[發(fā)明專利]一種基于肺泡仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的柔性自驅(qū)動(dòng)氣體傳感器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810087306.3
• 申請(qǐng)日: 2018-01-30
• 公開（公告）號(hào): CN108241017B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇元捷;楊鉑汐;謝光忠;李雙定;潘虹;張秋平;太惠玲;杜曉松;蔣亞?wèn)|
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/60
• 分類號(hào): G01N27/60
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種基于肺泡仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的柔性氣體自驅(qū)動(dòng)傳感器，屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括自上而下依次層疊設(shè)置的絕緣基底，兩面分別沉積電極層和氣敏薄膜層的第一摩擦起電層和采用彈性材料的第二摩擦起電層，第一、第二摩擦起電層在四周邊緣處固定，絕緣基底、電極層、第一摩擦起電層和氣敏薄膜層的中央形成氣體通道，在氣流作用下，第一、二摩擦起電層未固定部分形成接觸?分離循環(huán)以產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而向外輸出帶有氣體濃度特征的電學(xué)信號(hào)。與傳統(tǒng)氣體傳感器相比，本發(fā)明不需要外部供電系統(tǒng)即可自發(fā)檢測(cè)氣體濃度，并且傳感器的輸出性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)輕便易攜，易于安裝放置，制作簡(jiǎn)單，加工成本低，有利于實(shí)現(xiàn)自供能呼吸傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于肺泡仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的柔性自驅(qū)動(dòng)氣體傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

氣體傳感器廣泛應(yīng)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方面。載人航天、戰(zhàn)機(jī)、潛艇、艦船等密閉環(huán)境系統(tǒng)存在多種余種有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅人員生命安全、工業(yè)廢氣和汽車尾氣的排放是造成環(huán)境污染的主要因素之一、家居制造與裝修過(guò)程中釋放廢氣對(duì)人體的免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)均有不良影響甚至具有致癌效應(yīng)。因此，研究有毒有害氣體的傳感器技術(shù)成為了本領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

就目前而言，在高度集成化的微電子器件快速發(fā)展的同時(shí)，微電子器件能源供應(yīng)系統(tǒng)的研究卻相對(duì)滯后。為了適應(yīng)小型化、便攜化、多功能等需求，氣體傳感器的能源都直接或者間接地來(lái)自電池這種傳統(tǒng)的供能器件。而電池由于自身難以克服的局限性，比如：較大的體積和重量、有限的使用壽命，對(duì)環(huán)境和人體存在潛在危害等缺陷，使得采用電池供給能量的傳感器很難適應(yīng)可持續(xù)、低成本、綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。另外，現(xiàn)有氣體傳感器尤其是半導(dǎo)體氣體傳感器，其使用的氣敏材料的氣敏特性大多與溫度相關(guān)，而傳統(tǒng)氣體傳感器加熱單元功耗較大，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體有效的檢測(cè)和辨別，往往將氣體傳感器組成陣列來(lái)提高傳感器的選擇性，這就導(dǎo)致整個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗非常大，僅僅依靠電池供電無(wú)法長(zhǎng)期滿足此類傳感器節(jié)點(diǎn)的需求。因此，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的外部直接供電比較困難，通過(guò)自供能技術(shù)將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)化為電能，是解決無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供電的一種理想方案。

機(jī)械能是廣泛存在的能量形式，其形式多種多樣。機(jī)械能雖然廣泛存在，但是常常被忽視，沒(méi)有有效的收集手段加以利用，造成了能量的浪費(fèi)。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(guò)物體之間物理接觸從而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程。摩擦起電過(guò)程也是日常靜電的由來(lái)，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(shí)近千年的時(shí)間，但是其形成機(jī)制仍然沒(méi)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(shí)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(shì)。目前，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)利用的原理主要有靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)及壓電效應(yīng)等。然而，電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)和壓電發(fā)電機(jī)普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)材料要求嚴(yán)苛以及成本較高等缺陷；靜電脈沖發(fā)電機(jī)在小型化、輕量化及集成化方面有所不足，輸出功率密度較小，不能滿足對(duì)人體運(yùn)動(dòng)等生物機(jī)械能收集的需要；現(xiàn)有靜電感應(yīng)發(fā)電機(jī)存在體積大，適用性窄等缺陷。上述缺陷均限制了基于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供一種集供能、傳感于一體的氣體傳感器，利用肺泡仿生學(xué)結(jié)構(gòu)原理將氣敏元件與供能單元集成，充分利用環(huán)境中機(jī)械能來(lái)轉(zhuǎn)換得到電能，從而實(shí)現(xiàn)自供能傳感器自主探測(cè)氣體，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、加工成本低、實(shí)用性高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種基于肺泡仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的柔性氣體自驅(qū)動(dòng)傳感器，其特征在于：包括自下而上層疊設(shè)置的絕緣基底，第一摩擦部件和第二摩擦部件；

所述第一摩擦部件包括：第一摩擦起電層，電極層和氣敏薄膜層，所述第一摩擦起電層具有相對(duì)設(shè)置的第一表面和第二表面，所述第一表面沉積有氣敏材料，所述第二表面沉積有電極材料；