CN111245081B - 自供能汽车尾气传感器与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自供能汽车尾气传感器及其制备方法、以及汽车尾气收集的方法，包括：支撑框架、铁电摩擦电耦合功能薄膜、金属电极，铁电摩擦电耦合功能薄膜包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层、铁电复合材料层、正性摩擦起电层，汽车尾气从铁电摩擦电耦合功能薄膜和金属电极之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦。该传感器制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高。

Description

自供能汽车尾气传感器与方法
技术领域
本发明涉及能量收集技术、微电子机械***(MEMS)、电子聚合物功能材料领域，具体涉及一种自供能汽车尾气传感器与制备方法、汽车尾气收集的方法。
背景技术
随着汽车持有量的迅速增加，汽车尾气排放正成为城市大气污染的重要来源之一。当前研究显示，汽车尾气中的NO2转变为NHO3后对眼睛产生刺激，而人体急性反应最敏感的指标之一是急性眼刺激。人体的呼吸***是最直接与汽车尾气接触的器官，长期接触汽车尾气会使得呼吸***免疫力降低，随之而来的是支气管炎、慢性气管炎等相关疾病的发作。此外汽车尾气对人体的免疫***、生殖***均有不良影响，更有学者认为汽车尾气具有致癌的效应。
城市空气中二氧化氮的排放源主要是化石燃料的燃烧，其中2/3来源于汽车尾气的排放，1/3来自工业废气的排放。此外，二氧化氮是生成臭氧光化学反应的主要前体物，可以经过一系列的光化学反应生成硝酸盐气溶胶，导致酸沉降、城市能见度下降，出现灰霾现象等。这些二次污染甚至超过二氧化氮本身对人体和环境的危害。重庆市环境检测中心的监测数据表明，近5年重庆市区的二氧化氮浓度总体呈上升趋势，空间分布呈交通干线和城市中心区域二氧化氮浓度相对偏高的分布特性。因此，二氧化氮的检测对人员生命安全和城市污染治理均具有非常重大的意义。
随着物联网的高速发展，传感器网络在军事、海洋监控、环境监测、工业生产以及公众生活得到了广泛的应用。目前，传感器网络中大多数的传感器都以电池供给能量，需要维护人员定期的更换电池和维护以保证网络的持续运行，对于布设在危险地带和极端环境中的传感器节点而言，这不仅增加了运行成本而且威胁了维护人员的生命安全。另一方面，半导体气体传感器所用材料的气敏特性多与温度有关，且传统气体传感器加热单元功耗较大。同时，为了实现对混合气体有效的检测和辨别，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工作的需求。因此，对设置于高危场所或偏远地区的传感器而言，实现长期稳定可靠的外部直接供电比较困难，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。
目前常用的自供能气体传感器的供能机理主要是基于压电效应、电磁感应、静电效应、光伏效应等。其中基于压电效应的自供能技术主要是利用压电材料的电输出作为电源和探测信号。吸附在压电材料表面的气体能改变材料内部的自由载流子浓度，从而实现通过外界应力调控压电材料的输出特性。虽然基于压电效应的纳米发电机和自供能探测技术已得到一定发展，但是其微小的电输出信号、低下的能量转换效率以及较窄的材料选择面始终制约了该项技术的发展。
发明内容
本发明给出了一种自供能汽车尾气传感器与制备方法、汽车尾气收集的方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种自供能汽车尾气传感器，包括：支撑框架3，支撑框架3内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的固定端21在支撑框架3内部一侧与支撑结构4固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端22与支撑框架3不连接，金属电极1位于铁电摩擦电耦合功能薄膜2上下两侧，金属电极1用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极1均接地，支撑框架3顶部设有铁块5；
所述铁电摩擦电耦合功能薄膜2包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层6、铁电复合材料层7、正性摩擦起电层8，负性摩擦起电层6、铁电复合材料层7、正性摩擦起电层8构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，铁电复合材料层7通过复合铁电复合材料和气敏材料而成，负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8都为柔性材料薄膜；负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8均采用光刻刻蚀工艺在其表面刻蚀出多孔结构；
汽车尾气从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦。
作为优选方式，负性摩擦起电层6选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。
作为优选方式，正性摩擦起电层8选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。
作为优选方式，铁电复合材料层7通过钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠、聚苯胺、聚吡咯、碳纳米管、石墨烯其中至少两种材料复合而成，使其同时具有铁电性及气敏特性。
作为优选方式，金属电极1采用铝、或金或氧化铟锡导电玻璃(ITO)制备。
作为优选方式，铁电复合材料层7为厚度为100nm～200nm的薄膜。
作为优选方式，金属电极1厚度范围为30-70微米。
作为优选方式，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8表面的多孔结构，孔径大小在5-20微米。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述的一种自供能汽车尾气传感器的制备方法，包括以下步骤：
①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；
②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；
③采用流延法制备铁电薄膜；
④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8；负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，而金属电极的等电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层6表面带上负电荷，而正性摩擦起电层8表面带上正电荷；
⑤采用光刻刻蚀工艺在负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8表面刻蚀出多孔结构，让气体分子可以扩散到铁电复合薄膜表面进行气敏反应；
⑥将柔性衬底上的金属电极1固定支撑框架3内部，通过支撑结构4将中间的负性摩擦起电层6、铁电复合材料层7、正性摩擦起电层8构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架3内部用于接触分离，以收集汽车尾气。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用所述传感器进行汽车尾气收集的方法，方法如下：汽车尾气气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极1的摩擦电极序位于负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极1带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层6带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极1带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层8带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层6的摩擦负电荷、正性摩擦起电层8表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电摩擦电耦合功能薄膜2；而铁电摩擦电耦合功能薄膜2的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8从金属电极1中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。
本发明通过铁电效应和摩擦电效应的耦合作用，可以自发提高能量收集器件的表面电荷密度和能量转换效率。本发明利用正反面异号的摩擦电荷形成的电场将铁电摩擦电耦合功能薄膜极化，而铁电摩擦电耦合功能薄膜中的剩余极化将增强摩擦起电薄膜的起电能力，使其表面带有更多的摩擦电荷。该两种效应互相耦合增强，有效地提升了自供能传感器的能量转化效率和灵敏度。本发明提出的一种自供能汽车尾气传感器制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高、充分利用了自然界的能量。
附图说明
图1本发明单元的自供能汽车尾气传感器示意图。
图2本发明铁电摩擦电耦合功能薄膜的结构示意图。
图3本发明铁电摩擦电耦合增强发电机理。
图4本发明的气敏机理。
1为金属电极，2为铁电摩擦电耦合功能薄膜，21为固定端，22为活动端，3为支撑框架，4为支撑结构，5为铁块，6为负性摩擦起电层，7为铁电复合材料层，8为正性摩擦起电层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例提供一种自供能汽车尾气传感器，包括：支撑框架3，支撑框架3内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的固定端21在支撑框架3内部一侧与支撑结构4固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端22与支撑框架3不连接，金属电极1位于铁电摩擦电耦合功能薄膜2上下两侧，金属电极1用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极1均接地，支撑框架3顶部设有铁块5；
所述铁电摩擦电耦合功能薄膜2包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层6、铁电复合材料层7、正性摩擦起电层8，负性摩擦起电层6、铁电复合材料层7、正性摩擦起电层8构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，铁电复合材料层7通过复合铁电复合材料和气敏材料而成，负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8都为柔性材料薄膜；负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8均采用光刻刻蚀工艺在其表面刻蚀出多孔结构；
汽车尾气从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦。
优选的，负性摩擦起电层6选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯,更优选聚四氟乙烯(PTFE)。
优选的，正性摩擦起电层8选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙(Nylon)、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯，更优选尼龙(Nylon)。
优选的，铁电复合材料层7通过钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠、聚苯胺、聚吡咯、碳纳米管、石墨烯其中至少两种材料复合而成，使其同时具有铁电性及气敏特性。
优选的，金属电极1采用铝、或金或氧化铟锡导电玻璃(ITO)制备。
优选的，铁电复合材料层7为厚度为100nm～200nm的薄膜。
优选的，金属电极1厚度范围为30-70微米。
优选的，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8表面的多孔结构，孔径大小在5-20微米。
本实施例还提供一种自供能汽车尾气传感器的制备方法，包括以下步骤：
①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；
②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；
③采用流延法制备铁电薄膜；
④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8；负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，而金属电极的等电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层6表面带上负电荷，而正性摩擦起电层8表面带上正电荷；
⑤采用光刻刻蚀工艺在负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8表面刻蚀出多孔结构，让气体分子可以扩散到铁电复合薄膜表面进行气敏反应；
⑥将柔性衬底上的金属电极1固定支撑框架3内部，通过支撑结构4将中间的负性摩擦起电层6、铁电复合材料层7、正性摩擦起电层8构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架3内部用于接触分离，以收集汽车尾气。
本实施例还提供一种利用上述传感器进行汽车尾气收集的方法，方法为：汽车尾气气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极1的摩擦电极序位于负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极1带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层6带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极1带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层8带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层6的摩擦负电荷、正性摩擦起电层8表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电摩擦电耦合功能薄膜2；而铁电摩擦电耦合功能薄膜2的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8从金属电极1中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。
该器件的发电原理如图3所示。由于采用的是接触-分离式单电极结构(图3(a))，当聚合物薄膜与金属电极层在外界风能激励下发生了物理接触，由于摩擦电极性的差别(得电子能力：PTFE>Cu>Nylon)，得电子能力强的材料将从得电子能力弱的材料上吸引电子，从而使得摩擦电-铁电-摩擦电三明治结构上下两个面带上等量异号的电荷(图3(b),(c))，即负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8表面的摩擦负电荷和摩擦正电荷将长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电摩擦电耦合功能薄膜2(图3(d))；而铁电复合薄膜的残余极化强度将反过来促进聚合物薄膜从金属材料中获取更多的摩擦电荷(图3(e),(g))。这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能(图3(X))。
本发明的气体探测机理如图4所示：以汽车尾气中的二氧化氮(NO2)为例，待测气体在铁电复合薄膜的吸附改变了其内部的电子浓度，从而改变了材料内部的剩余极化强度。该极化强度的变化进一步地改变了器件的输出信号大小。因此，通过输出信号的改变可以反推出外界气氛的变化，从而实现对待测气体种类和浓度的自驱动检测。如图4a所示当器件结构处于氮气环境下，铁电复合薄膜表面没有气体分子的化学吸附。在干燥空气中，氧气分子吸附在铁电摩擦电耦合功能薄膜表面形成氧离子(图4b)，该过程将吸收材料内部自由电子从而减小极化强度。随后，通入的NO2气体将与材料表面阳离子反应并吸收其电子(图4c)，从而减小材料内部自由电子浓度与极化强度。所以，器件的输出信号将随通入待测NO2气体的浓度变化而改变。因此，可通过检测传感器输出电学参量反推出呼吸气体中待测气体的浓度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于包括：支撑框架(3)，支撑框架(3)内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的固定端(21)在支撑框架(3)内部一侧与支撑结构(4)固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端(22)与支撑框架(3)不连接，金属电极(1)位于铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)上下两侧，金属电极(1)用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极(1)均接地，支撑框架(3)顶部设有铁块(5)；
所述铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层(6)、铁电复合材料层(7)、正性摩擦起电层(8)，负性摩擦起电层(6)、铁电复合材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，铁电复合材料层(7)通过复合铁电复合材料和气敏材料而成，负性摩擦起电层(6)材料的得电子能力强于正性摩擦起电层(8)材料的得电子能力，负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)都为柔性材料薄膜；负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)均采用光刻刻蚀工艺在其表面刻蚀出多孔结构；
汽车尾气从铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；
上下两个电极分别通过导线连接信号读出电路，器件的输出信号将随通入待测气体的浓度变化而改变，因此，通过检测传感器输出电学参量反推出汽车尾气中待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：负性摩擦起电层(6)选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。
3.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：正性摩擦起电层(8)选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。
4.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：铁电复合材料层(7)通过钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠、聚苯胺、聚吡咯、碳纳米管、石墨烯其中至少两种材料复合而成，使其同时具有铁电性及气敏特性。
5.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：金属电极(1)采用铝或金制备。
6.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：铁电复合材料层(7)为厚度为100nm～200nm的薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：金属电极(1)厚度范围为30-70微米。
8.根据权利要求1所述的一种自供能汽车尾气传感器，其特征在于：负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)表面的多孔结构，孔径大小在5-20微米。
9.权利要求1至8任意一项所述的一种自供能汽车尾气传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；
②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；
③采用流延法制备铁电薄膜；
④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)；负性摩擦起电层(6)材料的得电子能力强于正性摩擦起电层(8)材料的得电子能力，而金属电极的得电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层(6)表面带上负电荷，而正性摩擦起电层(8)表面带上正电荷；
⑤采用光刻刻蚀工艺在负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)表面刻蚀出多孔结构，让气体分子可以扩散到铁电复合薄膜表面进行气敏反应；
⑥将柔性衬底上的金属电极(1)固定支撑框架(3)内部，通过支撑结构(4)将中间的负性摩擦起电层(6)、铁电复合材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架(3)内部用于接触分离。
10.利用权利要求1至8任意一项所述自供能汽车尾气传感器进行气体探测的方法，其特征在于：汽车尾气气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极(1)的摩擦电极序位于负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极(1)带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层(6)带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极(1)带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层(8)带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层(6)的摩擦负电荷、正性摩擦起电层(8)表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)；而铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)从金属电极(1)中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。
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