[发明专利]一种新型针筒式一体化自供能气体传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、气体传感器和电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种新型针筒式一体化自供能气体传感器及其制备方法。该一体化自供能气体传感器是将能量收集单元和气体敏感单元集成在一起，通过将驱动芯杆的机械能转换为电能为自身提供能源，以实现自发主动地检测目标气体浓度。本发明的优势在于：相比于传统的气体传感器，该传感器基于摩擦起电原理以及静电感应效应，传感器输出电信号随摩擦层与敏感层相对位置的变化而变化，直接将动能转换成电能实现自供能气体探测，因此不需要额外的供电系统就能实时地测得环境中的待测气体浓度。本发明适用于气体浓度检测。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、气体传感器和电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种新型针筒式一体化自供能气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器广泛应用于军事、工业(特别是纺织、电子、食品)、农业、建筑、医疗、气象以及家用电器等方面，具有十分重要的意义。以国防科学研究方向为例：在载人航天、战机、潜艇、舰船等密闭环境系统中存在多种有毒有害气体，严重威胁军事与科研人员的生命安全。以工作居家生活方向为例：造成大气环境污染的主要因素之一的工业废气和汽车尾气的过量排放，以及家具制造与装修过程中释放的废气对人类的呼吸、免疫与生殖系统有不良的影响，甚至能增加致癌的风险。而如果能提前测得环境中有毒有害气体的浓度并制定相应的对策，其对人类的影响将大大减少。综上所述，针对这类传感器的研究与制备迫在眉睫。

近几十年以来，随着化石能源的不断消耗并枯竭，寻找一种绿色、低碳、广泛、易获得的能源至关重要。在电子产品十分普及的情况之下，电池的使用数目急剧增加。然而无论是为工作在危险环境或偏远地区的传感器更换电池，还是对传统电池内部有害物质的回收利用方面，频繁更换电池不是一个长久之策。

自然界中存在许多微能源，如风能、潮汐能等，这类绿色能源具有广大应用前景。在2012年，一种新型的能量产生装置——摩擦纳米发电机的问世为微能源的利用提供了契机，它被证明是一种具有极高转换效率的装置。通过摩擦起电与静电感应相耦合的原理，机械能驱动器件进行相对位置的周期性变化，从而使传感器表面摩擦电荷数量发生周期性变化，在外电路形成往返的电流。

为了减少电池的使用，将自供能技术应用于传感器领域具有重大应用价值。

发明内容

针对上述现有技术中存在的气体传感器中蓄电池容量不够，需要频繁更换蓄电池的问题，本发明提供一种新型针筒式一体化自供能气体传感器及其制备方法，其目的在于：应用摩擦纳米发电机的原理，实现将气体传感器的运动部件的动能转化为电能为自身提供能源，实现自发主动地检测目标气体浓度，减少电池的使用。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型针筒式一体化自供能气体传感器，包括注射器空筒和前端插入注射器空筒中的芯杆，所述注射器空筒内壁设置有相互分离的电极A和电极B，电极A和电极B通过外电路连接，外电路上设置有静电计，所述芯杆前端设置有空心尼龙筒，空心尼龙筒外表面覆盖有气敏薄膜，所述电极A与气敏薄膜之间和电极B与气敏薄膜之间均设置有间隙。

采用该技术方案后，注射器空筒前端的通气与外界相通，并且通过步进电机对芯杆进行周期性的驱动。此时空心尼龙筒进行往复运动，不断与电极A和电极B部分进行隔空式靠近-远离运动，使得发电机电极A和电极B之间发生交变的电子转移，从而向外电路输出交变电学信号。该交变电学信号由静电计进行检测，在不同待测气体浓度环境，由于敏感薄膜吸附待测气体分子之后，待测气体分子(如氨气)将为气敏薄膜提供自由电子，这些额外的自由电子将促进电极A和电极B产生更多的正电荷，从而使得电极A和电极B输出的电学信号与通入待测气体的浓度具有一定的线性关系。因此通过检测发电机输出电学参量的变化，就可以反推出环境中待测气体的浓度。该方案通过摩擦发电产生的电学信号进行气体的检测，不需要外部供电系统，且本设计可利用机械能来驱动器件进行工作，从而达到了节能、减少电池使用的效果。