一种基于摩擦电的乙醇传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于摩擦电的乙醇传感器，包括依次层叠设置的第一电极层，隔离层和第二电极层。第一电极层包括第一电极和第一高分子聚合物绝缘层，第一高分子聚合物绝缘层设置在第一电极朝向第二电极层的侧表面上。隔离层具有至少一个空腔，第一电极层和所述第二电极层通过所述空腔接触摩擦；第二电极层进一步包括第二电极。第一电极层或第二电极层上面还设有至少一个通孔，通孔和空腔位置对应，通孔用于乙醇的输入和输出。第一高分子聚合物绝缘层和第二电极中相对的两个侧表面作为所述乙醇传感器的摩擦界面，第一电极和第二电极作为乙醇传感器的信号输出端。该乙醇传感器结构简单、成本低廉，并且制作工艺简单，灵敏度高，适合大规模推广应用。
【专利说明】—种基于摩擦电的乙醇传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种乙醇传感器，尤其涉及一种基于摩擦电的乙醇传感器。
【背景技术】
[0002]乙醇传感器在社会上及工业上应用很多，如交通警察用于测试驾驶员是否醉驾用的手持式酒精浓度测试仪，发酵工业上通过在线测试发酵液中的酒精含量来实现发酵过程自动控制等。随着社会的进步，机动车辆与日俱增，机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故，严重�：α说缆方煌ò踩腿嗣裆撇踩�。人饮酒后，酒精通过消化系统被人体吸收，经过血液循环，约有90%的酒精通过肺部呼气排出，因此测量呼气中的酒精含量，就可判断其醉酒程度。
[0003]现有乙醇传感器普遍采用的是金属氧化物半导体型的酒精传感器，不仅结构复杂，制作工艺繁琐，而且整个传感器的成本价格高昂，不能普遍适用广大群体。因此提供一种检测精度高、结构简单并且成本低廉的乙醇传感器是亟待解决的重要问题。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供了一种基于摩擦电的乙醇传感器，利用高分子聚合物绝缘层对乙醇具有的湿润性，可以用于检测乙醇浓度，解决了现有技术中的乙醇传感器制作工艺繁琐，成本高昂的问题。
[0005]本实用新型提供一种基于摩擦电的乙醇传感器，包括依次层叠设置的第一电极层，隔离层和第二电极层。第一电极层包括第一电极和第一高分子聚合物绝缘层，第一高分子聚合物绝缘层设置在第一电极朝向第二电极层的侧表面上。隔离层具有至少一个空腔，第一电极层和所述第二电极层通过所述空腔接触摩擦；第二电极层进一步包括第二电极。第一电极层或第二电极层上面还设有至少一个通孔，通孔和空腔位置对应，通孔用于乙醇的输入和输出。第一高分子聚合物绝缘层和第二电极中相对的两个侧表面作为所述乙醇传感器的摩擦界面，第一电极和第二电极作为乙醇传感器的信号输出端。
[0006]本实用新型的基于摩擦电的乙醇传感器，利用作为摩擦界面的高分子聚合物绝缘层对乙醇具有湿润性，从而将空腔中的乙醇吸附在绝缘层表面，影响传感器的输出电压，该乙醇传感器的输出电压与乙醇体积变化呈一定的线性关系。并且通过在第一电极层和第二电极层之间设置隔离层，一方面提高摩擦界面的接触分离，另一方面在隔离层上形成用于乙醇蒸汽或液体注入和存储的多边形空腔或螺旋形空腔，从而保证了乙醇与摩擦界面的接触，可以提高该乙醇传感器的灵敏度。该基于摩擦电的乙醇传感器结构简单、成本低廉，并且制作工艺简单，灵敏度高，适合大规模推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1示出了本实用新型中第一实施例的乙醇传感器的立体结构示意图；
[0008]图2示出了本实用新型中第一实施例的乙醇传感器的爆炸结构示意图；[0009]图3示出了本实用新型中第二实施例的乙醇传感器的爆炸结构示意图；
[0010]图4示出了本实用新型中第三实施例的乙醇传感器的爆炸结构示意图；
[0011]图5示出了本实用新型中第四实施例的乙醇传感器的爆炸结构示意图；
[0012]图6示出了图3中乙醇传感器的电压随乙醇体积的变化示意图；
[0013]图7示出了图5中乙醇传感器的电压随乙醇体积的变化示意图。
【具体实施方式】
[0014]为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对实用新型做详细说明，但实用新型并不仅仅限于此。
[0015]本实用新型提供了一种基于摩擦电的乙醇传感器，利用作为摩擦界面的高分子聚合物绝缘层对乙醇具有湿润性，从而将空腔中的乙醇吸附在绝缘层表面，影响传感器的输出电压，该乙醇传感器的输出电压与乙醇体积变化呈一定的线性关系，用以解决现有技术中的乙醇传感器制作工艺繁琐，成本价格高昂的问题。
[0016]请参阅图1和图2，图1和图2分别示出了本实用新型的一种基于摩擦电的乙醇传感器的第一实施例的立体结构示意图和本实用新型中第一实施例的基于摩擦电的乙醇传感器的爆炸结构示意图，本实用新型的第一实施例的基于摩擦电的乙醇传感器100包括依次层叠设置的第一电极层(图未标示)，隔离层13和第二电极层(图未标示)。
[0017]第一电极层进一步包括第一电极11和第一高分子聚合物绝缘层12，第一高分子聚合物绝缘层12设置在第一电极11朝向所述第二电极层的侧表面上，第一高分子聚合物绝缘层12和所述第二电极层中相对的两个侧表面作为所述乙醇传感器的摩擦界面。
[0018]隔离层13设置在形成摩擦界面的两个表面之间，并且隔离层13具有至少一个空腔131，且空腔为多边形空腔。其中，图2示出了空腔131为六边形的情况，当然多边形空腔还可以三角形和/或四边形和/或五边形等其他形式。
[0019]第一电极层和第二电极层通过空腔131进行接触摩擦，空腔131可以用于乙醇的注入和存储，另外，空腔131不仅可以提高摩擦界面的接触分离，同时还使注入的乙醇通过空腔扩散并吸附在第一高分子聚合物绝缘层12上，多边形空腔的存在较好的提高了乙醇传感器的灵敏度。
[0020]其中，为保证摩擦界面的接触与分离，空腔优选边长为2.5?4_的六边形，空腔间的距离优选0.4?1mm。
[0021]由于隔离层的厚度会影响摩擦电压的输出，当隔离层太厚时，第一高分子聚合物绝缘层和第二电极不能很好接触摩擦，当隔离层太薄时，第一电极层和第二电极层不能很好分离，所以隔离层的厚度优选20?50 μ m。
[0022]第二电极层进一步包括第二电极14，隔离层13将第一高分子聚合物绝缘层12和第二电极14分隔开，可以使第一高分子聚合物绝缘层12和第二电极14更好的接触和分离。另外，第一高分子聚合物绝缘层12和第二电极14通过隔离层13上的多个空腔131进行接触摩擦发电，且第一电极11和第二电极14作为所述乙醇传感器的的信号输出端。
[0023]第一电极层或第二电极层上还设有一个通孔110 (本实施例中的通孔110设置在第一电极层上，当然还可以设置在第二电极层上，本实用新型的思想不局限于此)，通孔110和空腔131位置对应，通孔131用于乙醇的注入和输出；其中，当空腔有多个时，乙醇蒸汽可以通过与通孔Iio相对的空腔131扩散至其他周边空腔并吸附在摩擦界面上。
[0024]当乙醇传感器处于未挤压状态时，隔离层13可以将第一高分子聚合物绝缘层和第二电极分隔开，当挤压整个乙醇传感器时，第一高分子聚合物绝缘层和第二电极通过空腔摩擦接触并在第一电极和第二电极上分别感应出电荷。
[0025]本实施例中的基于摩擦电的乙醇传感器，第一高分子聚合物绝缘层需具备较好湿润性，这样乙醇蒸汽或液体才能吸附在第一高分子聚合物绝缘层上，乙醇蒸汽或液体的存在会降低摩擦层面的摩擦电荷量，从而造成乙醇传感器输出电压的下降，乙醇传感器的输出电压与乙醇吸附在摩擦面上的浓度成线性关系，即通过检测乙醇传感器的输出电压的大小就可测出乙醇的浓度。
[0026]下面介绍实施例一中乙醇传感器中各层的材料选择:
[0027]第一高分子聚合物绝缘层缘层所用材料为对乙醇具有湿润性的PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PTFE (聚四氟乙烯)、PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PA (聚酰胺)中的任一种。
[0028]隔离层所用材料为PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、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、聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烃、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 (热塑性硫化橡胶)、TPU (热塑性聚氨酯弹性体橡胶)、EPDM (三元乙丙橡胶)、TPR (热塑性弹性体)、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的任一种。
[0029]第一电极所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钥、钨或钒，合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、铌合金或钽合金；所述第二电极所用材料是金属或合金。
[0030]请参阅图3，图3示出了本实用新型的第二实施例的乙醇传感器的爆炸结构示意图立，本实施例中的乙醇传感器200包括依次层叠设置的第一电极层(图未标示)，隔离层23和第二电极层。
[0031]其中，第一电极层进一步包括第一电极21和第一高分子聚合物绝缘层22，第一高分子聚合物绝缘层22设置在第一电极21朝向所述第二电极层的侧表面上，第一高分子聚合物绝缘层22和所述第二电极层中相对的两个侧表面作为乙醇传感器的摩擦界面。
[0032]隔离层23设置在形成摩擦界面的两个表面之间，且隔离层23上设置有至少一个空腔231，空腔231的形状、大小、设置形式及作用可以参考实施例一，此处不在赘述。
[0033]关于隔离层的厚度大小可以参考实施例一，此处不在赘述。
[0034]第二电极层进一步包括第二电极24和第二高分子聚合物绝缘层25，第二聚合物绝缘层25设置在第二电极24朝向所述第一电极层的侧表面上。隔离层23将第一高分子聚合物绝缘层22和第二高分子聚合物绝缘层25分隔开，可以使两个高分子聚合物绝缘层更好的接触和分离。两个高分子聚合物绝缘层通过隔离层23上的多个空腔231进行接触并摩擦发电，第一电极21和第二电极24作为乙醇传感器的信号输出端。
[0035]第一电极层或第二电极层上面还设有一个通孔210 (本实施例中的通孔210设置在第一电极层上面，当然还可以设置在第二电极层上，本实用新型的思想不局限于此)，通孔210和空腔231位置对应，通孔231用于乙醇的输入和输出。
[0036]另外，本实施例中乙醇传感器的第一电极和/或第二电极所用材料为铟锡氧化物，石墨烯时，乙醇传感器还进一步包括支撑层(图未示意)，支撑层和所述第一电极或第二电极固定一体，用于支撑所述第一电极或第二电极。
[0037]本实施例中的基于摩擦电的乙醇传感器，第一高分子聚合物绝缘层需具备较好湿润性，这样乙醇蒸汽或液体才能吸附在第一高分子聚合物绝缘层上，乙醇蒸汽或液体的存在会降低摩擦层面的摩擦电荷量，从而造成乙醇传感器输出电压的下降，乙醇传感器的输出电压与吸附在摩擦面上的乙醇浓度成线性关系，即通过检测乙醇传感器的输出电压的大小即可测出乙醇的浓度。
[0038]下面介绍实施例二中乙醇传感器中各层的材料选择:
[0039]第一高分子聚合物绝缘层和隔离层所用材料请参考和实施例一中第一高分子聚合物绝缘层和隔离层所用材料；第一电极和第二电极所以材料请参考实施例一中第一电极所用材料。
[0040]第二高分子聚合物绝缘层所用材料为PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、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、聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烃、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 (热塑性硫化橡胶)、TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)、EPDM (三元乙丙橡胶)、TPR (热塑性弹性体)、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的任一种。
[0041]请参阅图4，图4示出了本实用新型的第三实施例的乙醇传感器400的结构爆炸示意图，本实用新型的第三实施例的乙醇传感器400包括依次层叠设置的第一电极层(图未标示)，隔离层43和第二电极层(图未标示)。
[0042]本实施例中乙醇传感器的结构层次及发电原理都与实施例一中乙醇传感器的一样，即第一电极层进一步包括第一电极41和第一高分子聚合物绝缘层42，第二电极层进一步包括第二电极44，隔离层43将第一高分子聚合物绝缘层和第二电极分隔开，可以使第一高分子聚合物绝缘层42和第二电极44更好的接触和分离。
[0043]本实施例的乙醇传感器与实施例一中乙醇传感器的不同之处在于，本实施例采用的隔离层43上的空腔为螺旋形空腔430，螺旋形空腔430包括贯通的第一端431和第二端432，第一高分子聚合物绝缘层42和第二电极44通过螺旋形空腔430进行接触摩擦发电。
[0044]螺旋形空腔430不仅可以提高摩擦界面的接触分离，同时还使注入的乙醇扩散并吸附在第一高分子聚合物绝缘层42上，螺旋形空腔的存在较好的提高了乙醇传感器的灵敏度。
[0045]另外，本实施例中的通孔包括设于第一电极层或第二电极层上的一入口 411和一出口 412(本实施例中的入口和出口设置在第一电极层上面，当然还可以设置在第二电极层上，本实用新型的思想不局限于此)，螺旋形空腔430包括贯通的两端，入口 411对应螺旋形空腔430的第一端431，出口 412对应螺旋体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用于乙醇的输出。当然本实施例中的入口和出口还可以共用一个，即在第一电极层或者第二电极层上面设置一个通孔即可。
[0046]本实施例的乙醇传感器检测乙醇的原理与实施例一中乙醇传感器的检测原理一样，各层材料的选择可以参照实施例一中乙醇传感器的各层材料。
[0047]需要说明的是，为了使第一电极层和第二电极层更好的接触和分离，隔离层的厚度优选20?50 μ m，隔离层上的螺旋形空腔由中心向外扩散，至少具有一圈，优选5圈，空腔的宽度为I?2mm。当空腔为5圈时，空腔的宽度优选1.8mm。
[0048]请参阅图5，图5示出了本实用新型的第四实施例的乙醇传感器的结构爆炸示意图，本实施例中的乙醇传感器500包括依次层叠设置的第一电极层(图未标示)，隔离层53和第二电极层。
[0049]本实施例中乙醇传感器的结构层次及发电原理都与实施例二中乙醇传感器的一样，即第一电极层进一步包括第一电极51和第一高分子聚合物绝缘层52，第二电极层进一步包括第二高分子聚合物绝缘层55和第二电极56，隔离层53将第一高分子聚合物绝缘层52和第二高分子聚合物绝缘层55分隔开，可以使第一高分子聚合物绝缘层52和第二高分子聚合物绝缘层55更好的接触和分离。
[0050]本实施例的乙醇传感器与实施例二中乙醇传感器的不同之处在于，本实施例采用的隔离层53上的空腔为螺旋形空腔530，螺旋形空腔530包括贯通的第一端531和第二端532，第一高分子聚合物绝缘层52和第二高分子聚合物绝缘层55通过螺旋形空腔530进行接触摩擦发电。
[0051]另外，本实施例中的通孔包括设于第一电极层或第二电极层上的一入口 511和一出口 512(本实施例中的入口和出口设置在第一电极层上面，当然还可以设置在第二电极层上，本实用新型的思想不局限于此)，螺旋形空腔530包括贯通的两端，入口 511对应螺旋形空腔530的第一端531，出口 512对应螺旋形空腔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用于乙醇的输出。当然本实施例中的入口和出口还可以共用一个，即在第一电极层或者第二电极层上面设置一个通孔即可。
[0052]本实施例的乙醇传感器检测乙醇的原理与实施例二中乙醇传感器的检测原理一样，各层材料的选择可以参照实施例二中乙醇传感器的各层材料。
[0053]需要说明的是，为了使第一电极层和第二电极层更好的接触和分离，隔离层的厚度优选20?50 μ m，隔离层上的螺旋形空腔由中心向外扩散，至少具有一圈，优选5圈，空腔的宽度为I?2mm。当空腔为5圈时，空腔的宽度优选1.8mm。
[0054]另外，本实施例中乙醇传感器的第一电极或第二电极所用材料为铟锡氧化物，石墨烯时，乙醇传感器还进一步包括支撑层(图未示意)，支撑层和所述第一电极或第二电极固定一体，用于支撑所述第一电极或第二电极。
[0055]实施例一至四中的隔离层可以将两个摩擦层隔离分开，确保两个摩擦层在不受挤压的情况下，不会彼此接触。隔离层中空腔的形状可以采用激光蚀刻的方法，在高分子薄膜上切割出具有实施例一至二中的多边形空腔的隔离层和实施例三至四中螺旋形空腔的隔离层，除此，还可以根据需要刻蚀出其他形状空腔的隔离层。
[0056]当使用上述实施例一至四中乙醇传感器时，注入乙醇5ul至20ul之后，将其置于90?100°C的加热板上加热数分钟，优选加热I至2分钟，并以胶带封住注入口使乙醇蒸气留在器件里，用固定频率(4Hz)与压力(40Nt)的激振器，压及器件上下两表面，记录电压输出，便可得到电压随乙醇体积变化的线性图，从而检测出乙醇的浓度。
[0057]进一步的，如需再次使用乙醇传感器可以将其置于90?100°C加热板上加热10分钟以去除之前实验里残留的乙醇，从而保证每次所测数据的准确性。
[0058]另外，同样结构层次的具有螺旋形空腔的乙醇传感器和具有六边形空腔的乙醇传感器相比，螺旋形空腔中乙醇蒸汽和摩擦面的接触面积更大，所以具有螺旋形空腔的乙醇传感器的灵敏度更高，下面将通过具体实施例进行说明。
[0059]本实用新型的乙醇传感器通过设置隔离层，在隔离层上面设置空腔，并在第一电极层或第二电极层上面设置乙醇出入口，通过检测摩擦发电产生的电压与乙醇体积的线性变化，可以获知乙醇浓度大小，从而可以用于乙醇浓度的检测，例如:可以用于发酵工业中乙醇浓度的检测及酒驾人员呼气中的酒精浓度的检测等。本实用新型的乙醇传感器制作工艺简单，灵敏度高，可以极大的节约成本，适合大规模推广应用。
[0060]本实用新型的基于摩擦电的乙醇传感器利用作为摩擦界面的高分子聚合物绝缘层对乙醇具有湿润性，从而将空腔中的乙醇吸附在绝缘层表面，并且通过在第一电极层和第二电极层之间设置隔离层，一方面提高摩擦界面的接触分离，另一方面在隔离层上形成用于乙醇蒸汽或液体注入和存储的多边形空腔或螺旋形空腔，从而保证了乙醇与摩擦界面的接触，影响传感器的输出电压，提高了该乙醇传感器的灵敏度。
[0061]下面通过具体的实施例来阐述本实用新型的乙醇传感器的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本实用新型权利要求范围的限制。
[0062]实施例1
[0063]乙醇传感器的尺寸为5cmX3.5cm,总厚度大约是0.54mm。如图3所示乙醇传感器200包括依次层叠设置的第一电极层(图未标示)，隔离层23和第二电极层(图未标示)。
[0064]第一电极层包括第一电极21和第一高分子聚合物绝缘层22，第一高分子聚合物绝缘层22设置在第一电极21朝向所述第二电极层的侧表面上；第一电极层和第二电极层之间形成摩擦界面，隔离层23设置在形成的摩擦界面之间，隔离层23上设置有多个六边形空腔231 ;第二电极层包括第二电极24和第二高分子聚合物绝缘层25，第二聚合物绝缘层25设置在第二电极24朝向所述第一电极层的侧表面上。
[0065]第一电极层上面还设有一个通孔210，通孔210的位置和隔离层23上的其中一个空腔231的位置对应，通孔用于乙醇的注入和输出。
[0066]第一高分子聚合物绝缘层22和第二聚合物绝缘层25通过隔离层23上的多个空腔231进行接触摩擦发电，且第一电极21和第二电极24作为所述乙醇传感器的信号输出端。
[0067]第一高分子聚合物绝缘层所用材料是选用对乙醇湿润性较好的PDMS (二甲基硅氧烷)，厚度为30um;具有六边形空腔的隔离层所用材料是PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)，厚度为30um，六边形空腔的边长为为4mm。第二高分子聚合物绝缘层所用材料是PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)，厚度为0.24mm。
[0068]第一电极21和第二电极22所用材料是ITO(铟锡氧化物)导电薄膜，为了支撑ITO导电薄膜，第一电极21还另外包括一和ITO固定一体的PET (图未示意)，ITO和PET整体作为第一电极，而第二电极ITO可以通过将其固定在第二高分子聚合物绝缘层PET上对其支撑。
[0069]封装时，首先将隔离层的一侧面与固定有第二电极的第二高分子聚合物绝缘层以3M SP7533印刷用水性接着剂密封一体，隔离层的另一侧面与第一高分子聚合物绝缘层PDMS以等离子体氧化后置于100°C加热板上脱水10分钟后密封。
[0070]请参阅图6，图6示出图3中乙醇传感器的电压随乙醇体积的变化示意图。在乙醇传感器的通孔中注入5?20 μ L乙醇后，将乙醇传感器置于100°的加热板上加热I分钟后，并以胶带封住通孔使乙醇蒸气留在乙醇传感器里，并用固定频率(4Hz)与压力(40Nt)的激振器测量传感器输出电压，得知乙醇传感器的输出电压随着乙醇传感器里的乙醇体积增加而降低，并且两者之间成一定线性关系。
[0071]实施例2
[0072]乙醇传感器的尺寸为4cmX3.5cm,总厚度大约是0.54mm。如图5所示乙醇传感器500包括依次层叠设置的第一电极层(图未标示)，隔离层53和第二电极层(图未标示)。
[0073]第一电极层包括第一电极51和第一高分子聚合物绝缘层52，第一高分子聚合物绝缘层52设置在第一电极51朝向所述第二电极层的侧表面上；第一电极层和第二电极层之间形成摩擦界面，隔离层53设置在形成的摩擦界面之间，隔离层53上设置有螺旋形空腔530，第一高分子聚合物绝缘层52和第二电极层通过螺旋形空腔接触并摩擦发电；第二电极层包括第二电极56和第二高分子聚合物绝缘层55，第二聚合物绝缘层55设置在朝向所述第一电极层的侧表面上。
[0074]至少一通孔包括一入口 511和一出口 512，入口和出口设置于第一电极层或第二电极层上面，螺旋形空腔530包括第一端531和第二端532，入口 511对应螺旋形空腔530的第一端531，出口 512对应螺旋形空腔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用于乙醇的输出。
[0075]第一高分子聚合物绝缘层52和第二高分子聚合物绝缘层55通过螺旋形空腔530进行摩擦发电，而第一电极51和第二电极56作为所述乙醇传感器的信号输出端。
[0076]第一高分子聚合物绝缘层所用材料是选用湿润性较好的PDMS ( 二甲基硅氧烷)，厚度为30um ;设有空心螺旋体的隔离层所用材料是PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)，厚度为30um。第二高分子聚合物绝缘层所用材料是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，厚度为0.24mm。
[0077]第一电极51和第二电极56所用材料是ITO导电薄膜,为了支撑ITO导电薄膜,第一电极51还另外包括一和ITO固定一体的PET(图未示意)，ITO和PET整体作为第一电极，而第二电极ITO可以通过将其固定在第二高分子聚合物绝缘层PET上对其支撑。
[0078]封装时，首先将隔离层的一侧面与固定有第二电极的第二高分子聚合物绝缘层以3M SP7533印刷用水性接着剂密封一体，隔离层的另一侧面与第一高分子聚合物绝缘层PDMS以等离子体氧化后置于100°C加热板上脱水10分钟后密封。
[0079]请参阅图7，图7示出了图5中乙醇传感器未注入乙醇和注入乙醇输出电压变化示意图，在乙醇传感器的通孔中注入5μ L乙醇后，将乙醇传感器置于100°C的加热板上加热I分钟后，并以胶带封住入口使乙醇蒸气留在乙醇传感器里，并用激振器测量传感器电压，得知乙醇传感器的输出电压为1.2V，而将未注入乙醇的乙醇传感器加热、封住入口并用激振器测量传感器电压，得知电压为5.5V。
[0080]请一并参阅图6，通过图6可知当在乙醇传感器中分别注入乙醇为5μ L和未注入乙醇时，传感器的输出电压分别为5.5V和4.8V，通过对比实施例1和2可知，实施例2中线性变化更明显，即乙醇传感器的输出电压随乙醇体积的输入多少变化更明显，从图中可以反映出实施例2中的乙醇传感器的灵敏度更高。[0081]实施例2中传感器的隔离层为螺旋体，这样使得蒸发出的乙醇蒸汽和摩擦层的接触面积更大，乙醇传感器的输出电压与乙醇体积线性变化更明显，整个传感器的灵敏度更高，所以实施例2中的乙醇传感器可以用于微量乙醇浓度的检测，应用领域更宽。
[0082]由本实用新型的实施例可以看出，本实用新型的基于摩擦电的乙醇传感器利用作为摩擦界面的高分子聚合物绝缘层对乙醇具有湿润性，从而将空腔中的乙醇吸附在绝缘层表面，影响传感器的输出电压，实验测得乙醇传感器的输出电压与乙醇体积变化呈一定线性关系，所以通过乙醇传感器的输出电压可以获知乙醇的浓度，因此该乙醇传感器可以应用于酒驾中驾驶人员体内酒精浓度的检测及其他酒精检测领域。
【权利要求】
1.一种基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述乙醇传感器包括依次层叠设置的第一电极层，隔离层和第二电极层； 所述第一电极层进一步包括第一电极和第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层设置在所述第一电极朝向所述第二电极层的侧表面上； 所述隔离层具有至少一个空腔，所述第一电极层和所述第二电极层通过所述空腔接触摩擦； 所述第二电极层进一步包括第二电极； 所述第一电极层或第二电极层上面还设有至少一个通孔，所述通孔和所述空腔位置对应，所述通孔用于乙醇的输入和输出； 所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二电极中相对的两个侧表面作为所述乙醇传感器的摩擦界面，且所述第一电极和所述第二电极作为所述乙醇传感器的信号输出端。
2.如权利要求1所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述第二电极层进一步包括第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层设置在所述第二电极朝向所述第一电极层的侧表面上，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层中相对的两个侧表面作为所述乙醇传感器的摩擦界面，且所述第一电极和所述第二电极作为所述乙醇传感器的信号输出端 。
3.如权利要求2所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述乙醇传感器进一步包括支撑层，所述支撑层设置在所述第一电极或所述第二电极上；其中，所述支撑层和所述第一电极或所述第二电极固定连接，用于支撑所述第一电极或所述第二电极。
4.如权利要求1至3中任一项所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述空腔为设置在所述隔离层上的多边形空腔，所述多边形空腔为三角形和/或四边形和/或五边形和/或六边形，所述摩擦界面通过所述多边形空腔进行接触摩擦。
5.如权利要求1至3中任一项所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述空腔为设置在所述隔离层上的螺旋形空腔，所述螺旋形空腔包括贯通的第一端和第二端，所述摩擦界面通过所述螺旋形空腔进行接触摩擦。
6.如权利要求5所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述至少一通孔包括用于输入乙醇的入口和用于输出乙醇的出口，所述螺旋形空腔的第一端对应所述入口，第二端对应所述出口。
7.如权利要求1至3中任一项所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述隔离层的厚度为20~50 μ m。
8.如权利要求1至3中任一项所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层所用材料为对乙醇具有湿润性的聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺中的任一种；所述隔离层所用材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烃、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、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、三元乙丙橡胶、热塑性弹性体、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的任一种。
9.如权利要求2至3中任一项所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯塑料、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料、聚偏氟乙烯、聚酯纤维、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚烯烃、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、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、三元乙丙橡胶、热塑性弹性体、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜中的任一种。
10.如权利要求1中所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述第一电极所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；所述第二电极所用材料是金属或合金。
11.如权利要求2或3中所述的基于摩擦电的乙醇传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极所 用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金。
【文档编号】G01N27/00GK203772784SQ201420128198
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】叶柏盈, 钟强, 王竹, 崔婧, 赵利民 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司
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