自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法

本发明涉及气体传感，尤其是自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法。

背景技术：

1、先进的传感器是工业物联网和数字化转型的关键元器件。随着科学技术的飞速发展，传感器不断的向微型化、智能化、系统化和网络化方向发展。此外，空气是人类赖以生存的重要环境要素之一，它直接参与人体代谢和体温调节等生命活动，因此监测并保护大气环境对于人类可持续发展具有重要意义。为了实现在线、连续监护人体生活环境中的大气环境，一方面要求高效、稳定且连续的能源供应；另外一方面需要所有器件具有柔性可延展特性，从而实现与人体皮肤/衣物织物紧密贴合。

2、然而，传统的储能器件（锂离子电池、电容器）储能密度有限，需要不断的充电，给传感器系统连续工作带来了挑战。此外，由于常见的气体传感器是基于刚性半导体材料制备而成的，因此难以实现传感器系统的柔性可延展特性。这些因素，严重阻碍了气体传感器在人体生活气体环境的监测应用。

技术实现思路

1、本发明提出自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，不仅可以实现将人体运动过程中间歇性、不稳定的机械能转化为电能存储于超级电容器、以驱动气体传感器；同时通过材料的预拉伸处理以及器件的构型设计实现气体传感系统的柔性可延展特性，从而极大拓展了气体传感器的应用范围和领域。

2、本发明采用以下技术方案。

3、自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，用于制备柔性可延展的气体传感器，制备方法包括以下步骤

4、步骤s1：采用低速旋涂技术，在培养皿上获得一层基于硅树脂材料的柔性可延展基底材料；

5、步骤s2：在硅树脂基底上黏贴一层聚酰亚胺薄膜pi材料，控制二氧化碳激光器将pi材料还原成具有特定宏观形貌的石墨烯泡沫graphene材料;

6、步骤s3：利用氢氟酸hf选择性刻蚀ti3alc2粉末制备二维层状ti3c2tx(t=f, o, oh)纳米片；

7、步骤s4：采用喷涂技术，将基于ti3c2tx纳米片墨水负载在graphene泡沫上，并在氮气的保护下利用二氧化碳激光器再次激光热还原泡沫，从而得到graphene/ti3c2tx复合材料；

8、步骤s5：利用干法转印技术，将graphene/ti3c2tx复合材料转印至预拉伸的弹性胶带上测；

9、步骤s6：缓慢释放预拉伸的弹性胶带，在胶带处获得具有微观褶皱形貌的graphene/ti3c2tx复合材料；

10、步骤s7：以微观褶皱形貌graphene/ti3c2tx薄膜、剪纸型聚四氟乙烯ptfe分别为上电极、下电极，微观褶皱形貌graphene/ti3c2tx薄膜为导电层，构建柔性可延展的纳米摩擦发电机；

11、步骤s8：利用具有叉指构型宏观图案的褶皱形貌graphene/ti3c2tx材料阵列为叉指电极材料，导电离子胶体为固态电解质材料，构建一体化平面微型超级电容器阵列器件；

12、步骤s9：利用针形宏观图案的褶皱graphene/ti3c2tx为传感区域，圆形宏观图案的褶皱graphene/ti3c2tx为加热区域，并分别贴合在硅树脂薄膜的上测与下侧，获得具有自加热功能的气体传感器；最后利用ag浆修饰连接加热区域和传感区域的graphene/ti3c2tx导线，以减小输运电阻并获得低功耗的气体传感器功能单元；

13、步骤s10：以纳米摩擦发电机与整流器、一体化平面微型超级电容器阵列在柔性可延展衬底处串联构建自充电的微型能源器件；利用整流器将纳米摩擦发电机收集的间歇形、不稳定的交流电转化为直流电存储于一体化平面微型超级电容器阵列中；自充电的微型能源器件与自加热功能的气体传感器、无线传输芯片并联，以驱动具有自加热功能的气体传感器和无线传输芯片，构建基于自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统。

14、所述步骤s1中，硅树脂材料为甲基苯基硅树脂、甲基硅树脂、低苯基甲基硅树脂、有机硅树脂乳液、甲基苯基硅树脂或mq硅树脂。

15、所述步骤s2中，二氧化碳激光器以电脑控制来还原pi薄膜制备graphene泡沫微结构，电脑对激光器的加工参数进行调控，被调控的激光器的加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数和制备气氛。

16、所述步骤s4中利用二氧化碳激光器再次激光热还原泡沫时，对激光器的加工参数进行调控，被调控的激光器的加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数和制备气氛。

17、气体传感器系统中，褶皱形貌graphene/ti3c2tx复合材料的导电率和机械拉伸性能通过预拉伸程度进行调控。

18、步骤s7中，柔性可延展纳米摩擦发电机的机电输出性能及机械应变性能，通过调节graphene/ti3c2tx复合材料的褶皱程度、剪纸型ptfe的几何构型实现调控与优化。

19、步骤s8中，一体化平面微型超级电容器阵列的面积比电容/质量比电容通过调整叉指电极的预拉伸程度、激光加工参数和制备气氛参数进行调控，被调控的激光加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数。

20、步骤s9中，自加热功能的气体传感器的灵敏度、最低监测极限、拉伸性能通过叉指电极的预拉伸程度、激光加工参数和制备气氛等参数进行调控，被调控的激光加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数。

21、步骤s9中，自加热功能的气体传感器的工作温度通过加热区域所加电压的大小进行调控。

22、步骤s10中，所述柔性可延展纳米摩擦发电机、一体化平面微型超级电容器阵列、自加热功能的气体传感器与柔性可延展基底之间植入有应力隔离器；所述应力隔离器为方形pet、sio2、si、al、zn或不锈钢薄膜。

23、本发明提供的利用人体运动机械能转化为电能为维纳电子器件供能的制备方法,具有通用性强、便于集成、易于推广、制作成本低和操作简单等优势。

技术特征：

1.自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，用于制备柔性可延展的气体传感器，其特征在于：制备方法包括以下步骤

2.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，硅树脂材料为甲基苯基硅树脂、甲基硅树脂、低苯基甲基硅树脂、有机硅树脂乳液、甲基苯基硅树脂或mq硅树脂。

3.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，二氧化碳激光器以电脑控制来还原pi薄膜制备graphene泡沫微结构，电脑对激光器的加工参数进行调控，被调控的激光器的加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数和制备气氛。

4.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中利用二氧化碳激光器再次激光热还原泡沫时，对激光器的加工参数进行调控，被调控的激光器的加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数和制备气氛。

5.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：气体传感器系统中，褶皱形貌graphene/ti3c2tx复合材料的导电率和机械拉伸性能通过预拉伸程度进行调控。

6.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：步骤s7中，柔性可延展纳米摩擦发电机的机电输出性能及机械应变性能，通过调节graphene/ti3c2tx复合材料的褶皱程度、剪纸型ptfe的几何构型实现调控与优化。

7.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：步骤s8中，一体化平面微型超级电容器阵列的面积比电容/质量比电容通过调整叉指电极的预拉伸程度、激光加工参数和制备气氛参数进行调控，被调控的激光加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数。

8.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：步骤s9中，自加热功能的气体传感器的灵敏度、最低监测极限、拉伸性能通过叉指电极的预拉伸程度、激光加工参数和制备气氛等参数进行调控，被调控的激光加工参数包括波长、功率、扫描速度、工作模式、频率、每点脉冲数。

9.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：步骤s9中，自加热功能的气体传感器的工作温度通过加热区域所加电压的大小进行调控。

10.根据权利要求1所述的自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，其特征在于：步骤s10中，所述柔性可延展纳米摩擦发电机、一体化平面微型超级电容器阵列、自加热功能的气体传感器与柔性可延展基底之间植入有应力隔离器；所述应力隔离器为方形pet、sio2、si、al、zn或不锈钢薄膜。

技术总结
本发明提出自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统的制备方法，以纳米摩擦发电机与整流器、一体化平面微型超级电容器阵列在柔性可延展衬底处串联构建自充电的微型能源器件；利用整流器将纳米摩擦发电机收集的间歇形、不稳定的交流电转化为直流电存储于一体化平面微型超级电容器阵列中；自充电的微型能源器件与自加热功能的气体传感器、无线传输芯片并联，以驱动具有自加热功能的气体传感器和无线传输芯片，构建基于自充电微型能源器件的穿戴式气体传感器系统，本发明将人体运动过程中间歇性、不稳定的机械能转化为电能并驱动气体传感器；通过材料的预拉伸处理以及器件的构型设计实现传感系统的柔性可延展，拓展了气体传感器的应用范围和领域。

技术研发人员：张诚,高金东,覃光龙,陈金国,王军
受保护的技术使用者：闽江学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14