一種用于酒精檢測的自供能傳感器及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于自供能主動式氣體傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種用于酒精檢測的自供能傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

氣體傳感器是一種將待測氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，利用氣體傳感器對氣體進(jìn)行分析是科學(xué)研究、生產(chǎn)過程和環(huán)境檢測的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的氣體傳感器通常依賴于電容或電阻的變化，需要外部電源提供能量，無法長期滿足此類傳感器工作的需求。其氣敏原件主要有氣敏電阻和氣敏電容兩大類，然而，測量電阻或電容一般需要一個電路系統(tǒng)，這使得氣體傳感器需要很多輔助器件，而且整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高。尤其對設(shè)置在高危場所或偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳感器而言，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定可靠的外部直接供電比較困難。因此，通過自供能技術(shù)從外界環(huán)境中收集能量，成為了解決傳感器長期自主供電的一種理想方案。

如今，能量收集技術(shù)以及新能源的探索就成為了各學(xué)科中研究領(lǐng)域的前沿方向。盡管傳統(tǒng)的電力技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近兩百年，但人類對新能量以及新型能量收集方法的探索卻從未停止過，比如光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)以及靜電感應(yīng)等。近年來，對環(huán)境機(jī)械能的收集已逐漸成為了能源和材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。作為自然界最為普遍的能量形式之一，機(jī)械能具有分布廣泛、規(guī)模巨大、清潔環(huán)保、可直接收集等特點(diǎn)。種種研究表明，對環(huán)境機(jī)械能的收集是一種綠色、可持續(xù)的能量收集方法。

摩擦起電是日常生活中一種十分普遍的現(xiàn)象。它是指通過物體之間物理接觸中產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移過程。摩擦起電過程也是日常靜電的由來。摩擦電荷的形成依賴于接觸材料的摩擦電極性的差別。雖然摩擦起電這一普遍現(xiàn)象被人類認(rèn)識近千年的時間，但是其形成機(jī)制仍然沒有被完全研究清楚。目前，比較被認(rèn)同的一種解釋是，在兩種材料接觸的時候，在其接觸處部分位置形成了化學(xué)鍵。電荷從一種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料以平衡兩者的電化學(xué)勢。轉(zhuǎn)移的電荷可以是電子、離子或是分子。當(dāng)分離的時候，接觸面的一些鍵原子會保留住多余的電子，另一些鍵原子則會擯棄多余的電子，從而在接觸面表面形成摩擦電荷。大多數(shù)情況下，靜電電荷的產(chǎn)生是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活極力避免的負(fù)面效應(yīng)。

然而，2012年佐治亞理工學(xué)院的王中林教授的團(tuán)隊(duì)利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合作用發(fā)明了能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)。在上述發(fā)電機(jī)的能量收集過程中，兩種摩擦電極性不同的材料相接觸后在表面生成摩擦電荷，分離時會產(chǎn)生電勢差從而在外界電路上形成了電流輸出。這種新型的發(fā)電機(jī)基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理的耦合作用，可以用于收集各種形式的機(jī)械能量。因此，如果能夠?qū)㈦y以收集的摩擦電應(yīng)用到自發(fā)電設(shè)備中，勢必會給人們的生活帶來更多的便利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上文所述，本發(fā)明提供一種用于酒精檢測的自供能傳感器及其制備方法，本發(fā)明無需配置其他電源，可以用于是否酒駕檢測，能解決一般基于壓電效應(yīng)自供能氣體傳感器敏感度低、輸出信號弱、需要外力作用源等問題，可以有效地用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氣體檢測。

本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種用于酒精檢測的自供能傳感器，包括第一部件和第二部件；

所述第一部件包括分別沉積于玻璃基板上表面和下表面的氣敏單元和下導(dǎo)電電極；所述氣敏單元包括叉指電極和沉積于叉指電極上的氣敏薄膜層，所述氣敏薄膜層能夠響應(yīng)乙醇?xì)怏w；

所述第二部件包括絕緣聚合物薄膜層和與所述絕緣聚合物薄膜層上表面直接貼合的上導(dǎo)電電極，所述絕緣聚合物薄膜層材料為柔性材料；

所述第一部件和所述第二部件通過絕緣支撐架固定，使得所述氣敏薄膜層和所述絕緣聚合物薄膜面對面設(shè)置并相互隔離；在氣流作用下，所述絕緣聚合物薄膜層能與所述氣敏薄膜層形成接觸-分離循環(huán)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并通過所述上導(dǎo)電電極和下導(dǎo)電電極向檢測電路輸出電信號，所述檢測電路能夠測定由于氣敏薄膜層的電學(xué)特性變化而導(dǎo)致的氣敏單元電學(xué)參數(shù)變化。

優(yōu)選地，所述絕緣聚合物薄膜層的材料和所述氣敏薄膜層的材料之間存在摩擦電極序差異；

本發(fā)明中氣敏薄膜層的材料采用金屬氧化物半導(dǎo)體材料，優(yōu)選為，SnO₂、γ-Fe₂O₃、α-Fe₂O₃或ZnO₂；上述氣敏薄膜材料對酒精響應(yīng)效果好，具體原理為氣敏薄膜材料與酒精氣體接觸并發(fā)生電子交互作用而導(dǎo)致氣敏薄膜材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對人呼出氣體的檢測，在檢測過程中，人呼出氣體的其他成分對酒精濃度測試基本無影響；

本發(fā)明中絕緣聚合物薄膜層為柔性的，并且能夠被外力所擾動，現(xiàn)有的各種柔性材料均可成為制作絕緣聚合物薄膜層的選擇，但是優(yōu)選為對外力的擾動反應(yīng)敏感，容易被擾動的材料，特別是容易被流經(jīng)周圍的流體所擾動的材料，而且符合前述與氣敏薄膜層材料存在摩擦電極序差異；優(yōu)選為，尼龍，鐵氟龍，聚氟乙烯或聚酰亞胺。

本發(fā)明中叉指電極的材料為Al或Au，所述叉指電極的參數(shù)具體如下：寬度：25μm～50μm，間距：25μm～50μm，長度：800μm～4500μm，厚度：100nm～200nm。

本發(fā)明中上導(dǎo)電電極或下導(dǎo)電電極的材料為Al，Ni，Cu，Ag或Au，其厚度范圍為30～70微米。

一種用于酒精檢測的自供能傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟A：第一部件的制備；在洗凈、干燥的玻璃基板底面沉積下導(dǎo)電電極，并在所述玻璃基板頂面制備叉指電極，然后采用成膜工藝在所述叉指電極上沉積氣敏薄膜層；

步驟B：第二部件的制備；在具有柔性的絕緣聚合物薄膜層的一面上沉積導(dǎo)電電極；

步驟C：傳感器的制備；將所述第一部件和所述第二部件通過絕緣支撐層固定，使得第一部件中氣敏薄膜層和所述第二部件中絕緣聚合物薄膜層相隔離且面對面設(shè)置，并在氣流作用下能夠形成接觸-分離循環(huán)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；然后連接檢測電路以檢測氣敏薄膜的電學(xué)參數(shù)變化和收集電能。

其中，所述絕緣聚合物薄膜層的材料和所述氣敏薄膜層的材料之間存在摩擦電極序差異，其中，氣敏薄膜層的材料為SnO₂、γ-Fe₂O₃、α-Fe₂O₃或ZnO₂，絕緣聚合物薄膜層的材料為尼龍，鐵氟龍，聚氟乙烯或聚酰亞胺。

其中，所述叉指電極的參數(shù)具體如下：寬度：25μm～50μm，間距：25μm～50μm，長度：800μm～4500μm，厚度：100nm～200nm，叉指電極的材料為Al或Au。

其中，所述上導(dǎo)電電極或下導(dǎo)電電極的材料為Al，Ni，Cu，Ag或Au，其厚度范圍為30～70微米。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明的自供能傳感器通過人體吹出氣體引發(fā)柔性絕緣聚合物薄膜層振動，并與氣敏薄膜層接觸生成摩擦電荷，然后兩者相分離時產(chǎn)生電勢差，從而在外界電路上形成了電流輸出；同時氣敏薄膜層對乙醇選擇性吸附，通過叉指電極使得輸出脈沖電壓或電流信號可用于檢測人體呼出氣體中酒精的濃度。

2、本發(fā)明的自供能傳感器相比基于壓電效應(yīng)的自供能氣體傳感器器具有較大的輸出信號，能解決一般基于壓電效應(yīng)的自供能氣體傳感器存在的敏感度低、輸出信號弱、需要外力作用源等問題，可以有效地用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氣體檢測。

3、本發(fā)明的自供能傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉、輕巧便攜，適用于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的微型傳感器，無需特殊的工作環(huán)境，因此具有很高的兼容性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的自供能傳感器的制備工藝流程圖；其中，1為玻璃基板，21為下導(dǎo)電電極，22為上導(dǎo)電電極，3為叉指電極，4為氣敏薄膜層，5為絕緣聚合物薄膜，6為導(dǎo)電銀漿，7A為A端口導(dǎo)電引線，7B為B端口導(dǎo)電引線，7C為C端口導(dǎo)電引線，7D為D端口導(dǎo)電引線，8為絕緣支撐架。

圖2為本發(fā)明提供的自供能傳感器的供電機(jī)理示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的自供能傳感器的等效工作電路圖。

圖4為本發(fā)明提供的自供能傳感器中叉指電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明提供的自供能傳感器中的信號檢測電路。

圖6為本發(fā)明提供的自供能傳感器的測試結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和說明書附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述：

圖1為本發(fā)明提供的自供能傳感器的制備工藝流程示意圖，本發(fā)明制備方法具體包括以下步驟：

步驟A：第一部件的制備；在洗凈、干燥的玻璃基板1(如圖(a))的底面沉積厚度為30～70微米的銅膜作為下導(dǎo)電電極21(如圖(b))，并在所述玻璃基板1的頂面制備叉指電極3(如圖(c))，所述叉指電極3的材料采用Al或Au，叉指電極3的具體參數(shù)如下：寬度：25μm～50μm，間距：25μm～50μm，長度：800μm～4500μm，厚度：100nm～200nm(圖4為叉指電極的結(jié)構(gòu)示意圖)；然后采用成膜工藝在所述叉指電極3上沉積氣敏薄膜層4(如圖(d))；所述氣敏薄膜層的材料優(yōu)選為SnO₂、γ-Fe₂O₃、α-Fe₂O₃、ZnO₂；

步驟B：第二部件的制備；在具有柔性的絕緣聚合物薄膜層5的一面沉積厚度范圍為30～70微米的銅膜作為上導(dǎo)電電極22(如圖(e))；所述絕緣聚合物薄膜層5的材料優(yōu)選為尼龍，鐵氟龍，聚氟乙烯或聚酰亞胺；

步驟C：傳感器的制備；將叉指電極3的兩端，上導(dǎo)電電極22和下導(dǎo)電電極21通過導(dǎo)電銀漿6和導(dǎo)電引線連接(如圖(f)所示為7B端口和7D端口)形成四個端口(7A端口,7B端口，7C端口和7D端口)；然后將所述第一部件和所述第二部件通過絕緣支撐層9固定，使得第一部件中氣敏薄膜層4和所述第二部件中絕緣聚合物薄膜層5相隔離且面對面設(shè)置，并在氣流作用下能夠形成接觸-分離循環(huán)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能(如圖(g))；然后通過四個端口連接檢測電路(具體如圖5所示)以檢測氣敏薄膜的電學(xué)參數(shù)變化和收集電能。

本發(fā)明中所述的“摩擦電極序”是指根據(jù)材料對電荷的吸引程度將其進(jìn)行排序，迄今為止，還沒有一種統(tǒng)一的理論能夠完整的解釋電荷轉(zhuǎn)移的機(jī)制。一般可以認(rèn)為，兩種存在摩擦電極序差異的材料在相互接觸的瞬間，在接觸面上負(fù)電荷從摩擦電極序中極性較正的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較負(fù)的材料表面。需要說明的是，摩擦電極序只是一種基于經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即兩種材料在該序列中相差越遠(yuǎn)，接觸后所產(chǎn)生電荷的正負(fù)性和該序列相符合的幾率就越大，而且實(shí)際的結(jié)果受到多種因素的影響，比如材料表面粗糙度、環(huán)境濕度和是否有相對摩擦等。

根據(jù)本領(lǐng)域公知常識可知，導(dǎo)電電極的材料不僅可以選擇銅，也可以采用Al，Ni，Ag或Au作為優(yōu)選。

如圖2所示，為本發(fā)明提供的自供能傳感器在檢測酒精氣體時的供電原理；分別將絕緣聚合物薄膜層和氣敏薄膜層的相對面定義為第一表面和第二表面，由于絕緣聚合物薄膜層的材料是柔性材料，當(dāng)流體流經(jīng)柔性部件對其造成擾動時會導(dǎo)致柔性部件發(fā)生類似振動式的反應(yīng)，很容易形成柔性部件與其他部件之間的接觸和分離，因此，當(dāng)?shù)谝槐砻婧偷诙砻嬖跉饬髯饔孟掳l(fā)生了物理接觸，由于第一表面的材料和第二表面的材料之間具有不同的摩擦電極性，因此得電子能力強(qiáng)的材料(氣敏薄膜層材料)將從得電子能力弱的材料(絕緣聚合物薄膜層材料)上吸引電子，從而使得第一表面上帶正電荷，而第二表面上帶負(fù)電荷，兩個接觸面帶上等量異號的電荷，即為摩擦產(chǎn)生的電荷；然后兩種材料分離后，第一表面和第二表面之間會產(chǎn)生的電勢差。

將聚合物薄膜層和氣敏薄膜層各自背面的導(dǎo)電電極通過負(fù)載連接起來，電勢差將使得電子在兩個導(dǎo)電電極之間流動，以平衡第一表面和第二表面間的靜電電勢差；待兩個第一表面和第二表面再次接觸，摩擦電荷產(chǎn)生的電勢差消失，從而使電子反向流動。這樣在氣流作用下聚合物薄膜層的第一表面和氣敏薄膜層的第二表面不斷的接觸和分離，自供能傳感器的供電輸出端將輸出交變的電流脈沖信號，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

本發(fā)明基于接觸-分離式摩擦發(fā)電裝置輸出的交流電流可以看成一個基板電容的充放電，而氣敏元件的電學(xué)特性又相當(dāng)于一個可變電阻，因此本發(fā)明提供的自供能傳感器的等效工作電路圖如圖3所示，其中，Rref為外置電阻，R為氣敏單元電阻；

在不同待測氣體濃度下，氣敏元件電阻值的改變將轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娏骱洼敵鲭妷旱淖兓?，所以通過監(jiān)測器件的輸出電流和輸出電壓就能得知待測氣體的濃度，本發(fā)明中，氣敏元件上的分壓為：

$V=V_{oc}\×\frac{R}{R+R_{ref}}---\left(1\right)$

其中，Voc為本發(fā)明中基于接觸-分離式摩擦發(fā)電裝置的開路輸出電壓。

而對于接觸-分離式摩擦發(fā)電機(jī)，其開路輸出電壓可表示為：

$V_{oc}=\frac{\mathrm{\σ}d}{{\mathrm{\ϵ}}_0}---\left(2\right)$

其中σ為接觸面摩擦電荷密度，ε₀為真空介電常數(shù)，d為前述絕緣聚合物薄膜層的第一表面和氣敏薄膜層的第二表面之間的垂直間距。鑒于上文可以看出，輸出電壓Voc與絕緣聚合物薄膜層的振蕩頻率無關(guān)，僅僅與器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，特定結(jié)構(gòu)的器件在不同流速的氣體作用下，輸出電壓Voc是恒定的。結(jié)合公式(1)和公式(2)可知，氣敏元件上的分壓V與氣流流速無關(guān)，只取決于氣敏單元電阻R的大小。不同氣體濃度下，氣敏單元電阻R的改變將轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娏骱洼敵鲭妷旱淖兓?，因此通過監(jiān)測器件的輸出電流和輸出電壓就能得知待測氣體的濃度。

圖5為本發(fā)明一個具體實(shí)施例的信號檢測電路，其功能為當(dāng)人體呼出氣流吹動絕緣聚合物薄膜層震動，使得聚合物薄膜層的第一表面和氣敏薄膜層的第二表面不斷的接觸和分離，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷并通過供電輸出端輸出交變的電流信號，然后利用整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娦盘?。通過電流計(jì)讀數(shù)(偏轉(zhuǎn)的角度)來判定待測氣體(酒精氣體)的濃度。

使用前，酒精氣體的濃度為零時，調(diào)解Rf阻值，使其滿足下式：

$\frac{R_1}{R_2}=\frac{R_f}{R_s}---\left(3\right)$

當(dāng)有一定濃度酒精氣體通過時，此時電流計(jì)會偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度與酒精氣體濃度成正比。如公式(4)，式中θ是電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)角度，n是酒精氣體的濃度，K是比例系數(shù)：

θ＝Kn (4)

當(dāng)待測氣體濃度達(dá)到一定的情況下，此時發(fā)光二極管發(fā)光，且發(fā)光強(qiáng)度隨著氣體濃度的增大而變強(qiáng)，因此，通過發(fā)光二極管的明暗狀態(tài)就能判定外界待測氣體的濃度范圍。

圖6為本發(fā)明檢測不同濃度氣流測試結(jié)果圖，從圖6中可以看出：隨著待測氣體濃度的增加，本發(fā)明提供的自供能傳感器的輸出電流增大。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。