一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置製造方法
2023-10-08 14:13:04
一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置。本發明中多孔膜的孔道內壁鍍有金屬層，電解液受到壓力驅動流經孔道時，電解液中的離子在孔道內產生雙電層效應，在孔道和信號採集裝置形成的閉合電路中形成電流，電路中的電流或電壓信號被採集後通過推算可得到壓力或壓差的值。本發明的裝置無任何機械轉動部件，結構簡單，穩定可靠，不需要提供外部電源設備進行驅動，無汙染無噪音，對環境十分友好；本發明可適用於液體和氣體等流體，甚至流體中可含有固體懸浮顆粒；本發明依據不同孔道尺寸和含不同離子的液體可實現不同範圍的測量，靈敏度極高，測量量程大。
【專利說明】一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬於檢測領域，涉及一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置。
【背景技術】
[0003]壓力和壓差是工業生產實踐中常見的參數，其測量及數據的採集廣泛用於各種設備裝置中，涉及水利水電、生產自控、航空航天、軍工、石化、醫療等眾多行業。此外，人們通過測量所得壓力間接可獲取溫度、流量、液位等物理參數。針對不同流體電解質中壓力和壓差測量的需求使得測量方法各不相同各有特色。
[0004]目前壓力傳感器的測量原理有壓阻式、電容式、壓電式等，這些壓力測量的原理各不相同，依據它們的適用條件和測量量程被應用於各種領域中。隨著材料技術、科技技術的進步使得工業應用需求不斷發展，要求提高壓力測量的響應速度、測量精度以及縮小測量器件體積。特別地，微機電系統(MEMS)、系統級晶片(System on Chip)技術製作的器件設備自身的尺寸極小，其測量的空間尺寸為微納米級別，對測量部件提出更高的要求；並且由於尺寸非常小對測量誤差、精度的要求相比於大尺寸下的測量要高且數據採集時間短、裝置要求智能化，使得一些傳統的壓力測量方法不適用或精度不夠。此外，由於測量原理的限制，一些傳統測量方法在微納尺度下難以適用，一些具有機械轉動部件的壓力測量方法在可靠性、精度方面會大大降低。
【發明內容】
[0005]本發明為了克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置。
[0006]本發明提供的技術方案如下:
一種壓力和壓差測量裝置，包括多孔膜、環繞在多孔膜周圍的彈性材料、兩個由韌性薄膜製成的感壓氣囊、包裹有絕緣材料的金屬線和置於感壓氣囊外部的信號採集裝置；其中，所述的多孔膜的孔徑為微米級或納米級尺寸，多孔膜的孔道內壁鍍有金屬層，金屬層上焊連有金屬線，金屬線被引出感壓氣囊與信號採集裝置相連；多孔膜的兩側各有一個感壓氣囊，多孔膜和感壓氣囊之間通過環繞在多孔膜周圍的彈性材料密封；兩個感壓氣囊中盛有不同濃度的電解液，電解液通過多孔膜的微納孔道時由於雙電層效應產生電信號，電信號通過金屬線傳送至信號採集裝置中；信號採集裝置將電信號轉化為壓力或壓差數值輸出。
[0007]所述的多孔膜為氧化鋁納米多孔膜、多孔玻璃纖維或氧化矽納米多孔膜。
[0008]所述的多孔膜的孔道內壁鍍金屬層的方法，包括以下步驟:首先採用磁控濺射的方法在多孔膜一側製作納米 厚度的金屬層，然後在金屬層表面焊連一根包裹有絕緣材料的金屬線，接著採用電沉積的方法在金屬層表面鍍一層納米厚度的金屬滷化物；重複上述步驟對多孔膜的另一側進行處理。[0009]本發明基於雙電層效應發電的原理:電解質溶液通過兩個金屬面電極之間，金屬面附近液面出現符號相反的過剩電荷，從而使得相間產生電位差；在金屬面之間連接外部電路，電解質溶液連續通過兩金屬面電極之間，電解液中正、負離子在電場下迅速向兩極運動，並分別在兩電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層；外部電路及金屬電極、電解液形成完整的電路，從而產生電流電壓。
[0010]本發明中多孔膜的孔道內壁鍍有金屬層，電解液受到壓力驅動流經孔道時，電解液中的離子在孔道內產生雙電層效應，由孔道和外部線路形成的閉合電路中形成電流，電路中的電流或電壓信號被採集後通過推算得到壓力/壓差的值。
[0011]本發明與現有技術相比具有以下優點和有益效果:
1.本發明的裝置無任何機械轉動部件，結構簡單，穩定可靠，無汙染無噪音，不需要提供外部電源設備進行驅動，對環境十分友好；
2.本發明可適用如液體或氣體等流體，甚至流體中可含有固體懸浮顆粒；
3.本發明靈敏度極高，測量量程大，依據不同孔道尺寸和含不同離子的液體可實現不同範圍的測量；
4.本發明可製作固定裝置或即插即用裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為雙電層效應原理示意圖。
[0013]圖2為氧化鋁納米多孔膜磁控濺射處理流程圖。
[0014]圖3為本發明壓力和壓差測量裝置示意圖。其中，I為電解液；2為韌性薄膜，韌性薄膜構成感壓氣囊5和感壓氣囊6 ； 3為多孔膜；4為彈性材料；5和6為感壓氣囊；7為金屬線；8為信號採集裝置；9為內壁鍍有金屬層的孔道。
[0015]圖4為兩側感壓氣囊的壓差與電壓關係圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合具體實施例及附圖對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
[0017]實施例中採用的氧化鋁納米多孔膜購於上海納騰儀器有限公司；薄膜購於深圳市虹美薄膜有限公司。
[0018]一種基於孔道雙電層效應的壓力和壓差測量裝置，包括多孔膜、環繞在多孔膜周圍的彈性材料、兩個由韌性薄膜製成的感壓氣囊、包裹有絕緣材料的金屬線和置於感壓氣囊外部的信號採集裝置；其中，所述的多孔膜的孔徑為微米級或納米級尺寸，多孔膜的孔道內壁鍍有金屬層，金屬層上焊連有金屬線，金屬線被引出感壓氣囊與信號採集裝置相連；多孔膜的兩側各有一個感壓氣囊，多孔膜和感壓氣囊之間通過環繞在多孔膜周圍的彈性材料密封；所述的感壓氣囊中盛有電解液，電解液通過多孔膜的微納孔道時由於雙電層效應產生電信號，電信號通過金屬線傳送至信號採集裝置中；所述的信號採集裝置，將電信號轉化為壓力或壓差數值輸出。
實施例[0019](I)對氧化鋁納米多孔膜進行磁控濺射處理，過程如圖2所示:首先採用磁控濺射的方法在氧化鋁納米多孔膜一側依次濺射一層15 nm厚的鉻和一層100 nm厚的銀，然後在銀層表面焊連一根包裹有絕緣材料的銀線，接著採用電沉積的方法在銀層表面沉積一層IOOnm厚的氯化銀；在氧化鋁納米多孔膜另一側採用磁控濺射的方法依次濺射一層15 nm厚的鉻和一層100 nm厚的銀，然後在銀層表面焊連一根包裹有絕緣材料的銀線，即完成對氧化鋁納米多孔膜的磁控濺射處理。
[0020](2)如圖3所示，將經過磁控濺射處理的氧化鋁納米多孔膜3鑲入具有一定機械強度的環形彈性材料4中，將銀線7引出隔板4，氧化鋁納米多孔膜3與彈性材料4之間密封；氧化鋁納米多孔膜3兩側各有一個由韌性薄膜2構成的感壓氣囊5和感壓氣囊6 ;感壓氣囊5和感壓氣囊6的邊緣被密封在彈性材料4中。將電解液I (濃度為10_6mol/L的NaCl溶液)裝入感壓氣囊5中，氧化鋁納米多孔膜3被感壓氣囊5和感壓氣囊6完全包裹，銀線7上包裹有絕緣材料可與電解液I隔離，從感壓氣囊5和6中引出銀線，將銀線7與信號採集裝置8相連，形成閉合電路。
[0021](3)測量壓力:若感壓氣囊5的壓力已知，將感壓氣囊6連通被測流體或浸入被測流體中，感壓氣囊6中的流體可反映被測流體的壓力。多孔膜3兩側形成的壓差使離子液體以一定的流速通過納米尺寸的孔道9，並產生明顯的雙電層效應，雙電層效應形成的電流可通過孔道內壁的金屬層和銀線傳出，在數據採集裝置中顯示出電信號。依據電信號(電流或電壓)、環境壓力、孔道的材料特性及幾何特性等數據推算而使得電信號轉化為壓差數據，從而測得流體的壓力。
[0022](4)測量壓差:感壓氣囊5和6分別連通未知壓力的被測流體，可如步驟(4)中的信號產生過程得到電信號並轉化為壓差數據。裝置運行時:
Ag電極上發生反應:Ag+Cr — AgCl+e、
AgCl電極上發生反應:AgCl+ e_- — Ag+ Cl_。
[0023]當孔道9的橫截面為矩形，高為55 nm、寬為100 μ m、長為Icm時，感壓氣囊5和6兩側的壓差和產生電壓的關係如圖4所示。
[0024]本發明的實施例中孔道的有效尺寸可為微米級或納米級，依據設計需求而定；本發明可以製作固定裝置，也可製作探頭裝置；裝置中NaCl溶液可用其他電解液替代；裝置的電極對除了 Ag和AgCl電極對以外，也可以是與其他電解液配合使用的電極對。譬如使用具有一定碳酸濃度的液體作為電解質，可以採用Ag和Ag2CO3作為電極對,裝置運行時:
Ag 電極上發生反應:Ag+C032_ — Ag2C03+2e_，
Ag2CO3電極上發生反應:Ag2C03+2e_ — Ag+C0廣。
[0025]上面結合具體實施例和附圖對本發明的技術方案作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化。
【權利要求】
1.一種壓力和壓差測量裝置，其特徵在於:包括多孔膜、環繞在多孔膜周圍的彈性材料、兩個由韌性薄膜製成的感壓氣囊、包裹有絕緣材料的金屬線和置於感壓氣囊外部的信號採集裝置；其中，所述的多孔膜的孔徑為微米級或納米級尺寸，多孔膜的孔道內壁鍍有金屬層，金屬層上焊連有金屬線，金屬線被引出感壓氣囊與信號採集裝置相連；多孔膜的兩側各有一個感壓氣囊，多孔膜和感壓氣囊之間通過環繞在多孔膜周圍的彈性材料密封；兩個感壓氣囊中盛有不同濃度的電解液，電解液通過多孔膜的微納孔道時由於雙電層效應產生電信號，電信號通過金屬線傳送至信號採集裝置中；信號採集裝置將電信號轉化為壓力或壓差數值輸出。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:所述的多孔膜為氧化鋁納米多孔膜、多孔玻璃纖維或氧化矽納米多孔膜。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於:所述的多孔膜的孔道內壁鍍金屬層的方法，包括以下步驟:首先採用磁控濺射的方法在多孔膜一側製作納米厚度的金屬層，然後在金屬層表面焊連一根包裹有絕緣材料的金屬線，接著採用電沉積的方法在金屬層表面鍍一層納米厚度的金屬滷化物；重複上述步驟對多孔膜的另一側進行處理。
【文檔編號】G01L13/06GK103884465SQ201410151943
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】程婷, 劉抗, 胡雪蛟, 闞偉民, 肖曉清, 李昌錚 申請人:武漢大學