CN112611923A - 智能模块、多功能装置及其在无线充电、电场感知、接近感知中的应用 - Google Patents

智能模块、多功能装置及其在无线充电、电场感知、接近感知中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种同时具有无线充电、电场感知及接近感知功能的多功能装置，且其检测方法。装置由检测模块、智能模块、控制模块、电场源模块组成。所述无线充电功能是通过检测模块、智能模块来实现的，其主要方法是将外部空间电场转化为电能；所述电场感知功能是通过检测模块、控制模块、智能模块来实现的，其中控制模块用于程控开关，控制屏蔽板的开关，从而对电场进行控制，本发明的电场感知功能可用于检测电场强度；所述接近觉感知功能是由检测模块、控制模块、智能模块、电场源模块来实现的，此功能可用于检测对象的移动和存在信息。本发明能够测量高电压电力模块中的瞬变电场，可广泛用于电场强度探测的领域，为气象保障提供可靠的手段和依据。同时用于检测物体的位移，在航空、航天技术领域以及工业生产中都有广泛应用。

Description

智能模块、多功能装置及其在无线充电、电场感知、接近感知 中的应用
技术领域
本发明涉及一种可用于无线充电、电场感知及接近觉感知领域的多功能装置，属于电子器件领域。
背景技术
随着新型行业的发展，人们对智能电子产品不论是性能、大小还是外观都越来越“挑剔”。智能电子产品逐渐向着体积小、电路集成度高、传输速度快的方向发展。作为智能电子产品的重要组成部件，新型智能电子元器件正向片式化、微型化、高频化、宽频化、高精度化、集成化和绿色环保的方向发展。
当下有线充电的应用十分广泛，但不够方便，目前无线充电技术被看好；电场传感器能够测量高电压电力***中的瞬变电场，为气象保障提供可靠的手段和依据；接近觉传感器主要用于检测物体的位移，在航空、航天技术、日常生活中广泛应用。
在中国专利“一种无线充电接收线圈模组的组装方法”(公开号CN110634667A)中，其无线自动充电***提供了一种无线充电接收线圈模组的组装方法,涉及无线充电技术领域。无线充电接收线圈模组包括接收线圈和多层磁性材料,且接收线圈包括位于接收线圈内层的一内出线和位于接收线圈外层的一外出线；则组装方法具体包括：首先根据预设的走线方式制作一根连接导线，对连接导线表面进行绝缘处理,并对连接导线的两端进行预处理；将连接导线、接收线圈和多层磁性材料进行相互定位并组装,得到无线充电接收线圈模组。但是这种实现无线充电功能的方法的工序复杂，成本较高。
在中国专利“一种用于空间电场探测的传感器”(公开号CN104237653A)中，传感器结构包括球壳、内置壳体、内置电路板、左短杆及右短杆；所述内置电路板上设有前端电压检测电路、恒流源电路及自增益电路；球壳外表面涂覆环氧掺碳涂层,所述涂层的太阳吸收系数与总半球发射系数比值在0.95～1.2之间，且涂层厚度不小于15μm；左短杆和右短杆对称地设置在球壳的外表面上,内置壳体和内置电路板设置于球壳的内部；所述恒流源电路连接球壳外表面,用于向球壳表面施加-300nA到300nA的偏置电流；所述自增益电路分别连接球壳与内置壳体,用于将内置壳体电势置于球壳的电势上；所述前端电压检测电路连接球壳的外表面,用于采集球壳表面所感应的空间电势，并进行输出。但是这种传感器的体积较大。
在中国专利“一种用于接近接触检测的传感器及其制备方法”(公开号CN111457945A)中，该传感器包括传感材料层、导线，其中所述传感材料层是经浸泡处理的纸质材料，所述传感材料层与导线连接，所述导线用于向外部设备传送感测到的信号。该传感器制备过程如下：先制作传感材料的PVA浸泡液；再利用喷墨打印机按照设定的图形样式在滤纸中沉积PEDOT/PSS导电聚合物墨水；再将沉积PEDOT/PSS导电聚合物墨水的滤纸浸泡在PVA浸泡液中一段时间；然后将浸泡过的滤纸放置在常温常压下一段时间；最后在获得的样品两端用铜胶带接入导线，获得用于接近接触检测的传感器。但是该方式制作时间过长，需要大量时间用于静置滤纸。
但是，上述三项专利所述在研究电场感知、无线充电以及接近觉传感时无法做到多功能兼容，只能止步于单纯的一种功能。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能模块，以及可用于无线充电、电场感知以及接近觉感知的多功能装置。
本发明的智能模块，其主要由三电极体系器件或两电极体系器件构成；其中，三电极体系器件主要由MXene电极、甘汞电极、铂电极、电解液四部分组成；两电极体系器件主要由远离电场的远MXene电极、靠近电场的近MXene电极、电解质、隔膜组成。其中的MXene电极，可通过下述制备步骤获取：
1)制备MXene纳米片浆料：将LiF、HCL溶液、Ti3AlC2在30-40℃的温度下连续搅拌23-25h，再用去离子水反复洗涤并以3000-4000r min-1的速度离心，超声粉碎40-60min，最后以3000-4000r min-1的速度离心25-35min，得到MXene纳米片浆料；
2)制备MXene电极：清洗Ti箔，将MXene纳米片浆料涂在其表面，然后在50-60℃的温度下干燥3-4h。
优选的，当所述MXene纳米片浆料浓度为1-8mg ml-1，得到的MXene电极上MXene的厚度为1.33-6.47μm，MXene电极上MXene的质量负荷为0.157-1.255mg cm-2。步骤(1)所述LiF、HCL溶液、Ti3AlC2用量比一般为0.5-1.5g LiF、10-30mL HCL溶液、0.5-1.5g Ti3AlC2；HCL溶液浓度一般在6mol L-1～12mol L-1。
所述两电极体系器件可采用下述方法制备：将4-6g PVA、50-80mL去离子水、6-8gH2SO4在80-100℃下持续搅拌，再用PVA/H2SO4凝胶电解质包覆两个MXene电极，形成MXene电极/隔膜/MXene电极的三明治结构的全固态器件，最后在30-40℃下干燥。
本发明所述的多功能装置，其兼具无线充电、电场感知及接近觉感知功能，其由检测模块、控制模块、权利要求1-3任一项所述的智能模块、电场源模块组成；所述的检测模块用于检测通过智能模块获得的参数，该模块包括电化学工作站、显示屏；所述的智能模块与检测模块相连接，以用于实现将外部空间电场能转化为电能，即实现无线充电功能；所述的控制模块包括电源、程控开关和屏蔽板，电源连接程控开关，程控开关连接屏蔽板，所述屏蔽板用于调节到达智能模块的空间电场频率；所述屏蔽板中间设有小孔，小孔可开/关。当小孔关闭时，空间电场不能穿过屏蔽板而到达智能模块；屏蔽板的小孔打开时，空间电场能穿过屏蔽板，到达智能模块。另外，本发明所述的电场源模块还包括空间电场发生装置，用于施加电场。
优选的，所述智能模块主要由三电极体系器件构成，所述智能模块的MXene电极、甘汞电极、铂电极分别连接检测模块中电化学工作站的工作电极、参比电极、对电极。
优选的，所述智能模块也是主要由两电极体系器件构成，所述智能模块中远离电场的远MXene电极连接检测模块中电化学工作站的工作电极，智能模块中靠近电场的近MXene电极悬空，检测模块中电化学工作站的参比电极与对电极接地。
本发明所述多功能装置在无线充电技术中应用时，所述无线充电主要是通过检测模块与智能模块来实现的：采用三电极器件充电时，智能模块的MXene电极连接检测模块中的工作电极，智能模块的铂电极连接检测模块中的对电极，智能模块的甘汞电极连接检测模块中的参比电极，在空间电场中，智能模块中的MXene电极产生电流尖峰响应，且电流逐渐稳定为稳态电流时，视为充电，记录电流-时间响应，并显示典型响应曲线进行分析，其中充电电量等于从施加电场到关闭电场的时间乘以电流的积分。
本发明所述多功能装置在无线充电技术中应用时，所述无线充电主要是通过检测模块与智能模块来实现的：采用两电极器件充电时，智能模块的远MXene电极连接检测模块中的工作电极，智能模块的近MXene电极悬空，智能模块的隔膜用于隔开电解质，而检测模块的参比电极与对电极都接地，在空间电场中，智能模块中近MXene电极产生电流突然增加，且形成稳态电流响应，记录电流-时间响应，并显示典型响应曲线进行分析，实现无线充电功能，其中充电电量等于充电时间乘以平稳电流。
本发明所述多功能装置在电场感知技术中应用时，所述电场感知主要是通过检测模块、智能模块以及控制模块来实现的，用于检测空间电场强度：通过控制器控制屏蔽板小孔的开关从而控制电场的测试频率，通过控制模块来调节空间电场强度的测试频率，进而形成I-T曲线，以稳态电流来反映空间电场强度，经过标定得到变化电流值随场强变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两电场强度点之间的范围表示检测范围。
本发明所述多功能装置在接近觉感知技术中应用时，所述接近觉感知主要是通过检测模块、智能模块、控制模块以及电场源模块来实现的，用于检测对象的移动和/或存在信息：通过控制电场源模块的空间电场输出不同强度的电场，通过控制模块来调节空间电场强度的测试频率，当物体靠近时，通过电流的大小变化来反映物体的接近或远离，经过标定得到变化电流随距离变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，拟合决定系数表示传感线性，首尾两距离点之间的范围表示检测范围。
本发明所述的多功能装置，其兼具无线充电、电场感知及接近觉感知功能，会根据物体距离的不同输出不同强度的电场信号，用于代替开关等接触式检测方式。
本发明的原理为：
无线充电原理(三电极)：如图1a所示，无空间电场时，电解液里面的离子随机散布在多孔MXene薄膜周围，且电极区无载流子激发。则电流I1接近0毫安，该状态可以作为初始态(标记为过程I)，初始时间记为t1，如图2所示；当空间电场出现，MXene电极区域内的电子-空穴对被激活，然后迅速分离，被激发的空穴(或被激发的电子)分别沿着(或反向地)空间电场方向移动，直到它们最终到达电极的内表面，从而产生电流。同时，在AEF(空间电场)的作用下，电解液中的阳离子(或阴离子)也被激发，然后分别向MXene电极(或铂电极)迁移，分别在MXene区域产生主要(或次要)离子如图1b所示。接着，在多孔MXene材料和电解液之间形成电双层，形成空间电场能量的收集效应。在工作电极内部，之前到达的电子会形成势垒，以此阻挡后续到来的电子，从而导致充电电流逐渐减小如图1c所示，则电流迅速达到峰值,然后缓慢下降，直到接近恒定值(标记为过程II-①)，如图2所示；然后从空间电场激发的载流子将从外部电路补充到活性材料中，输入空间电场和***消耗之间的能量平衡效应可产生稳定的泄漏电流如图1c所示，则电流将保持稳定状态值I2，此时时间记为t2,,该过程可以作为稳态(标记为过程II-②)，,如图2所示；整个过程(过程II)包括一个递减过程(过程II-①)和一个稳态过程(过程II-②)，过程II-①表示充电过程，此阶段的电流增量记为△I＝I2-I1，响应时间记为△t＝t2-t1。关闭空间电场时，电解液中的这些阴阳离子将扩散到浓度较低的区域电流。然后将双电层对湮灭，形成反向放电电流，如图1d所示，则电流瞬间达到反向峰值，然后逐渐接近至0毫安，该过程为放电过程(标记为过程III)，如图2所示。其中充电电量计算公式为：
Figure BDA0002795410710000051
式中QC为充电电量，△I为电流增量(A)，△t为响应时间。
放电过程，可以用以下公式进行计算
Figure BDA0002795410710000052
其中QD为放电电量。
随后，当电流接近0mA时，装置将恢复到初始状态，并在空间电场中形成一个完整的充放电循环。
也即在给三电极体系器件充电时，在空间电场中，智能模块中的MXene电极产生电流尖峰响应，且电流逐渐稳定为稳态电流时，视为充电，其中充电电量等于从施加电场到关闭电场的时间乘以电流的积分。
无线充电原理(二电极)：相比于无线充电原理(三电极)，不同之处在于，开启空间电场后，电流在迅速达到峰值之后，不会先缓慢下降，再达到恒定值，而是直接保持稳定状态。且关闭空间电场之后，不会产生反向放电电流，而是电流直接变为0.其中充电电量计算公式为：
QC＝I·△t
③
式中QC为充电电量，I为电流平稳时的数值(A)，△t为响应时间。
随后，当电流接近0mA时，装置将恢复到初始状态，并在空间电场中形成一个完整的充放电循环。
也即在给两电极体系器件充电时，在空间电场中，智能模块中近MXene电极电流突然增加，且形成稳态电流响应，实现无线充电功能，其中充电电量等于充电时间乘以平稳电流。
电场响应原理(三电极)：相比于无线充电原理(三电极)，不同之处在于，电场感知是用于检测在无线充电过程中最后阶段的稳态电流。经过标定得到变化电流(电流升)随场强变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两电场强度点之间的范围表示检测范围。
电场响应原理(二电极)：相比于无线充电原理(三电极)，不同之处在于，电场感知是用于检测在无线充电过程中最后阶段的稳态电流。经过标定得到变化电流(电流升)随场强变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两电场强度点之间的范围表示检测范围。
接近觉原理(三电极)：当物体靠近时装置产生的电流响应会相应地降低，距离越接近，对电流的抑制越明显，以此实现接近觉感知功能。经过标定得到变化电流(电流降)随距离变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两距离点之间的范围表示检测范围。
接近觉原理(二电极)：当物体靠近时装置产生的电流响应会相应地降低，距离越接近，对电流的抑制越明显，以此实现接近觉感知功能。经过标定得到变化电流(电流降)随距离变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两距离点之间的范围表示检测范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明基于电化学测试的需要，可采用两种不同的检测方法：三电极测试和两电极测试方法。由此可以在不同条件的电场环境采用不同的检测方法。
2)本发明的传感器装置具有小巧轻便、便于移动、适用环境广、数据测量准确可靠等特点。
3)本发明的传感器实现了多功能化，在检测电场强度的同时还具备无线充电以及接近觉传感功能，可应用于智能机器人传感的研究领域。
附图说明
图1为本发明在空间电场下的无线充电三电极机制原理示意图；
图2为本发明实施例1无线充电方法(三电极)中用于分析的AEF中的典型I-T响应曲线图；
图3为本发明的多功能装置结构示意图，其中①为检测模块，11为显示屏，12为对电极，13为参比电极，14为工作电极，②为智能模块，21为两电极器件的远MXene电极，22为隔膜，23为近MXene电极，24为电解质；25为三电极器件的铂电极，26为电解液，27为甘汞电极，28为工作电极；③为控制模块，31为电源，32为控制器，33为屏蔽板，34为接近物体，④为电场源模块，41为电场发生装置；
图4为本发明实施例2无线充电方法(两电极)中用于分析的AEF中的典型I-T响应曲线图；
图5为本发明实施例3电场感知方法(三电极)中的在12.5mHz的测试频率下不同电极的AEF感应曲线图；
图6为本发明实施例3电场感知方法(三电极)中的MXene-E电极在不同测试频率下的AEF感应曲线图；
图7为本发明实施例4电场感知方法(两电极)中的MXene-E电极的△I和AEF感应曲线图；
图8为本发明实施例6接近觉感知方法(两电极)中的基于MXene-E电极的用于接近感应的I-T曲线图；
图9为本发明实施例6接近觉感知方法(两电极)中的基于MXene-E电极的用于接近感应的电流变化与距离的关系曲线图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
实施例1无线充电方法(三电极)
制备智能模块中MXene电极，其制备方法如下：
1).首先将LiF(1g)、HCL溶液(8mol L-1，20mL)、Ti3AlC2(1g)在35℃的温度下连续搅拌24h，再用去离子水反复洗涤并以3500r min-1的速度进行离心，然后超声50min，最后以35000r min-1的速度离心30min，即可获得含有MXene纳米片的浆料。
2).将Ti箔(3×1.7cm)用丙酮、乙醇和去离子水进行超声波清洗后，将MXene纳米片浆料涂在其表面，然后在50-60℃的温度下干燥3h，即可制备出MXene薄膜电极。在前驱体溶液(含有MXene纳米片的浆料)中，以不同的浓度制备了不同的MXene电极，当MXene纳米片的浆料浓度分别为1、2、4、6和8mg ml-1MXene时，电极分别表示为
Figure BDA0002795410710000081
得到的MXene的厚度分别为1.33、2.68、4.28、5.52、6.47μm，MXene电极上MXene的质量负荷分别为0.157、0.314、0.628、0.941、1.255mg cm-2。
智能模块2的三电极体系器件由MXene薄膜电极28与甘汞电极27、铂电极25、电解液26共同构成，如图3所示。其中，电解液为H2SO4溶液。智能模块所采用的铂电极尺寸为1cm(长)×0.2cm，对于无线充电三电极实验，铂电极与MXene电极之间的距离固定在约1cm。
如图3所示，基于本发明的无线充电装置由检测模块①与智能模块②组成，智能模块②的MXene电极28连接检测模块①中的工作电极14，智能模块②的铂电极25连接检测模块①中的对电极12，智能模块②的甘汞电极27连接检测模块①中的参比电极13。
记录电流-时间(I-T)响应，并对典型响应曲线进行分析，如图2所示，这些器件都显示出无线充电功能。在空间电场中，MXene-E电极曲线在稳定后拥有最大的QC值0.5C,而MXene-B电极曲线在稳定后拥有最小的QC值0.15C，其他的MXene-C与MXene-D电极曲线在稳定后拥有的最大的QC值分别为0.32C与0.43C。
实施例2无线充电方法(两电极)
制备智能模块中MXene薄膜电极和准固态电解质，其制备方法如下：
MXene薄膜电极为实例1的MXene-E电极，准固态电解质器件使用的材料为PVA(5g)、去离子水(60mL)、H2SO4(7g)，将其在85℃温度下持续搅拌，再用冷却的PVA/H2SO4混合溶液作为电解质包覆两个MXene电极，形成MXene-E电极/隔膜/MXene-E电极的三明治结构的全固态器件，最后在35℃的温度下干燥后即可获得。
智能模块②的两电极体系器件由近MXene-E电极23、隔膜22、远MXene-E电极21、电解质24组成，如图3所示。对于无线充电两电极实验，模块所采用两个MXene-E电极之间的距离固定在～1cm。
如图3所示，所述基于本发明的无线充电装置由检测模块①与智能模块②组成，其中智能模块②的远MXene-E电极21连接检测模块①中的工作电极14，智能模块②的近MXene-E电极23悬空，智能模块②的隔膜22用于隔开电解质24，而检测模块①的参比电极13与对电极12都接地。
记录电流-时间(I-T)响应，并对典型响应曲线进行分析，如图4所示。器件显示出无线充电功能，得到的充电电流在116μA左右，充电时间为56s。且MXene-E电极曲线在稳定后拥有最大的充电电量为0.184C。
实施例3电场感知方法(三电极)
电场感知功能采用了多功能装置，所述多功能装置包括检测模块①、智能模块②、控制模块③，如图3所示。MXene薄膜电极为实例1的MXene-B～E电极。智能模块②的三电极体系器件由MXene薄膜电极28与甘汞电极27、铂电极25、电解液26共同构成。其中，电解液为H2SO4溶液。智能模块②所采用的铂电极尺寸为1cm(长)×0.2cm(宽)，对于无线充电三电极实验，铂电极与MXene电极之间的距离固定在1cm。
其中控制模块③的电源31连接控制模块的控制器32，控制模块③的控制器32连接控制模块的屏蔽板33，通过控制屏蔽板小孔的开关(控制器32可实现调控屏蔽板上的小孔的开/关)从而控制电场的测试频率，通过控制模块来调节空间电场强度的测试频率(通过控制器控制屏蔽板上的小孔的开关频率，进而实现调节空间电场强度的测试频率)，进而形成I-T曲线，以稳态电流来反映空间电场强度。经过标定得到变化电流值随场强变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两电场强度点之间的范围表示检测范围；
智能模块②三个电极分别接在测试模块①的电化学工作站上，智能模块②的MXene电极28连接检测模块①中的工作电极14，智能模块②的铂电极25连接检测模块①中的对电极12，智能模块②的甘汞电极27连接检测模块①中的参比电极13。控制模块③的屏蔽板33与智能模块②的三电极器件的最右端距离设为L1，其值为1cm。
在12.5mHz的相同试验频率下，绘制了不同MXene电极和钛箔电极的△I和AEF强度之间的关系，并进行了线性拟合，在图5中，其中曲线斜率为灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度。可以看出，MXene-E的灵敏度最高，其拟合度值近似。在0-1100V m-1范围内，在25.0mHz下实现了14.42mμA V-1的最高灵敏度，具有95.22％的高拟合度。然后，在25.0、16.7、12.5和10.0mHz的不同测试频率下，绘制了MXene-E的△I和AEF强度之间的关系并线性拟合，如图6所示。在0-1100V m-1范围内，在25.0mHz下实现了14.42mμA V-1的最高灵敏度，具有95.22％的高拟合度。这些表明基于MXene-E的智能模块可以用作高性能的AEF强度传感器。
实施例4电场感知方法(两电极)
电场感知功能采用了多功能装置，所述多功能装置包括检测模块①、智能模块②、控制模块③，如图3所示。MXene薄膜电极为实例1的MXene-E电极。智能模块②的两电极体系器件由近MXene电极23、隔膜22、远MXene电极21、电解质24组成。对于无线充电两电极实验，模块所采用两个MXene电极之间的距离固定在～1cm。
其中控制模块③的电源31连接控制模块③的控制器32，控制模块③的控制器32连接控制模块③的屏蔽板33，智能模块②的远MXene电极21连接检测模块①中的工作电极14，智能模块②的近MXene电极23悬空，检测模块①的对电极12与参比电极13都接地。控制模块③的屏蔽板33与智能模块②的两电极器件的最右端距离设为L1，其值为1cm。
在12.5mHz的相同试验频率下，绘制了在不同的AEF强度下MXene-E的△I和AEF强度之间的关系并线性拟合，得到MXene-E的△I和AEF感应曲线，如图7所示。获得的灵敏度为4.86mμA V-1，拟合度为98.2％，说明该多功能装置具有AEF传感器功能。
实施例5接近觉感知应用测试方法(三电极)
接近觉感知功能采用了多功能装置，所述多功能装置包括检测模块①、智能模块②、控制模块③和电场源模块④，如图3所示。MXene薄膜电极为实例1的MXene-B～E电极。智能模块②的三电极体系器件由MXene薄膜电极28与甘汞电极27、铂电极25、电解液26共同构成。控制模块③中的物体34为模拟障碍物，其与屏蔽板33的距离记为L3。相对于传感器***的距离L3不同，记录响应电流。
其中控制模块③的电源31连接控制模块的控制器32，控制模块的控制器32连接控制模块的屏蔽板33，智能模块②三个电极分别接在测试模块①的电化学工作站上，智能模块②的MXene电极28连接检测模块①中的工作电极14，智能模块②的铂电极25连接检测模块①中的对电极12，智能模块②的甘汞电极27连接检测模块①中的参比电极13。控制模块③的屏蔽板33与智能模块②的三电极器件的最右端距离设为L1，其值为1cm。并将此多功能器件置于电场源模块④中电场发生装置41固定距离处(L2＝10cm)进行检测。
在频率为12.5mHz、强度为1100V m-1的空间电场条件下，当将某一物体34(尺寸约为17×8×3cm)作为屏障靠近***上方时，开始记录这一物体相对于传感器***的不同距离L3，不同的MXene电极所产生的响应电流。在没有物体的情况下，初始响应电流为50.5mA。随着距离的减小，响应电流将相应减小，说明该多功能装置具有接近觉感知功能。
实施例6接近觉感知方法(两电极)
接近觉感知功能采用了多功能装置，所述多功能装置包括检测模块①、智能模块②、控制模块③和电场源模块④，如图3所示。MXene薄膜电极为实例1的MXene-E电极。智能模块②的两电极体系器件由近MXene电极23、隔膜22、远MXene电极21、电解质24组成。控制模块③中的物体34为模拟障碍物，其与屏蔽板33的距离记为L3。相对于传感器***的距离L3不同，记录响应电流。
其中控制模块③的电源31连接控制模块③的控制器32，控制模块③的控制器32连接控制模块③的屏蔽板33，智能模块②的远MXene电极21连接检测模块①中的工作电极14，智能模块②的近MXene电极23悬空，检测模块①的对电极12与参比电极13都接地。控制模块③的屏蔽板33与智能模块②的两电极器件的最右端距离设为L1，其值为1cm。并将此多功能器件置于电场源模块④中电场发生装置41固定距离处(L2＝10cm)进行检测。
在频率为25.0mHz、强度为1100V m-1的空间电场条件下，当物体34(尺寸约为17×8×3cm)作为屏障靠近***上方时，开始记录物体相对于传感器***的不同距离L3所产生的响应电流。其中，物体充当电介质。相对于传感器***的距离L3不同，记录了响应电流，如图8所示：在没有物体的情况下，初始响应电流为4.65μA，如图8响应电流曲线(a)所示；当物体距离屏蔽板L3由20cm、16cm、12cm、8cm逐渐缩小时，对应的响应电流也逐渐减小，分别如图8响应电流曲线(b)、(c)、(d)、(e)所示。随着距离的减小，响应电流将相应减小，这是由于物体对***电场的分布会产生影响。然后，绘制电流变化与距离的关系如图9所示，所获得的灵敏度为7.01mμA V-1，拟合度为97.9％，检测范围为8～20cm。电流-距离关系图显示了在0～20cm的作用范围内的接近感知特性，这种特性在非接触条件下可以实现监测接近/离开的功能。
本发明基于实现无线充电、电场感知及接近觉感知功能的需要，建立了一种多功能电化学装置，不仅能够测量高电压电力***中的瞬变电场，可广泛用于电场强度探测的领域，为气象保障提供可靠的手段和依据。同时用于检测物体的位移，在航空、航天技术领域以及工业生产中都有广泛应用。
本发明的传感器装置具有小巧轻便、便于移动、适用环境广、数据测量准确可靠等特点。
本发明的传感器实现了多功能化，在检测电场强度的同时还具备无线充电以及接近觉传感功能，可应用于智能机器人传感的研究领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能模块，其主要由三电极体系器件或两电极体系器件构成；其中，三电极体系器件主要由MXene电极、甘汞电极、铂电极、电解液四部分组成；两电极体系器件主要由远离电场的远MXene电极、靠近电场的近MXene电极、电解质、隔膜组成。
2.根据权利要求1所述的智能模块，其特征在于，其中的MXene电极，其制备步骤如下：
1)制备MXene纳米片浆料：将LiF、HCL溶液、Ti3AlC2在30-40℃的温度下连续搅拌23-25h，再用去离子水反复洗涤并以3000-4000r min-1的速度离心，超声粉碎40-60min，最后以3000-4000r min-1的速度离心25-35min，得到MXene纳米片浆料；
2)制备MXene电极：清洗Ti箔，将MXene纳米片浆料涂在其表面，然后在50-60℃的温度下干燥3-4h。
3.根据权利要求1所述的智能模块，其特征在于，所述两电极体系器件采用下述方法制备：将4-6g PVA、50-80mL去离子水、6-8g H2SO4在80-100℃下持续搅拌，再用PVA/H2SO4凝胶电解质包覆两个MXene电极，形成MXene电极/隔膜/MXene电极的三明治结构的全固态器件，最后在30-40℃下干燥。
4.一种兼具无线充电、电场感知及接近觉感知功能的多功能装置，其由检测模块、控制模块、权利要求1-3任一项所述的智能模块、电场源模块组成；
所述的检测模块用于检测通过智能模块获得的参数，该模块包括电化学工作站、显示屏；所述的智能模块与检测模块相连接，以用于实现将外部空间电场能转化为电能，即实现无线充电功能；所述的控制模块包括电源、程控开关和屏蔽板，电源连接程控开关，程控开关连接屏蔽板，所述屏蔽板用于调节到达智能模块的电场频率；所述的电场源模块包括电场发生装置，用于施加电场。
5.根据权利要求4所述的多功能装置，其特征在于，所述智能模块主要由三电极体系器件构成，所述智能模块的MXene电极、甘汞电极、铂电极分别连接检测模块中电化学工作站的工作电极、参比电极、对电极。
6.根据权利要求4所述的多功能装置，其特征在于，所述智能模块主要由两电极体系器件构成，所述智能模块中远离电场的远MXene电极连接检测模块中电化学工作站的工作电极，智能模块中靠近电场的近MXene电极悬空，检测模块中电化学工作站的参比电极与对电极接地。
7.权利要求4-6所述多功能装置在无线充电技术中的应用，其特征在于，所述无线充电主要是通过检测模块与智能模块来实现的：采用三电极器件充电时，智能模块的MXene电极连接检测模块中的工作电极，智能模块的铂电极连接检测模块中的对电极，智能模块的甘汞电极连接检测模块中的参比电极，在空间电场中，智能模块中的MXene电极产生电流尖峰响应，且电流逐渐稳定为稳态电流时，视为充电，记录电流-时间响应，并显示典型响应曲线进行分析，其中充电电量等于从施加电场到关闭电场的时间乘以电流的积分。
8.权利要求4-6所述多功能装置在无线充电技术中的应用，其特征在于，所述无线充电主要是通过检测模块与智能模块来实现的：采用两电极器件充电时，智能模块的远MXene电极连接检测模块中的工作电极，智能模块的近MXene电极悬空，智能模块的隔膜用于隔开电解质，而检测模块的参比电极与对电极都接地，在空间电场中，智能模块中近MXene电极产生电流突然增加，且形成稳态电流响应，记录电流-时间响应，并将典型响应曲线进行分析，实现无线充电功能，其中充电电量等于充电时间乘以平稳电流。
9.权利要求4-6所述多功能装置在电场感知技术中的应用，其特征在于，所述电场感知主要是通过检测模块、智能模块以及控制模块来实现的，用于检测电场强度：通过控制器控制屏蔽板小孔的开关从而控制电场的测试频率，通过控制模块来调节空间电场强度的测试频率，进而形成I-T曲线，以稳态电流来反映空间电场强度，经过标定得到变化电流值随场强变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，线性回归直线对实验值的拟合程度表示拟合度，首尾两电场强度点之间的范围表示检测范围。
10.权利要求4-6所述多功能装置在接近觉感知技术中的应用，其特征在于，所述接近觉感知主要是通过检测模块、智能模块、控制模块以及电场源模块来实现的，用于检测对象的移动和/或存在信息：通过控制电场源模块的空间电场输出不同强度的电场，通过控制模块来调节空间电场强度的测试频率，当物体靠近时，通过电流的大小变化来反映物体的接近或远离，经过标定得到变化电流随距离变化图，其中曲线斜率表示灵敏度，拟合决定系数表示传感线性，首尾两距离点之间的范围表示检测范围。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018039298A1 (en) * 2016-08-25 2018-03-01 Drexel University Antennas comprising mx-ene films and composites
WO2018106186A1 (en) * 2016-12-06 2018-06-14 Singapore University Of Technology And Design Method of manufacturing capacitive deionization (cdi) device, cdi device and apparatus for treating water, electrode for capacitive deionization and method of forming same
CN108383121A (zh) * 2018-03-02 2018-08-10 东莞理工学院 具有Mo空位的MXene纳米片的制备方法及应用
CN108923687A (zh) * 2018-07-18 2018-11-30 吉林大学 Ti3C2Tx电化学驱动器及其制备方法
CN109163824A (zh) * 2018-10-10 2019-01-08 北京理工大学 一种具有触觉和接近觉双模感知功能的柔性电子皮肤
CN109884410A (zh) * 2019-03-25 2019-06-14 安徽大学 一种复合电极与制备及在电场检测中的应用
CN110117807A (zh) * 2019-03-09 2019-08-13 深圳市中科墨磷科技有限公司 一种二维材料-过渡金属异质结薄片的制备方法
CN110398259A (zh) * 2019-07-19 2019-11-01 东南大学 多感知功能的柔性传感器件及制备方法
CN111482188A (zh) * 2020-04-01 2020-08-04 广州大学 一种Ti3C2Tx-TiO2复合材料及其制备方法和应用
CN111537098A (zh) * 2020-04-08 2020-08-14 中山大学 柔性电容式温度传感器及其制作方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018039298A1 (en) * 2016-08-25 2018-03-01 Drexel University Antennas comprising mx-ene films and composites
WO2018106186A1 (en) * 2016-12-06 2018-06-14 Singapore University Of Technology And Design Method of manufacturing capacitive deionization (cdi) device, cdi device and apparatus for treating water, electrode for capacitive deionization and method of forming same
CN108383121A (zh) * 2018-03-02 2018-08-10 东莞理工学院 具有Mo空位的MXene纳米片的制备方法及应用
CN108923687A (zh) * 2018-07-18 2018-11-30 吉林大学 Ti3C2Tx电化学驱动器及其制备方法
CN109163824A (zh) * 2018-10-10 2019-01-08 北京理工大学 一种具有触觉和接近觉双模感知功能的柔性电子皮肤
CN110117807A (zh) * 2019-03-09 2019-08-13 深圳市中科墨磷科技有限公司 一种二维材料-过渡金属异质结薄片的制备方法
CN109884410A (zh) * 2019-03-25 2019-06-14 安徽大学 一种复合电极与制备及在电场检测中的应用
CN110398259A (zh) * 2019-07-19 2019-11-01 东南大学 多感知功能的柔性传感器件及制备方法
CN111482188A (zh) * 2020-04-01 2020-08-04 广州大学 一种Ti3C2Tx-TiO2复合材料及其制备方法和应用
CN111537098A (zh) * 2020-04-08 2020-08-14 中山大学 柔性电容式温度传感器及其制作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴玉东: "MXene基高面电容可拉伸微型超级电容器阵列", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》 *

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