異，因此導致器件的輸出電壓信號發(fā)生變化，通過外部檢測電路獲取器件的輸出電信號即可反推得到待測氣體的濃度。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)存在以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種自供能氣體傳感器，相比現(xiàn)有氣體傳感器，本發(fā)明不需要外部供電系統(tǒng)，通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)形成旋轉(zhuǎn)-隔空式納米摩擦發(fā)電機，通過利用向測試腔通入待測氣體時氣體流動的動能驅(qū)動氣體傳感器工作，耦合摩擦發(fā)電作用和非對稱靜電屏蔽作用實現(xiàn)了自發(fā)、實時監(jiān)測待測氣體的濃度；本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器輸出性能穩(wěn)定，進而降低由于器件本身輸出不穩(wěn)定造成的測量誤差，另外，本發(fā)明氣體傳感器結(jié)構(gòu)新穎、成本低廉且制備工藝簡單，有利于實現(xiàn)商業(yè)化，為自供能氣體傳感器的研究提供了新的發(fā)展方向。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器的制備工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器的摩擦發(fā)電原理示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器的氣敏機理示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器在通入干燥空氣時的輸出開路電壓圖；

圖6為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器在通入干燥空氣時的短路電流圖；

圖7為本發(fā)明提供的自供能氣體傳感器在通入不同濃度氨氣時的輸出電流變化圖；

圖中：1為環(huán)內(nèi)電極，2為環(huán)外電極，3為氣敏薄膜，4為摩擦轉(zhuǎn)子，5為進氣口，6為出氣口，7為轉(zhuǎn)軸，8為測試腔。

具體實施方式

以下通過實施例并結(jié)合說明書附圖詳細闡述本發(fā)明的技術(shù)方案，同時對本發(fā)明的原理和特性做進一步的說明。本實施例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于非對稱靜電屏蔽效應(yīng)的自供能氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟a：制備摩擦轉(zhuǎn)子4；采用激光切割機將鐵氟龍薄膜切割形成直徑為5cm的四葉扇形結(jié)構(gòu)作為摩擦薄膜，根據(jù)本領(lǐng)域公知常識可知：作為摩擦轉(zhuǎn)子4的材料可以為任何合適的材料，本實施例只是給出一種優(yōu)選材料；為了更好地驅(qū)動扇形葉片轉(zhuǎn)動，本實施例在每個扇形葉側(cè)面粘附一個質(zhì)地輕薄的受力風筒，根據(jù)本領(lǐng)域公知常識可知：有助于扇形葉片轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)不僅局限于上述結(jié)構(gòu)，可以是任何合適的結(jié)構(gòu)；

步驟b：制備氣敏雙電級；選擇一個厚度為3mm的有機玻璃基板經(jīng)過清洗、干燥處理，通過激光切割機將其切割成直徑為6cm圓形基片；在上述圓形基片表面蒸鍍一層電極材料得到金屬圓盤，本實施例中電極材料選擇金，根據(jù)本領(lǐng)域公知常識可知，電極材料可以為任何合適的材料，本實施例只給出了其中一種；然后在金屬圓盤的中間位置切割形成閉合環(huán)形縫隙，得到互不導通的環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2，并且環(huán)內(nèi)電極1的形狀、尺寸均與步驟a制得摩擦轉(zhuǎn)子4的形狀、尺寸相同；再通過原位聚合自組裝法在金屬圓盤的電極上生長一層氣敏薄膜3，本實施例中氣敏薄膜3選用對氨氣敏感的聚苯胺薄膜，氨氣與聚苯胺薄膜發(fā)生反應(yīng)將在聚苯胺薄膜表面生成一層帶正電的離子，而這一層帶正電的離子將對電極有電荷屏蔽效應(yīng)；

步驟c：本實施例采用有機玻璃板制作測試腔8，本實施例對測試腔不做限定，在保證絕緣的前提下可以根據(jù)實際情況合理選擇；在測試腔8的兩個相對面設(shè)置有進氣口5和出氣口6，進一步地，為固定摩擦轉(zhuǎn)子4和金屬圓盤，本實施例采用如下絕緣固件：在進氣口5和出氣口6所在兩個相對面的對應(yīng)位置分別打孔，在兩孔上分別安裝軸承，將轉(zhuǎn)軸7固定在兩軸承之間，本實施例中轉(zhuǎn)軸選用絕緣尼龍螺紋桿，為保證軸承與轉(zhuǎn)軸匹配，應(yīng)使得軸承內(nèi)徑為轉(zhuǎn)軸外徑；然后將步驟a制得的摩擦轉(zhuǎn)子4和步驟b制得的金屬圓盤固定于所述轉(zhuǎn)軸7上，使得摩擦轉(zhuǎn)子4與環(huán)內(nèi)電極1的氣敏薄膜3面對面設(shè)置且相互隔離，優(yōu)選地，應(yīng)控制金屬圓盤與摩擦轉(zhuǎn)子4的垂直距離在1mm內(nèi)，其中，摩擦轉(zhuǎn)子4位于測試腔8的進氣口5處；將環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2分別與檢測電路連接以輸出氣敏信號。

如圖2所示，本發(fā)明提供一種基于非對稱靜電屏蔽效應(yīng)的自供能氣體傳感器，包括：測試腔8及設(shè)于測試腔8上的進氣口5和出氣口6，測試腔8的內(nèi)部還設(shè)置有摩擦轉(zhuǎn)子4和金屬圓盤；

其中：摩擦轉(zhuǎn)子4是將聚合物摩擦薄膜切割形成對稱的四葉扇形結(jié)構(gòu)，本實施例中聚合物薄膜的材料優(yōu)選為鐵氟龍薄膜材料(ptfe)，并且摩擦轉(zhuǎn)子4的四個扇形葉片的形狀、尺寸均相近；本實施例中金屬圓盤采用在圓形有機玻璃基板表面鍍制電極材料，具體地，電極材料為金，金屬圓盤上具有閉合環(huán)形縫隙將其分隔形成相互獨立的環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2，環(huán)內(nèi)電極1的形狀、尺寸與摩擦轉(zhuǎn)子4的形狀、尺寸均相同，并且在金屬圓盤的電極上沉積有氣敏薄膜3；

在測試腔8上進氣口5和出氣口6所在兩個側(cè)面分別穿設(shè)有過孔以安裝軸承，兩軸承之間安裝有轉(zhuǎn)軸7，摩擦轉(zhuǎn)子4靠近進氣口5固定，使得進氣管道正對風筒的受力面，可通過調(diào)節(jié)氣管直徑來改變氣流量，其中，摩擦轉(zhuǎn)子4可與轉(zhuǎn)軸7一起自由轉(zhuǎn)動，且可以通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸7調(diào)節(jié)四個扇形葉片與電極的間距，作為優(yōu)選實施例，四個扇形葉片與電極的間距在1mm以內(nèi)較佳；金屬圓盤也固定在轉(zhuǎn)軸7上，使得氣敏薄膜3與摩擦轉(zhuǎn)子4面對面設(shè)置且相互隔離，金屬圓盤中心開孔嵌入軸承使其不隨轉(zhuǎn)軸7一起自由轉(zhuǎn)動。

結(jié)合圖3提供的示意圖：在氣流作用下，隨著摩擦轉(zhuǎn)子4的扇形葉片轉(zhuǎn)動，四個采用聚合物摩擦薄膜制成的扇形葉片與環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2均形成隔空式靠近-分離循環(huán)，由于環(huán)內(nèi)電極1與鐵氟龍薄膜之間的摩擦電極序相差比較大，因此，兩者靠近時鐵氟龍薄膜將從環(huán)內(nèi)電極1上得到電子，從而使得相靠近的兩個表面帶有等量異號的電荷，此時，環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2之間會產(chǎn)生電勢差，將環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2之間接入負載，電子會從環(huán)內(nèi)電極1通過負載轉(zhuǎn)移至環(huán)外電極以平衡金屬圓盤與鐵氟龍薄膜之間的電勢差(即摩擦電荷)；隨著摩擦轉(zhuǎn)子4轉(zhuǎn)動，扇形葉片逐漸遠離環(huán)內(nèi)電極1而靠近環(huán)外電極2，基于靜電感應(yīng)作用下，環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2上產(chǎn)生感應(yīng)正電荷，此時，環(huán)內(nèi)電極1流向電子數(shù)目減少，環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2之間電勢差降低；當鐵氟龍薄膜轉(zhuǎn)動至環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2之間縫隙的中心位置時，環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2所帶的摩擦電荷等量同號，此時沒有向外輸出電流；隨著摩擦轉(zhuǎn)子4繼續(xù)轉(zhuǎn)動，扇形葉片繼續(xù)遠離環(huán)內(nèi)電極1而靠近環(huán)外電極2，環(huán)內(nèi)電極1上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷逐漸減小，而環(huán)外電極2上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷逐漸增大，當扇形葉片完全與環(huán)外電極2重合時，環(huán)外電極2向環(huán)內(nèi)電極1轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目達到最大，環(huán)外電極2和環(huán)內(nèi)電極1之間的電勢差也相應(yīng)達到最大。隨著摩擦轉(zhuǎn)子4的扇形葉片不停旋轉(zhuǎn)，會不斷與環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2重復上述電子轉(zhuǎn)移過程，進而通過環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2兩端不斷輸出交變電流。

結(jié)合圖4提供的示意圖：如圖4(a)所示，向測試腔通入干燥空氣時，發(fā)電機的輸出電信號相對較大，并且輸出電壓由聚合物薄膜ptfe與電極靠近所產(chǎn)生的摩擦電荷量所決定；本發(fā)明器件在通入干燥空氣時的輸出開路電壓如圖5所示，本發(fā)明器件在通入干燥空氣時的短路電流圖如圖6所示，結(jié)合兩幅圖可以看出：器件能夠穩(wěn)定輸出電壓；通過本實施例圖5、圖6和圖7的實驗結(jié)果也能確定：通入目標氣體后輸出電壓相比通入干燥空氣有所降低，首先如圖4(b)所示，當通入低濃度氨氣時，由于氨氣為還原性氣體，吸附在氣敏薄膜表面后與之發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在氣敏薄膜表面生成一層帶正電的nh4⁺離子，nh4⁺離子層對與其靠近的電極產(chǎn)生靜電屏蔽效應(yīng)，使得與其靠近的電極上基于靜電感應(yīng)所形成的正電荷減小，環(huán)內(nèi)電極1與環(huán)外電極2之間的電勢差降低，故而導致器件輸出的電壓信號變小；然后隨著通入氨氣濃度加大，如圖4(c)所示，氣敏薄膜3表面形成的帶正電nh4⁺離子增多，對與其靠近的電極產(chǎn)生的靜電屏蔽效果增強，進而使得器件的輸出電信號進一步降低。

因此，本發(fā)明在通入不同濃度待測氣體，會導致氣敏薄膜3表面正電離子數(shù)目改變，進而使得氣敏薄膜3對與其靠近的電極產(chǎn)生的靜電屏蔽能力發(fā)生改變，最終導致環(huán)內(nèi)電極1與環(huán)外電極3之間的輸出電信號亦隨之改變，在具體實施例中，可以通過將環(huán)內(nèi)電極1和環(huán)外電極2分別與數(shù)字靜電計連接，讀取器件輸出電信號，本發(fā)明器件在不同濃度氨氣時的輸出電流變化如圖7所示，根據(jù)本領(lǐng)域普通知識即可反推得到待測氣體濃度。

實施例2；

本實施例除了鐵氟龍薄膜為經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕進行處理得到粗糙表面的增強型聚合物摩擦薄膜外，其余結(jié)構(gòu)和制備工藝均與實施例1相同，在此不再贅述。

上述具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，盡管已闡述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，即可對上述實施例作出另外的變更和修改。因此本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍應(yīng)涵蓋優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。