[发明专利]无线无源自供能大气环境传感器阵列及其制备方法

说明书

本发明提供一种无线无源自供能大气环境传感器阵列及其制备方法，传感器阵列包括转轴、聚合物转子、金属接收极、气敏薄膜、引线及底座，本发明实现了仅靠外界机械运动就能同时驱动的环境能量收集—无线能量传输—自发主动检测一体化探测系统，且不需要外部供电就能独立工作，通过聚合物转子收集外界机械能并以时变电位移场的形式将能量无线发射给后端收集端，并在能量转换界面将特异性气敏反应调制在输出电信号中，已达到对大气环境无线无源自供能实时监测的要求，为大气环境监测网络和系统的发展奠定坚实的理论与技术基础。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种无线无源自供能大气环境传感器阵列及其制备方法。

背景技术

大气污染治理是发展生态城市、建设生态文明的首要方面。空气中的氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO₂)不仅是雾霾的主要成分，而且是PM2.5等颗粒和酸雨的前体物。据统计，目前世界范围内约有十六亿城市人口生活在有害健康的恶劣大气环境中。2015年7月，国务院办公厅印发《生态环境监测网络建设方案》，标志着我国大气监测技术体系进入物联网、实时监测的精细化管控阶段。紧紧围绕“蓝天保卫战”，大气质量监控面临着巨大挑战。首先，污染源分布广泛且来源普遍。在我国大部分城市，人为排放的NO_x、SO₂、CO远高于自然源，主要来自固定源燃烧、汽车尾气排放、溶剂产品使用和工业生产过程。另外，污染气体组成复杂且各组分间物理和化学性质差异大。这就给由气体传感器构成的大气环境监测网络提出了新的要求。

2013年科技部、国家标准化委员会出台国家“智慧城市”发展战略规划并确定了标准试点城市20个，其中副省级城市9个。旨在将智慧城市作为信息技术的深度拓展和集成应用，为新一代信息技术孕育突破的核心方向。随着移动电子设备、无线数据传输、无线网络技术的日益普及，无线能量传输(Wireless Power Transmission，WPT)自供能传感器及物联网技术对发展智慧城市具有重要意义。

现用于物联网中的气体传感器弊端及缺陷如下：①当前研发生产的传感器均以电池或有线电力传输供给能量，需要人员定期地更换电池和维护电网以保证网络的持续运行，这不仅增加了经济成本，而且极大地降低了传感器网络节点的移动性和环境适应性。②为了检测和辨别环境中的混合气体，往往将气体传感器组成阵列来提高传感器的选择性，这就导致整个节点的能耗非常大，仅依靠电池供电无法满足此类传感器节点长期工作的需求。③有线电力传输技术难以将能量传递到某些极端环境和危险场所，从而严重限制了物联网节点的构建与应用。无线能量传输技术在增强无线器件与系统的适应性和移动性方面具有显著的推动作用。现有的无线能量传输技术主要包括电磁感应、磁共振和无线电波三种技术模式。但是此类技术通常是通过感应线圈和/或天线实现，并且主要用于较小功率场合，如为手机、MP3等小型电子设备充电，难以直接与传感器网络节点集成。

基于以上分析，针对大气环境监测对气体传感器高灵敏、低功耗、便携式等新要求，本发明提出无线无源自供能大气环境传感器阵列及制备工艺，构建化学特异性反应在能量转化界面转换成电信号的敏感机理，探索纳米尺度下能量转换及传输效应与宏观气敏性能间的关联机制，发明“环境能量收集-无线能量传输-自发主动检测”一体化探测新方法，以满足数量众多、分布广泛、位置灵活的传感器节点长期稳定的能量供给与自供能环境监控的需求，为大气环境监测网络和系统的发展奠定坚实的理论与技术基础。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种无线无源自供能大气环境传感器阵列及其制备方法，针对对气体传感器高灵敏、可携带、方便、快捷等新要求，发明了仅靠外界机械运动就能同时驱动的环境能量收集—无线能量传输—自发主动检测一体化探测系统，且不需要外部供电就能独立工作。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种无线无源自供能大气环境传感器阵列，包括供能部分和探测部分，