一种基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于压力传感器相关技术领域，其公开了一种基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法，该压力传感器包括感测结构，该感测结构的工作环境为电解液环境，其用于将待测压力的压力能转化为电能，进而该压力传感器根据转化得到的电能所产生的电流与对应的压力之间的关系及当前的电流来获得当前的压力，由此实现了待测压力的实时监测；该感测结构基于电化学原理实现自发电，其包括夹层结构、工作电极及对电极，所述工作电极及所述对电极设置在所述夹层结构中，且两者分别设置在相邻的夹层上。本发明专利技术无能源消耗，响应速度快，具有强的液体环境适用性。

A self-generating pressure sensor based on electrochemical principle and its preparation method

The invention belongs to the related technical field of pressure sensor, and discloses a self-generating pressure sensor based on electrochemical principle and its preparation method. The pressure sensor includes a sensing structure, the working environment of the sensing structure is an electrolyte environment, which is used to convert the pressure energy of the pressure to electric energy, and then the pressure sensor generates according to the transformed electric energy. The relationship between the current and the corresponding pressure and the current current are used to obtain the current pressure, thus realizing the real-time monitoring of the pressure to be measured; the sensing structure realizes self-generation based on electrochemical principle, including sandwich structure, working electrode and pair electrode, the working electrode and the pair electrode are arranged in the sandwich structure, and the two are respectively arranged on the adjacent sandwich. The invention has no energy consumption, fast response speed and strong liquid environmental applicability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法
本专利技术属于压力传感器相关
，更具体地，涉及一种基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法。
技术介绍
在海洋探索领域，压力传感器作为一种重要的监测工具，能够辅助监测水下压力的变化，完善区域海域的水文信息。目前，压力传感器已经在声呐探测、潮汐监测、海啸预警、水下导航以及海洋考察等领域得到了广泛应用。其中，压力传感器依据传感机理可以分为四大类：即压阻型、电容型、压电式、摩擦电式压力传感器。压阻型压力传感器利用材料在不同压力下的电阻变化来实现压力探测；电容型压力传感器是一种建立在经典平行电容器理论上的压力传感器，依据介质介电常数、平行板面积及平行板间的距离在压力作用下发生改变，引起电容变化，从而建立电容与压力之间的一一对应关系。这两类压力传感器均具有高灵敏度、输出信号稳定等优点。然而，由于各自传感机理的限制，他们的压力测量范围往往低于10kPa(大约1米)，严重制约了其在海洋环境中的应用，而且，当这两种压力传感器(压阻型和电容型)用于实时监测压力变化时，需要消耗大量的能源。为了克服这些问题，大量程、高灵敏度及具有自发电功能的压力传感器应运而生，比如压电型压力传感器及摩擦电型压力传感器。压电型压力传感器利用压电材料(石英、压电陶瓷、聚偏氟乙烯等)在受压时内部正负电荷中心发生相对位移，产生电荷偏移而实现压力的测量。这类传感器具有信号输出稳定，工作量程大，响应速度快等优点，然而由于压电材料产生的电荷量极少，往往需要多级放大系统(放大器)对压力响应电信号进行放大处理，并且该过程易引起电荷泄漏。摩擦电式压力传感器基于麦克斯韦电流理论实现压力的测量，其作为一种新型压力传感器，受到了科研工作者的广泛关注。但是该类传感器在实际工作时，容易受到环境因素(如水分、气压等)的影响而发生性能降级。相应地，本领域存在着发展一种适应性较好的基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法，其基于现有压力传感器的工作特点，针对压力传感器的结构及部件之间的链接关系进行了设计。本专利技术所提供的基于电化学原理的自发电型压力传感器适用于电解液环境，其在外界压力作用下，其工作电极的电化学可用面积发生变化，进而引起电化学双电层电容发生变化，而当平衡电荷保持不变时，所述压力传感器能够产生一定的电势变化，从而将外界压力能转化为电能，且外界压力与产生的实时电流具有对应关系，测量得到实时电流，进而根据所述对应关系将所述实时电流转变为对应的压力，由此可实现海洋环境中波浪压力的实时监测，且该压力传感器能够在较大的压力量程范围内保持高的灵敏度，对压力变化具有较快的响应速度，工作时无能源消耗，具有强的液体环境适应性。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于电化学原理的自发电型压力传感器，所述压力传感器包括感测结构，所述感测结构的工作环境为电解液环境，其用于将待测压力的压力能转化为电能，进而所述压力传感器根据转化得到的电能所产生的电流与对应的压力之间的关系及当前的电流来获得当前的压力，由此实现了待测压力的实时监测；所述感测结构基于电化学原理实现自发电，其包括压板、工作电极、工作电极支撑板、对电极支撑板、弹性支撑体、对电极及硬质支撑体，所述压板、所述弹性支撑体、所述工作电极支撑板、所述硬质支撑体、所述对电极支撑板及所述硬质支撑体依次自上而下设置以形成夹层结构，所述工作电极及所述对电极分别设置在所述工作电极支撑板及所述对电极支撑板上；所述待测压力通过所述压板传导至所述工作电极，使得所述工作电极的电化学可用面积减小，继而使所述工作电极的双电层电容发生变化，所述工作电极的表面双电层平衡电荷保持不变，所述感测结构产生电势变化，从而将压力能转化为电能。进一步地，所述感测结构外接负载而产生电流I，电流与对应的压力P之间的关系采用以下公式表示：I＝82.8-82.79×exp((-2.14E-6*P)^0.6)。进一步地，双电层平衡电荷为Q＝CV，其中V为工作电极的电化学电势，C为工作电极的双电层电容，C＝εA/d，式中，ε为电解液的介电常数，A为工作电极的电化学可用表面积。进一步地，所述压板、所述工作电极支撑板及所述对电极支撑板均为多孔陶瓷板。进一步地，所述压力传感器还包括电流检测组件及处理显示组件，所述电流检测组件连接于所述感测结构，其用于实时检测所述感测结构所产生的电流，并将检测到的电流信息传输给所述处理显示组件；所述处理显示组件用于根据接收到的电流信息计算出对应的压力，并将所述压力进行显示。进一步地，所述电流检测组件为电化学工作站。进一步地，所述压力传感器还包括参比电极，所述参比电极连接于所述电流检测组件。进一步地，所述压力传感器适用于淡水环境，其还包括密封盒及力传导件，所述密封盒用于收容电解液，所述感测结构设置于所述电解液中，所述工作电极及所述对电极通过防水导线与外界相连；所述力传导件的一端穿过所述密封盒的一侧后抵持在所述压板上，其用于将待测压力传递给所述压板。进一步地，所述压力传感器还包括密封圈，所述密封圈设置在所述力传导件与所述密封盒相接触的部位。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种如上所述的基于电化学原理的自发电型压力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)将工作电极及对电极分别设置在工作电极支撑板及对电极支撑板上；(2)制备夹层结构，继而得到所述压力传感器。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法主要具有以下有益效果：1.所述待测压力通过所述压板传导至所述工作电极，使得所述工作电极的电化学可用面积减小，继而使所述工作电极的双电层电容发生变化，所述工作电极的表面双电层平衡电荷保持不变，所述感测结构产生电势变化，从而将压力能转化为电能，该压力传感器工作时无需外接电源，减少了电能的消耗，具有大工作量程，兼具高灵敏度，同时具有快的响应速度，可用在海洋液压环境中，实现潮汐监测、海啸预警、水下导航等功能。2.所述压力传感器适用于淡水环境，其还包括密封盒及力传导件，所述密封盒用于收容电解液，所述感测结构设置于所述电解液中，由此所述压力传感器还可以用于淡水环境(河流)等的波浪(压力变化)监测，适用范围较广，灵活性较好。3.多个该压力传感器可集成为具有多个压力感知点的传感阵列，其能够实现区域海域的多点波浪压力监测，从而依据信号变化，分析波浪运动方向，移动速度，波浪起伏高度。4.所述压板、所述弹性支撑体、所述工作电极支撑板、所述硬质支撑体、所述对电极支撑板及所述硬质支撑体依次自上而下设置以形成夹层结构，所述工作电极及所述对电极分别设置在所述工作电极支撑板及所述对电极支撑板上，整体结构紧凑，体积较小，便于携带，集成度较高。附图说明图1是本专利技术第一实施方式提供的基于电化学原理的自发电型压力传感器的感测结构的立体示意图。图2是图1中的基于电化学原理的自发电型压力传感器的感测结构的平面示意图。图3是图1中的基于电化学原理的自发电型压力传感器的感测结构的制备流程图。图4中的a)图为图1中的基于电化学原理的自发电型压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电化学原理的自发电型压力传感器，其特征在于：所述压力传感器包括感测结构，所述感测结构的工作环境为电解液环境，其用于将待测压力的压力能转化为电能，进而所述压力传感器根据转化得到的电能所产生的电流与对应的压力之间的关系及当前的电流来获得当前的压力，由此实现了待测压力的实时监测；所述感测结构基于电化学原理实现自发电，其包括压板、工作电极、工作电极支撑板、对电极支撑板、弹性支撑体、对电极及硬质支撑体，所述压板、所述弹性支撑体、所述工作电极支撑板、所述硬质支撑体、所述对电极支撑板及所述硬质支撑体依次自上而下设置以形成夹层结构，所述工作电极及所述对电极分别设置在所述工作电极支撑板及所述对电极支撑板上；所述待测压力通过所述压板传导至所述工作电极，使得所述工作电极的电化学可用面积减小，继而使所述工作电极的双电层电容发生变化，所述工作电极的表面双电层平衡电荷保持不变，所述感测结构产生电势变化，从而将压力能转化为电能。

【技术特征摘要】
1.一种基于电化学原理的自发电型压力传感器，其特征在于：所述压力传感器包括感测结构，所述感测结构的工作环境为电解液环境，其用于将待测压力的压力能转化为电能，进而所述压力传感器根据转化得到的电能所产生的电流与对应的压力之间的关系及当前的电流来获得当前的压力，由此实现了待测压力的实时监测；所述感测结构基于电化学原理实现自发电，其包括压板、工作电极、工作电极支撑板、对电极支撑板、弹性支撑体、对电极及硬质支撑体，所述压板、所述弹性支撑体、所述工作电极支撑板、所述硬质支撑体、所述对电极支撑板及所述硬质支撑体依次自上而下设置以形成夹层结构，所述工作电极及所述对电极分别设置在所述工作电极支撑板及所述对电极支撑板上；所述待测压力通过所述压板传导至所述工作电极，使得所述工作电极的电化学可用面积减小，继而使所述工作电极的双电层电容发生变化，所述工作电极的表面双电层平衡电荷保持不变，所述感测结构产生电势变化，从而将压力能转化为电能。2.如权利要求1所述的基于电化学原理的自发电型压力传感器，其特征在于：所述感测结构外接负载而产生电流I，电流与对应的压力P之间的关系采用以下公式表示：I＝82.8-82.79×exp((-2.14E-6*P)^0.6)。3.如权利要求1所述的基于电化学原理的自发电型压力传感器，其特征在于：双电层平衡电荷为Q＝CV，其中V为工作电极的电化学电势，C为工作电极的双电层电容，C＝εA/d，式中，ε为电解液的介电常数，A为工作电极的电化学可用表面积。4.如权利要求1所述的基于电化学原理的自发电型压力传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鸣，张蒙蒙，邓泽明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42