[发明专利]基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及制备方法

说明书

本发明提供了一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，属于传感器技术领域。本发明包括设于测试腔内部的多叶扇形结构的摩擦转子和双电级结构金属圆盘，摩擦转子靠近进气口设置在气流作用下转动与金属圆盘上电极形成接触‑分离循环，并且基于气敏薄膜吸附待测气体在双电级上产生非对称静电屏蔽效应，进而根据器件输出电压测得待测气体浓度。本发明相比现有气体传感器，无需外部供电系统，实现自发、实时监测待测气体的浓度，并且输出性能稳定，降低了由于器件本身输出不稳定造成的测量误差，另外，本发明气体传感器结构新颖、成本低廉且制备工艺简单，有利于实现商业化，为自供能气体传感器的研究提供了新的发展方向。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器被广泛用于军事、气象、农业、工业(特别是纺织、电子、食品)、医疗、建筑以及家用电器等诸多领域，因此，气体传感器在人们的生产和生活中发挥中重要的作用。目前，由于大部分气体传感器是通过电池供给能量，故而需要维护人员定期地更换电池和维护以保证设备与系统的持续运行，然而这样对于布设在危险地带和极端环境中的传感器网络节点而言，不仅会增加运行成本而且会威胁维护人员的生命安全。另一方面，半导体气体传感器所用敏感材料的气敏特性大多与温度有关，而传统气体传感器的加热单元功耗较大，并且为了实现有效检测和辨别混合气体，往往将气体传感器组成阵列来提高传感器的选择性，这样就会导致整个节点的功耗非常大，仅仅依靠电池供电无法长期满足此类传感器节点的工作需求。为了解决传统气体传感器寿命短、功耗高，需要外部电源供电等问题，有必要将自供能技术引进气体传感器的研究。通过自供能技术将周围环境中的能量转换为电能实现自供能是解决无线传感节点供电的一种理想方案。现有技术中常用的自供能气体传感器主要是基于压电效应或者光伏效应，然而，上述器件存在输出小、制备复杂、成本高、难以大规模集成等不足，因此，亟需一种能够克服上述缺陷的自供能气体传感器。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器及其制备方法，本发明中摩擦转子在向测试腔通入待测气体时捕获气流动能，摩擦转子转动与双电级结构产生接触-分离式循环，进而形成旋转-隔空式纳米摩擦发电机，而双电级结构表面气敏薄膜吸附待测气体产生正电荷形成非对称静电屏蔽效应，通过不同浓度待测气体产生的静电屏蔽能力不同实时测得待测气体浓度。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于非对称静电屏蔽效应的自供能气体传感器，包括：测试腔以及设于测试腔上的进气口和出气口，其特征在于，测试腔的内部还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叶扇形结构的摩擦转子；所述摩擦转子的多个扇形叶片的形状、尺寸均相近；

第二部件包括单面沉积有气敏薄膜的金属圆盘，金属圆盘上具有闭合环形缝隙将其分隔形成两个相互独立的环内电极和环外电极，其中，环内电极的形状、尺寸均与摩擦转子的形状、尺寸相同；

第一部件靠近测试腔上进气口处设置，第一部件和第二部件通过绝缘部件固定使得摩擦转子和环内电极的气敏薄膜面对面设置且相互隔离；在气流作用下，摩擦转子的扇形叶片与金属圆盘形成靠近-分离循环，从而产生感应电荷，并且通过环内电极和环外电极向检测电路输出气敏信号。

优选地，本发明中摩擦转子的扇形叶片的个数为4～12。

优选地，本发明中环内电极和环外电极的材料均为铝，镍，铜，银或者金。

为更好地实现本发明，本发明中在摩擦转子每一个扇形叶片背离气敏薄膜的表面或者侧面还设置有受力风筒或者其余有助于使扇叶转动的部件。

进一步地，本发明中环内电极与环外电极之间的缝隙宽度为500～1000μm。