[发明专利]一种柔性薄膜式自驱动多功能传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性薄膜式自驱动多功能传感器，包括柔性基底、气体导管、多功能敏感薄膜、叉指电极和弹性膜。该自驱动多功能传感器将能量收集单元与气体敏感单元结合在一起，利用通入气体时气压的增大使压电基多功能敏感薄膜产生形变，从而为自身提供能量，以自发主动地测量通入待测气体的浓度与压强。该传感器采用了中心对称式器件结构以最大化提升无序分布的静电纺丝的换能效率，同时利用气体化学吸附与压电效应的耦合作用，将气体吸附过程主动地加载到压电纳米发电机的输出电信号中，因此不需要额外的供电系统即可实现对待测气体浓度和气压的同时测量。本发明提出的传感器制备简单、成本低廉、结构新颖、实用性高且充分利用了气体流动的动能。

技术领域

本发明属于能量收集技术、电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种柔性薄膜式自驱动多功能传感器及其制备方法。

背景技术

氨气作为一种工业原料，在化工、轻工、化肥、制药等领域被广泛使用。与此同时，氨气也是一种剧毒气体，高浓度的氨气会对人体呼吸道有很强的刺激甚至腐蚀作用。当暴露在高浓度的氨气氛围，人们会产生眼睛流泪、呼吸困难及头晕乏力等症状，严重的会导致人体血液中氨浓度过高从而危及生命。对氨气的浓度进行实时检测，可以避免人们处于高浓度的氨气环境下，危害人体健康。因此，开展氨气传感器的研究迫在眉睫。

目前，绝大多数氨气传感器都是通过电池提供能量，需要维护人员定期地更换电池以保证设备能够持续运行，这对于氨气容易泄露的场所以及某些极端环境中的传感器节点来说，不仅仅增加了运行成本还严重威胁了维护人员的生命安全。因此，通过维护人员定期更换电池来维持氨气传感器的持续运行对于高危场所的设备而言比较困难，通过自供能技术将环境中的能量转化为电能，是解决无线传感节点供电的一种理想方案。

此外，氨气作为标志物可以用于人体健康疾病的相关参考指标的检测。如呼出气中氨气的产生与人体氮的代谢有关，且与血液中的血尿素氮存在一定的线性关系，因此可以通过检测人体呼出气中氨气的浓度来诊断肾功能是否出现异常。通过将自供能氨气传感器与可穿戴设备相结合，不仅可以实现能源的可持续，还能够随时随地反馈人体的健康状况。

为了解决传统氨气传感器寿命短、需要外部能源供电等问题，有必要将自供能技术引入氨气传感器的研究。压电材料能够将机械能转化为动能，具有小型化、高效、简单等优点，为自供能氨气传感器的研究提供了一个新的发展方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种柔性薄膜式自驱动多功能传感器及其制备方法，实现了能量收集和气体检测的一体化。该自驱动多功能传感器工艺简单，成本低，体积小，重量轻，可批量生产。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种柔性薄膜式自驱动多功能传感器，包括柔性基底1、气体导管2、气敏薄膜3、叉指电极4和弹性膜5；

所述柔性基底1具有供所述气体导管2插入的通气孔，所述叉指电极4为中心对称的螺旋结构叉指电极，所述叉指电极4位于所述弹性膜5上，所述气敏薄膜3位于所述弹性膜5具有叉指电极4的一面上，所述气敏薄膜3由多条核壳结构的纳米纤维交织而成，所述核壳结构的纳米纤维从里到外依次是压电层6、PDA(聚多巴胺)层7和气体敏感层8；

将所述弹性膜5具有叉指电极4的一面的边缘与所述柔性基底1的边缘密封固定，从而在所述柔性基底1和所述弹性膜5之间形成腔体，当通过所述气体导管2向所述腔体通入待测气体时，在气流的作用下使所述弹性膜5发生膨胀和收缩，同时附着在弹性膜5上的气敏薄膜3被拉伸和复原，从而在压电层6两端产生极化电荷，进而实现气体动能到器件电能的转换，以自发主动检测气压和气体浓度。

进一步的，所述PDA层7具有优异的亲水性和粘附性，有利于将气体敏感层8制备在PDA层7上从而形成核壳结构并且增强该核壳结构纳米纤维的稳定性；