一種基于摩擦電的乙醇傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于摩擦電的乙醇傳感器，包括依次層疊設(shè)置的第一電極層，隔離層和第二電極層。第一電極層包括第一電極和第一高分子聚合物絕緣層，第一高分子聚合物絕緣層設(shè)置在第一電極朝向第二電極層的側(cè)表面上。隔離層具有至少一個空腔，第一電極層和所述第二電極層通過所述空腔接觸摩擦；第二電極層進(jìn)一步包括第二電極。第一電極層或第二電極層上面還設(shè)有至少一個通孔，通孔和空腔位置對應(yīng)，通孔用于乙醇的輸入和輸出。第一高分子聚合物絕緣層和第二電極中相對的兩個側(cè)表面作為所述乙醇傳感器的摩擦界面，第一電極和第二電極作為乙醇傳感器的信號輸出端。該乙醇傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，并且制作工藝簡單，靈敏度高，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。
【專利說明】—種基于摩擦電的乙醇傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種乙醇傳感器，尤其涉及一種基于摩擦電的乙醇傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]乙醇傳感器在社會上及工業(yè)上應(yīng)用很多，如交通警察用于測試駕駛員是否醉駕用的手持式酒精濃度測試儀，發(fā)酵工業(yè)上通過在線測試發(fā)酵液中的酒精含量來實現(xiàn)發(fā)酵過程自動控制等。隨著社會的進(jìn)步，機(jī)動車輛與日俱增，機(jī)動車駕駛?cè)藛T“酒后駕車”及“醉酒駕車”極易發(fā)生道路交通事故，嚴(yán)重危害了道路交通安全和人民生命財產(chǎn)安全。人飲酒后，酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收，經(jīng)過血液循環(huán)，約有90%的酒精通過肺部呼氣排出，因此測量呼氣中的酒精含量，就可判斷其醉酒程度。
[0003]現(xiàn)有乙醇傳感器普遍采用的是金屬氧化物半導(dǎo)體型的酒精傳感器，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝繁瑣，而且整個傳感器的成本價格高昂，不能普遍適用廣大群體。因此提供一種檢測精度高、結(jié)構(gòu)簡單并且成本低廉的乙醇傳感器是亟待解決的重要問題。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型提供了一種基于摩擦電的乙醇傳感器，利用高分子聚合物絕緣層對乙醇具有的濕潤性，可以用于檢測乙醇濃度，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的乙醇傳感器制作工藝繁瑣，成本高昂的問題。
[0005]本實用新型提供一種基于摩擦電的乙醇傳感器，包括依次層疊設(shè)置的第一電極層，隔離層和第二電極層。第一電極層包括第一電極和第一高分子聚合物絕緣層，第一高分子聚合物絕緣層設(shè)置在第一電極朝向第二電極層的側(cè)表面上。隔離層具有至少一個空腔，第一電極層和所述第二電極層通過所述空腔接觸摩擦；第二電極層進(jìn)一步包括第二電極。第一電極層或第二電極層上面還設(shè)有至少一個通孔，通孔和空腔位置對應(yīng)，通孔用于乙醇的輸入和輸出。第一高分子聚合物絕緣層和第二電極中相對的兩個側(cè)表面作為所述乙醇傳感器的摩擦界面，第一電極和第二電極作為乙醇傳感器的信號輸出端。
[0006]本實用新型的基于摩擦電的乙醇傳感器，利用作為摩擦界面的高分子聚合物絕緣層對乙醇具有濕潤性，從而將空腔中的乙醇吸附在絕緣層表面，影響傳感器的輸出電壓，該乙醇傳感器的輸出電壓與乙醇體積變化呈一定的線性關(guān)系。并且通過在第一電極層和第二電極層之間設(shè)置隔離層，一方面提高摩擦界面的接觸分離，另一方面在隔離層上形成用于乙醇蒸汽或液體注入和存儲的多邊形空腔或螺旋形空腔，從而保證了乙醇與摩擦界面的接觸，可以提高該乙醇傳感器的靈敏度。該基于摩擦電的乙醇傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，并且制作工藝簡單，靈敏度高，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1示出了本實用新型中第一實施例的乙醇傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2示出了本實用新型中第一實施例的乙醇傳感器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；[0009]圖3示出了本實用新型中第二實施例的乙醇傳感器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖4示出了本實用新型中第三實施例的乙醇傳感器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖5示出了本實用新型中第四實施例的乙醇傳感器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖6示出了圖3中乙醇傳感器的電壓隨乙醇體積的變化示意圖；
[0013]圖7示出了圖5中乙醇傳感器的電壓隨乙醇體積的變化示意圖。
【具體實施方式】
[0014]為充分了解本實用新型之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對實用新型做詳細(xì)說明，但實用新型并不僅僅限于此。
[0015]本實用新型提供了一種基于摩擦電的乙醇傳感器，利用作為摩擦界面的高分子聚合物絕緣層對乙醇具有濕潤性，從而將空腔中的乙醇吸附在絕緣層表面，影響傳感器的輸出電壓，該乙醇傳感器的輸出電壓與乙醇體積變化呈一定的線性關(guān)系，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中的乙醇傳感器制作工藝繁瑣，成本價格高昂的問題。
[0016]請參閱圖1和圖2，圖1和圖2分別示出了本實用新型的一種基于摩擦電的乙醇傳感器的第一實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖和本實用新型中第一實施例的基于摩擦電的乙醇傳感器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖，本實用新型的第一實施例的基于摩擦電的乙醇傳感器100包括依次層疊設(shè)置的第一電極層(圖未標(biāo)示)，隔離層13和第二電極層(圖未標(biāo)示)。
[0017]第一電極層進(jìn)一步包括第一電極11和第一高分子聚合物絕緣層12，第一高分子聚合物絕緣層12設(shè)置在第一電極11朝向所述第二電極層的側(cè)表面上，第一高分子聚合物絕緣層12和所述第二電極層中相對的兩個側(cè)表面作為所述乙醇傳感器的摩擦界面。
[0018]隔離層13設(shè)置在形成摩擦界面的兩個表面之間，并且隔離層13具有至少一個空腔131，且空腔為多邊形空腔。其中，圖2示出了空腔131為六邊形的情況，當(dāng)然多邊形空腔還可以三角形和/或四邊形和/或五邊形等其他形式。
[0019]第一電極層和第二電極層通過空腔131進(jìn)行接觸摩擦，空腔131可以用于乙醇的注入和存儲，另外，空腔131不僅可以提高摩擦界面的接觸分離，同時還使注入的乙醇通過空腔擴(kuò)散并吸附在第一高分子聚合物絕緣層12上，多邊形空腔的存在較好的提高了乙醇傳感器的靈敏度。
[0020]其中，為保證摩擦界面的接觸與分離，空腔優(yōu)選邊長為2.5?4_的六邊形，空腔間的距離優(yōu)選0.4?1mm。
[0021]由于隔離層的厚度會影響摩擦電壓的輸出，當(dāng)隔離層太厚時，第一高分子聚合物絕緣層和第二電極不能很好接觸摩擦，當(dāng)隔離層太薄時，第一電極層和第二電極層不能很好分離，所以隔離層的厚度優(yōu)選20?50 μ m。
[0022]第二電極層進(jìn)一步包括第二電極14，隔離層13將第一高分子聚合物絕緣層12和第二電極14分隔開，可以使第一高分子聚合物絕緣層12和第二電極14更好的接觸和分離。另外，第一高分子聚合物絕緣層12和第二電極14通過隔離層13上的多個空腔131進(jìn)行接觸摩擦發(fā)電，且第一電極11和第二電極14作為所述乙醇傳感器的的信號輸出端。
[0023]第一電極層或第二電極層上還設(shè)有一個通孔110 (本實施例中的通孔110設(shè)置在第一電極層上，當(dāng)然還可以設(shè)置在第二電極層上，本實用新型的思想不局限于此)，通孔110和空腔131位置對應(yīng)，通孔131用于乙醇的注入和輸出；其中，當(dāng)空腔有多個時，乙醇蒸汽可以通過與通孔Iio相對的空腔131擴(kuò)散至其他周邊空腔并吸附在摩擦界面上。
[0024]當(dāng)乙醇傳感器處于未擠壓狀態(tài)時，隔離層13可以將第一高分子聚合物絕緣層和第二電極分隔開，當(dāng)擠壓整個乙醇傳感器時，第一高分子聚合物絕緣層和第二電極通過空腔摩擦接觸并在第一電極和第二電極上分別感應(yīng)出電荷。
[0025]本實施例中的基于摩擦電的乙醇傳感器，第一高分子聚合物絕緣層需具備較好濕潤性，這樣乙醇蒸汽或液體才能吸附在第一高分子聚合物絕緣層上，乙醇蒸汽或液體的存在會降低摩擦層面的摩擦電荷量，從而造成乙醇傳感器輸出電壓的下降，乙醇傳感器的輸出電壓與乙醇吸附在摩擦面上的濃度成線性關(guān)系，即通過檢測乙醇傳感器的輸出電壓的大小就可測出乙醇的濃度。
[0026]下面介紹實施例一中乙醇傳感器中各層的材料選擇:
[0027]第一高分子聚合物絕緣層緣層所用材料為對乙醇具有濕潤性的PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PTFE (聚四氟乙烯)、PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PA (聚酰胺)中的任一種。
[0028]隔離層所用材料為PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PVC (聚氯乙烯)、PE (聚乙烯塑料)、PTFE(聚四氟乙烯)、PP(聚丙烯塑料)、聚偏氟乙烯、聚酯纖維、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烴、CPE (氯化聚乙烯)、CMS (氯磺化聚乙烯)、四氟乙烯、聚苯乙烯、EVA (乙烯-醋酸乙烯共聚物)、TPV (熱塑性硫化橡膠)、TPU (熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)、EPDM (三元乙丙橡膠)、TPR (熱塑性彈性體)、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜中的任一種。
[0029]第一電極所用材料是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩，合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、鈮合金或鉭合金；所述第二電極所用材料是金屬或合金。
[0030]請參閱圖3，圖3示出了本實用新型的第二實施例的乙醇傳感器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖立，本實施例中的乙醇傳感器200包括依次層疊設(shè)置的第一電極層(圖未標(biāo)示)，隔離層23和第二電極層。
[0031]其中，第一電極層進(jìn)一步包括第一電極21和第一高分子聚合物絕緣層22，第一高分子聚合物絕緣層22設(shè)置在第一電極21朝向所述第二電極層的側(cè)表面上，第一高分子聚合物絕緣層22和所述第二電極層中相對的兩個側(cè)表面作為乙醇傳感器的摩擦界面。
[0032]隔離層23設(shè)置在形成摩擦界面的兩個表面之間，且隔離層23上設(shè)置有至少一個空腔231，空腔231的形狀、大小、設(shè)置形式及作用可以參考實施例一，此處不在贅述。
[0033]關(guān)于隔離層的厚度大小可以參考實施例一，此處不在贅述。
[0034]第二電極層進(jìn)一步包括第二電極24和第二高分子聚合物絕緣層25，第二聚合物絕緣層25設(shè)置在第二電極24朝向所述第一電極層的側(cè)表面上。隔離層23將第一高分子聚合物絕緣層22和第二高分子聚合物絕緣層25分隔開，可以使兩個高分子聚合物絕緣層更好的接觸和分離。兩個高分子聚合物絕緣層通過隔離層23上的多個空腔231進(jìn)行接觸并摩擦發(fā)電，第一電極21和第二電極24作為乙醇傳感器的信號輸出端。
[0035]第一電極層或第二電極層上面還設(shè)有一個通孔210 (本實施例中的通孔210設(shè)置在第一電極層上面，當(dāng)然還可以設(shè)置在第二電極層上，本實用新型的思想不局限于此)，通孔210和空腔231位置對應(yīng)，通孔231用于乙醇的輸入和輸出。
[0036]另外，本實施例中乙醇傳感器的第一電極和/或第二電極所用材料為銦錫氧化物，石墨烯時，乙醇傳感器還進(jìn)一步包括支撐層(圖未示意)，支撐層和所述第一電極或第二電極固定一體，用于支撐所述第一電極或第二電極。
[0037]本實施例中的基于摩擦電的乙醇傳感器，第一高分子聚合物絕緣層需具備較好濕潤性，這樣乙醇蒸汽或液體才能吸附在第一高分子聚合物絕緣層上，乙醇蒸汽或液體的存在會降低摩擦層面的摩擦電荷量，從而造成乙醇傳感器輸出電壓的下降，乙醇傳感器的輸出電壓與吸附在摩擦面上的乙醇濃度成線性關(guān)系，即通過檢測乙醇傳感器的輸出電壓的大小即可測出乙醇的濃度。
[0038]下面介紹實施例二中乙醇傳感器中各層的材料選擇:
[0039]第一高分子聚合物絕緣層和隔離層所用材料請參考和實施例一中第一高分子聚合物絕緣層和隔離層所用材料；第一電極和第二電極所以材料請參考實施例一中第一電極所用材料。
[0040]第二高分子聚合物絕緣層所用材料為PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PVC (聚氯乙烯)、PE (聚乙烯塑料)、PTFE (聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯塑料)、聚偏氟乙烯、聚酯纖維、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烴、CPE (氯化聚乙烯)、CMS (氯磺化聚乙烯)、四氟乙烯、聚苯乙烯、EVA (乙烯-醋酸乙烯共聚物)、TPV (熱塑性硫化橡膠)、TPU(熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)、EPDM (三元乙丙橡膠)、TPR (熱塑性彈性體)、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜中的任一種。
[0041]請參閱圖4，圖4示出了本實用新型的第三實施例的乙醇傳感器400的結(jié)構(gòu)爆炸示意圖，本實用新型的第三實施例的乙醇傳感器400包括依次層疊設(shè)置的第一電極層(圖未標(biāo)示)，隔離層43和第二電極層(圖未標(biāo)示)。
[0042]本實施例中乙醇傳感器的結(jié)構(gòu)層次及發(fā)電原理都與實施例一中乙醇傳感器的一樣，即第一電極層進(jìn)一步包括第一電極41和第一高分子聚合物絕緣層42，第二電極層進(jìn)一步包括第二電極44，隔離層43將第一高分子聚合物絕緣層和第二電極分隔開，可以使第一高分子聚合物絕緣層42和第二電極44更好的接觸和分離。
[0043]本實施例的乙醇傳感器與實施例一中乙醇傳感器的不同之處在于，本實施例采用的隔離層43上的空腔為螺旋形空腔430，螺旋形空腔430包括貫通的第一端431和第二端432，第一高分子聚合物絕緣層42和第二電極44通過螺旋形空腔430進(jìn)行接觸摩擦發(fā)電。
[0044]螺旋形空腔430不僅可以提高摩擦界面的接觸分離，同時還使注入的乙醇擴(kuò)散并吸附在第一高分子聚合物絕緣層42上，螺旋形空腔的存在較好的提高了乙醇傳感器的靈敏度。
[0045]另外，本實施例中的通孔包括設(shè)于第一電極層或第二電極層上的一入口 411和一出口 412(本實施例中的入口和出口設(shè)置在第一電極層上面，當(dāng)然還可以設(shè)置在第二電極層上，本實用新型的思想不局限于此)，螺旋形空腔430包括貫通的兩端，入口 411對應(yīng)螺旋形空腔430的第一端431，出口 412對應(yīng)螺旋體430的第二端432，入口 411和第一端431用于乙醇的注入，出口 412和所述第二端432用于乙醇的輸出。當(dāng)然本實施例中的入口和出口還可以共用一個，即在第一電極層或者第二電極層上面設(shè)置一個通孔即可。
[0046]本實施例的乙醇傳感器檢測乙醇的原理與實施例一中乙醇傳感器的檢測原理一樣，各層材料的選擇可以參照實施例一中乙醇傳感器的各層材料。
[0047]需要說明的是，為了使第一電極層和第二電極層更好的接觸和分離，隔離層的厚度優(yōu)選20?50 μ m，隔離層上的螺旋形空腔由中心向外擴(kuò)散，至少具有一圈，優(yōu)選5圈，空腔的寬度為I?2mm。當(dāng)空腔為5圈時，空腔的寬度優(yōu)選1.8mm。
[0048]請參閱圖5，圖5示出了本實用新型的第四實施例的乙醇傳感器的結(jié)構(gòu)爆炸示意圖，本實施例中的乙醇傳感器500包括依次層疊設(shè)置的第一電極層(圖未標(biāo)示)，隔離層53和第二電極層。
[0049]本實施例中乙醇傳感器的結(jié)構(gòu)層次及發(fā)電原理都與實施例二中乙醇傳感器的一樣，即第一電極層進(jìn)一步包括第一電極51和第一高分子聚合物絕緣層52，第二電極層進(jìn)一步包括第二高分子聚合物絕緣層55和第二電極56，隔離層53將第一高分子聚合物絕緣層52和第二高分子聚合物絕緣層55分隔開，可以使第一高分子聚合物絕緣層52和第二高分子聚合物絕緣層55更好的接觸和分離。
[0050]本實施例的乙醇傳感器與實施例二中乙醇傳感器的不同之處在于，本實施例采用的隔離層53上的空腔為螺旋形空腔530，螺旋形空腔530包括貫通的第一端531和第二端532，第一高分子聚合物絕緣層52和第二高分子聚合物絕緣層55通過螺旋形空腔530進(jìn)行接觸摩擦發(fā)電。
[0051]另外，本實施例中的通孔包括設(shè)于第一電極層或第二電極層上的一入口 511和一出口 512(本實施例中的入口和出口設(shè)置在第一電極層上面，當(dāng)然還可以設(shè)置在第二電極層上，本實用新型的思想不局限于此)，螺旋形空腔530包括貫通的兩端，入口 511對應(yīng)螺旋形空腔530的第一端531，出口 512對應(yīng)螺旋形空腔530的第二端532，入口 511和第一端531用于乙醇的注入，出口 512和所述第二端532用于乙醇的輸出。當(dāng)然本實施例中的入口和出口還可以共用一個，即在第一電極層或者第二電極層上面設(shè)置一個通孔即可。
[0052]本實施例的乙醇傳感器檢測乙醇的原理與實施例二中乙醇傳感器的檢測原理一樣，各層材料的選擇可以參照實施例二中乙醇傳感器的各層材料。
[0053]需要說明的是，為了使第一電極層和第二電極層更好的接觸和分離，隔離層的厚度優(yōu)選20?50 μ m，隔離層上的螺旋形空腔由中心向外擴(kuò)散，至少具有一圈，優(yōu)選5圈，空腔的寬度為I?2mm。當(dāng)空腔為5圈時，空腔的寬度優(yōu)選1.8mm。
[0054]另外，本實施例中乙醇傳感器的第一電極或第二電極所用材料為銦錫氧化物，石墨烯時，乙醇傳感器還進(jìn)一步包括支撐層(圖未示意)，支撐層和所述第一電極或第二電極固定一體，用于支撐所述第一電極或第二電極。
[0055]實施例一至四中的隔離層可以將兩個摩擦層隔離分開，確保兩個摩擦層在不受擠壓的情況下，不會彼此接觸。隔離層中空腔的形狀可以采用激光蝕刻的方法，在高分子薄膜上切割出具有實施例一至二中的多邊形空腔的隔離層和實施例三至四中螺旋形空腔的隔離層，除此，還可以根據(jù)需要刻蝕出其他形狀空腔的隔離層。
[0056]當(dāng)使用上述實施例一至四中乙醇傳感器時，注入乙醇5ul至20ul之后，將其置于90?100°C的加熱板上加熱數(shù)分鐘，優(yōu)選加熱I至2分鐘，并以膠帶封住注入口使乙醇蒸氣留在器件里，用固定頻率(4Hz)與壓力(40Nt)的激振器，壓及器件上下兩表面，記錄電壓輸出，便可得到電壓隨乙醇體積變化的線性圖，從而檢測出乙醇的濃度。
[0057]進(jìn)一步的，如需再次使用乙醇傳感器可以將其置于90?100°C加熱板上加熱10分鐘以去除之前實驗里殘留的乙醇，從而保證每次所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
[0058]另外，同樣結(jié)構(gòu)層次的具有螺旋形空腔的乙醇傳感器和具有六邊形空腔的乙醇傳感器相比，螺旋形空腔中乙醇蒸汽和摩擦面的接觸面積更大，所以具有螺旋形空腔的乙醇傳感器的靈敏度更高，下面將通過具體實施例進(jìn)行說明。
[0059]本實用新型的乙醇傳感器通過設(shè)置隔離層，在隔離層上面設(shè)置空腔，并在第一電極層或第二電極層上面設(shè)置乙醇出入口，通過檢測摩擦發(fā)電產(chǎn)生的電壓與乙醇體積的線性變化，可以獲知乙醇濃度大小，從而可以用于乙醇濃度的檢測，例如:可以用于發(fā)酵工業(yè)中乙醇濃度的檢測及酒駕人員呼氣中的酒精濃度的檢測等。本實用新型的乙醇傳感器制作工藝簡單，靈敏度高，可以極大的節(jié)約成本，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0060]本實用新型的基于摩擦電的乙醇傳感器利用作為摩擦界面的高分子聚合物絕緣層對乙醇具有濕潤性，從而將空腔中的乙醇吸附在絕緣層表面，并且通過在第一電極層和第二電極層之間設(shè)置隔離層，一方面提高摩擦界面的接觸分離，另一方面在隔離層上形成用于乙醇蒸汽或液體注入和存儲的多邊形空腔或螺旋形空腔，從而保證了乙醇與摩擦界面的接觸，影響傳感器的輸出電壓，提高了該乙醇傳感器的靈敏度。
[0061]下面通過具體的實施例來闡述本實用新型的乙醇傳感器的方法的實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這不應(yīng)被理解為對本實用新型權(quán)利要求范圍的限制。
[0062]實施例1
[0063]乙醇傳感器的尺寸為5cmX3.5cm,總厚度大約是0.54mm。如圖3所示乙醇傳感器200包括依次層疊設(shè)置的第一電極層(圖未標(biāo)示)，隔離層23和第二電極層(圖未標(biāo)示)。
[0064]第一電極層包括第一電極21和第一高分子聚合物絕緣層22，第一高分子聚合物絕緣層22設(shè)置在第一電極21朝向所述第二電極層的側(cè)表面上；第一電極層和第二電極層之間形成摩擦界面，隔離層23設(shè)置在形成的摩擦界面之間，隔離層23上設(shè)置有多個六邊形空腔231 ;第二電極層包括第二電極24和第二高分子聚合物絕緣層25，第二聚合物絕緣層25設(shè)置在第二電極24朝向所述第一電極層的側(cè)表面上。
[0065]第一電極層上面還設(shè)有一個通孔210，通孔210的位置和隔離層23上的其中一個空腔231的位置對應(yīng)，通孔用于乙醇的注入和輸出。
[0066]第一高分子聚合物絕緣層22和第二聚合物絕緣層25通過隔離層23上的多個空腔231進(jìn)行接觸摩擦發(fā)電，且第一電極21和第二電極24作為所述乙醇傳感器的信號輸出端。
[0067]第一高分子聚合物絕緣層所用材料是選用對乙醇濕潤性較好的PDMS (二甲基硅氧烷)，厚度為30um;具有六邊形空腔的隔離層所用材料是PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)，厚度為30um，六邊形空腔的邊長為為4mm。第二高分子聚合物絕緣層所用材料是PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)，厚度為0.24mm。
[0068]第一電極21和第二電極22所用材料是ITO(銦錫氧化物)導(dǎo)電薄膜，為了支撐ITO導(dǎo)電薄膜，第一電極21還另外包括一和ITO固定一體的PET (圖未示意)，ITO和PET整體作為第一電極，而第二電極ITO可以通過將其固定在第二高分子聚合物絕緣層PET上對其支撐。
[0069]封裝時，首先將隔離層的一側(cè)面與固定有第二電極的第二高分子聚合物絕緣層以3M SP7533印刷用水性接著劑密封一體，隔離層的另一側(cè)面與第一高分子聚合物絕緣層PDMS以等離子體氧化后置于100°C加熱板上脫水10分鐘后密封。
[0070]請參閱圖6，圖6示出圖3中乙醇傳感器的電壓隨乙醇體積的變化示意圖。在乙醇傳感器的通孔中注入5?20 μ L乙醇后，將乙醇傳感器置于100°的加熱板上加熱I分鐘后，并以膠帶封住通孔使乙醇蒸氣留在乙醇傳感器里，并用固定頻率(4Hz)與壓力(40Nt)的激振器測量傳感器輸出電壓，得知乙醇傳感器的輸出電壓隨著乙醇傳感器里的乙醇體積增加而降低，并且兩者之間成一定線性關(guān)系。
[0071]實施例2
[0072]乙醇傳感器的尺寸為4cmX3.5cm,總厚度大約是0.54mm。如圖5所示乙醇傳感器500包括依次層疊設(shè)置的第一電極層(圖未標(biāo)示)，隔離層53和第二電極層(圖未標(biāo)示)。
[0073]第一電極層包括第一電極51和第一高分子聚合物絕緣層52，第一高分子聚合物絕緣層52設(shè)置在第一電極51朝向所述第二電極層的側(cè)表面上；第一電極層和第二電極層之間形成摩擦界面，隔離層53設(shè)置在形成的摩擦界面之間，隔離層53上設(shè)置有螺旋形空腔530，第一高分子聚合物絕緣層52和第二電極層通過螺旋形空腔接觸并摩擦發(fā)電；第二電極層包括第二電極56和第二高分子聚合物絕緣層55，第二聚合物絕緣層55設(shè)置在朝向所述第一電極層的側(cè)表面上。
[0074]至少一通孔包括一入口 511和一出口 512，入口和出口設(shè)置于第一電極層或第二電極層上面，螺旋形空腔530包括第一端531和第二端532，入口 511對應(yīng)螺旋形空腔530的第一端531，出口 512對應(yīng)螺旋形空腔530的第二端532，入口 511和第一端531用于乙醇的注入，出口 512和第二端532用于乙醇的輸出。
[0075]第一高分子聚合物絕緣層52和第二高分子聚合物絕緣層55通過螺旋形空腔530進(jìn)行摩擦發(fā)電，而第一電極51和第二電極56作為所述乙醇傳感器的信號輸出端。
[0076]第一高分子聚合物絕緣層所用材料是選用濕潤性較好的PDMS ( 二甲基硅氧烷)，厚度為30um ;設(shè)有空心螺旋體的隔離層所用材料是PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)，厚度為30um。第二高分子聚合物絕緣層所用材料是PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)，厚度為0.24mm。
[0077]第一電極51和第二電極56所用材料是ITO導(dǎo)電薄膜,為了支撐ITO導(dǎo)電薄膜,第一電極51還另外包括一和ITO固定一體的PET(圖未示意)，ITO和PET整體作為第一電極，而第二電極ITO可以通過將其固定在第二高分子聚合物絕緣層PET上對其支撐。
[0078]封裝時，首先將隔離層的一側(cè)面與固定有第二電極的第二高分子聚合物絕緣層以3M SP7533印刷用水性接著劑密封一體，隔離層的另一側(cè)面與第一高分子聚合物絕緣層PDMS以等離子體氧化后置于100°C加熱板上脫水10分鐘后密封。
[0079]請參閱圖7，圖7示出了圖5中乙醇傳感器未注入乙醇和注入乙醇輸出電壓變化示意圖，在乙醇傳感器的通孔中注入5μ L乙醇后，將乙醇傳感器置于100°C的加熱板上加熱I分鐘后，并以膠帶封住入口使乙醇蒸氣留在乙醇傳感器里，并用激振器測量傳感器電壓，得知乙醇傳感器的輸出電壓為1.2V，而將未注入乙醇的乙醇傳感器加熱、封住入口并用激振器測量傳感器電壓，得知電壓為5.5V。
[0080]請一并參閱圖6，通過圖6可知當(dāng)在乙醇傳感器中分別注入乙醇為5μ L和未注入乙醇時，傳感器的輸出電壓分別為5.5V和4.8V，通過對比實施例1和2可知，實施例2中線性變化更明顯，即乙醇傳感器的輸出電壓隨乙醇體積的輸入多少變化更明顯，從圖中可以反映出實施例2中的乙醇傳感器的靈敏度更高。[0081]實施例2中傳感器的隔離層為螺旋體，這樣使得蒸發(fā)出的乙醇蒸汽和摩擦層的接觸面積更大，乙醇傳感器的輸出電壓與乙醇體積線性變化更明顯，整個傳感器的靈敏度更高，所以實施例2中的乙醇傳感器可以用于微量乙醇濃度的檢測，應(yīng)用領(lǐng)域更寬。
[0082]由本實用新型的實施例可以看出，本實用新型的基于摩擦電的乙醇傳感器利用作為摩擦界面的高分子聚合物絕緣層對乙醇具有濕潤性，從而將空腔中的乙醇吸附在絕緣層表面，影響傳感器的輸出電壓，實驗測得乙醇傳感器的輸出電壓與乙醇體積變化呈一定線性關(guān)系，所以通過乙醇傳感器的輸出電壓可以獲知乙醇的濃度，因此該乙醇傳感器可以應(yīng)用于酒駕中駕駛?cè)藛T體內(nèi)酒精濃度的檢測及其他酒精檢測領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1.一種基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述乙醇傳感器包括依次層疊設(shè)置的第一電極層，隔離層和第二電極層； 所述第一電極層進(jìn)一步包括第一電極和第一高分子聚合物絕緣層，所述第一高分子聚合物絕緣層設(shè)置在所述第一電極朝向所述第二電極層的側(cè)表面上； 所述隔離層具有至少一個空腔，所述第一電極層和所述第二電極層通過所述空腔接觸摩擦； 所述第二電極層進(jìn)一步包括第二電極； 所述第一電極層或第二電極層上面還設(shè)有至少一個通孔，所述通孔和所述空腔位置對應(yīng)，所述通孔用于乙醇的輸入和輸出； 所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二電極中相對的兩個側(cè)表面作為所述乙醇傳感器的摩擦界面，且所述第一電極和所述第二電極作為所述乙醇傳感器的信號輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述第二電極層進(jìn)一步包括第二高分子聚合物絕緣層，所述第二高分子聚合物絕緣層設(shè)置在所述第二電極朝向所述第一電極層的側(cè)表面上，所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層中相對的兩個側(cè)表面作為所述乙醇傳感器的摩擦界面，且所述第一電極和所述第二電極作為所述乙醇傳感器的信號輸出端 。
3.如權(quán)利要求2所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述乙醇傳感器進(jìn)一步包括支撐層，所述支撐層設(shè)置在所述第一電極或所述第二電極上；其中，所述支撐層和所述第一電極或所述第二電極固定連接，用于支撐所述第一電極或所述第二電極。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述空腔為設(shè)置在所述隔離層上的多邊形空腔，所述多邊形空腔為三角形和/或四邊形和/或五邊形和/或六邊形，所述摩擦界面通過所述多邊形空腔進(jìn)行接觸摩擦。
5.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述空腔為設(shè)置在所述隔離層上的螺旋形空腔，所述螺旋形空腔包括貫通的第一端和第二端，所述摩擦界面通過所述螺旋形空腔進(jìn)行接觸摩擦。
6.如權(quán)利要求5所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述至少一通孔包括用于輸入乙醇的入口和用于輸出乙醇的出口，所述螺旋形空腔的第一端對應(yīng)所述入口，第二端對應(yīng)所述出口。
7.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述隔離層的厚度為20~50 μ m。
8.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層所用材料為對乙醇具有濕潤性的聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺中的任一種；所述隔離層所用材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚酯纖維、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烴、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、四氟乙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、熱塑性硫化橡膠、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、三元乙丙橡膠、熱塑性彈性體、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜中的任一種。
9.如權(quán)利要求2至3中任一項所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述第二高分子聚合物絕緣層所用材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯塑料、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料、聚偏氟乙烯、聚酯纖維、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烴、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、四氟乙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、熱塑性硫化橡膠、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、三元乙丙橡膠、熱塑性彈性體、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜中的任一種。
10.如權(quán)利要求1中所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述第一電極所用材料是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金；所述第二電極所用材料是金屬或合金。
11.如權(quán)利要求2或3中所述的基于摩擦電的乙醇傳感器，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極所 用材料是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金。
【文檔編號】G01N27/00GK203772784SQ201420128198
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】葉柏盈, 鐘強, 王竹, 崔婧, 趙利民 申請人:納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司