本發(fā)明屬于加速度傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種電化學(xué)自供電加速度傳感器及其制造方法,具體說是基于電化學(xué)離子濃度敏感機(jī)制的自供電加速度傳感器及制備方法。

技術(shù)背景

加速度傳感器是汽車工業(yè)、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種基礎(chǔ)傳感器。目前上述應(yīng)用領(lǐng)域正經(jīng)歷快速的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，對于加速度傳感器的性能提出了以下三點(diǎn)迫切的發(fā)展需求：一，汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、侵徹武器等領(lǐng)域?qū)τ诩铀俣刃盘柕臏y量范圍有極高的要求，要求加速度傳感器具有高達(dá)數(shù)萬g的量程；二，侵徹武器領(lǐng)域需要識別間隔時間較短的連續(xù)多個加速度沖擊信號，要求加速度傳感器的輸出信號雜峰震蕩較少；三，隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，汽車、航空航天等領(lǐng)域的系統(tǒng)集成程度越來越高，對于加速度傳感器的無源化提出了迫切的要求，自供電加速度傳感器將顯著減小系統(tǒng)的功耗和體積，提高系統(tǒng)的集成度。

而目前發(fā)展較為成熟的加速度傳感器主要分為以下四種：壓電式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器、電容式加速度傳感器和電化學(xué)加速度傳感器。其中壓電式加速度傳感器利用加速度沖擊過程中壓電材料受壓產(chǎn)生的電荷量來測量加速度大小，其代表性專利如揚(yáng)州英邁克測控技術(shù)有限公司的《一種高沖擊壓電式加速度計(jì)》(cn103792389b)。但是壓電式加速度計(jì)的主要不足在于其受限于壓電效應(yīng)較長的弛豫時間，在一次沖擊后零點(diǎn)恢復(fù)需要較長的時間，傳感信號的雜峰震蕩較多，在經(jīng)歷連續(xù)多次加速度沖擊時傳感信號粘連嚴(yán)重。壓阻式加速度傳感器利用壓阻材料受壓時的電阻變化測量加速度信號，其代表性專利如大連理工大學(xué)的《一種mems壓阻式加速度計(jì)》(cn103575932b)。電容式加速度傳感器則利用加速度沖擊下電容結(jié)構(gòu)和容值的變化測量加速度信號，其代表性專利如立積電子股份有限公司的《電容式加速度計(jì)》(cn103018486b)。但是，壓阻式加速度傳感器和電容式加速度傳感器的共同缺點(diǎn)在于它們需要外部電源供電，不利于微系統(tǒng)整體集成度的提高。電化學(xué)加速度計(jì)是近年來出現(xiàn)的一種新型加速度傳感器，利用液體而非固體作為加速度敏感單元，通過加速度沖擊下溶液離子濃度變化對電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)對加速度信號的電壓響應(yīng)，其代表性專利如中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的《基于mems技術(shù)的電化學(xué)地震檢波器》(cn103048680b)。目前，電化學(xué)加速度傳感器尚處于發(fā)展階段，已有的成果主要存在兩點(diǎn)不足，一是器件的加速度量程較小，無法滿足汽車、航空航天和武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用需求，二是器件需要外部電源供電驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)，不利于微系統(tǒng)集成度的提高。

針對目前對于自供電高量程加速度傳感器的需求，本發(fā)明提出了一種電化學(xué)自供電加速度傳感器及其制造方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出了一種電化學(xué)加速度傳感器及其制造方法，其特征在于，

所述電化學(xué)加速度傳感器采用疊層式結(jié)構(gòu)，依次疊放集流體、正電極、隔膜、負(fù)電極和集流體；并通過機(jī)械裝置裝卡后灌封在金屬或塑料殼體中；其中集流體為鈦或其他導(dǎo)電性良好的金屬材料(如鉑、不銹鋼等)；正負(fù)電極均為氧化釕或其他金屬氧化物多孔材料(如氧化錳、氧化鈷等)，隔膜為聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)，正負(fù)電極和隔膜的孔隙中均填充硫酸電解液。

所述電化學(xué)加速度傳感器的制作，具體包括：

1)集流體的制造工藝

將鈦片浸泡在體積分?jǐn)?shù)的硫酸溶液中，浸泡個小時，完成金屬表面的表面處理；將處理后的鈦片按照設(shè)計(jì)尺寸切割成集流體，通過激光焊接將極針焊接到集流體上，保障高加速度瞬間極針與集流體之間不發(fā)生脫落或斷路現(xiàn)象；

2)電極薄膜的制造工藝

在金屬集流體基體表面，采用溶膠凝膠浸漬工藝，將金屬鹽氯化釕或氯化錳、成膜促進(jìn)劑聚乙烯醇或聚四氟乙烯和沉淀劑氫氧化銨或碳酸氫鈉構(gòu)成的反應(yīng)體系，其中，聚四氟乙烯約占總質(zhì)量的氧化釕和碳酸氫鈉的質(zhì)量比約為2：3，在高溫下反應(yīng)生成多元金屬氧化物，經(jīng)過燒結(jié)工藝(溫度范圍為燒結(jié)時間為形成穩(wěn)定均勻的多元金屬氧化物薄膜，薄膜內(nèi)部形成豐富的溝壑孔洞，為電解液的流動和離子遷移提供通道

3)電極的裝卡工藝

在含有氧化釕的正、負(fù)電極之間基于mems工藝加工微納支撐體陣列，將集流體、正電極、隔膜、負(fù)電極、集流體順序疊放，通過電極之間的微納支撐體陣列實(shí)現(xiàn)正負(fù)電極之間的剛性裝卡；這種剛性裝卡工藝保障了高加速度沖擊瞬間，電解液流動和帶電離子遷移通道的穩(wěn)定性和可靠性；其中微納支撐體為圓柱體或正方體；

4)注液及封裝工藝

向多孔的正、負(fù)電極和多孔隔膜的孔隙中添加0.1mol/l～10mol/l的氧化性電解液，采用固性樹脂膠將器件封裝在金屬或塑料外殼中；其中氧化性電解液為硫酸溶液。

所述電化學(xué)加速度傳感器的性能測試

對封裝好的加速度傳感器進(jìn)行10a/m²～200a/m²的恒流充電，直至充滿狀態(tài)，電壓達(dá)到1v，實(shí)現(xiàn)儲能功能；然后先進(jìn)行足夠長時間的自放電，使加速度傳感器內(nèi)部的離子分布達(dá)到平衡狀態(tài)后，進(jìn)行10a/m²～200a/m²的恒流放電；若放電過程中發(fā)生高加速度過載沖擊，加速度傳感器的輸出電壓將在沖擊瞬間發(fā)生波動，實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的加速度傳感功能。

所述電化學(xué)加速度傳感器單體的尺寸小于1cm*1cm*5mm，充電電壓能夠達(dá)到1v，加速度響應(yīng)范圍可達(dá)1萬g，有望應(yīng)用于航空航天和汽車領(lǐng)域。

本發(fā)明的有益效果是電化學(xué)加速度傳感器采用剛性封裝結(jié)構(gòu)和工藝，在兩電極之間基于mems加工微納支撐體陣列，形成電解液帶電粒子遷移的順暢通道，保障高加速度沖擊瞬間電解液流動和離子遷移通道的穩(wěn)定性和可靠性，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)裝卡和剛性樹脂膠灌封將器件封裝在金屬或塑料外殼中，本發(fā)明的單體的充電電壓能夠達(dá)到1v，加速度響應(yīng)范圍可達(dá)1萬g；能夠?qū)崿F(xiàn)高量程下加速度信號的自供電傳感，通過器件的電壓波動實(shí)現(xiàn)對加速度沖擊信號的感知識別。

附圖說明

圖1為電化學(xué)加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為電化學(xué)加速度傳感器的加速度響應(yīng)機(jī)理圖。

圖3為電化學(xué)加速度傳感器在加速度沖擊瞬間的實(shí)測電壓波動響應(yīng)。

圖4為多孔電極加工工藝效果圖。

圖5為電化學(xué)加速度傳感器封裝工藝示意圖。

圖6為微納支撐體陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種電化學(xué)加速度傳感器及其制造方法，所述器件能夠在具有超級電容器儲能性能和充放電特性的同時，感知放電過程中的加速度沖擊信號，并在加速度沖擊瞬間產(chǎn)生電壓波動響應(yīng)。下面結(jié)合附圖予以說明。

圖1所示為電化學(xué)加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。本電化學(xué)加速度傳感器采用疊層式結(jié)構(gòu)，依次疊放集流體1、正電極2、隔膜4、負(fù)電極5和集流體1；并通過機(jī)械裝置裝卡后灌封在金屬或塑料殼體中(如圖5所示)；其中集流體為鈦或其他導(dǎo)電性良好的金屬材料(如鉑、不銹鋼等)；正負(fù)電極均為氧化釕3或其他金屬氧化物多孔材料(如聚丙烯等)，隔膜為聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)，正負(fù)電極和隔膜的孔隙中均填充硫酸電解液6。

所述電化學(xué)加速度傳感器的制作，具體包括：

1)集流體的制造工藝

將鈦片浸泡在體積分?jǐn)?shù)的硫酸溶液中，浸泡個小時，完成金屬表面的表面處理；將處理后的鈦片按照設(shè)計(jì)尺寸切割成集流體，通過激光焊接將極針焊接到集流體上，保障高加速度瞬間極針與集流體之間不發(fā)生脫落或斷路現(xiàn)象；

2)電極薄膜的制造工藝

在金屬集流體基體表面，采用溶膠凝膠浸漬工藝，將金屬鹽氯化釕或氯化錳、成膜促進(jìn)劑聚乙烯醇或聚四氟乙烯和沉淀劑氫氧化銨或碳酸銨構(gòu)成的反應(yīng)體系以氧化釕-聚四氟乙烯-碳酸氫鈉反應(yīng)體系為例，聚四氟乙烯約占總質(zhì)量的氧化釕和碳酸氫鈉的質(zhì)量比約為2：3；在高溫下反應(yīng)生成多元金屬氧化物，經(jīng)過燒結(jié)工藝：溫度范圍為其中最佳燒結(jié)溫度為300℃，燒結(jié)時間可從)，形成穩(wěn)定均勻的多元金屬氧化物薄膜，薄膜內(nèi)部形成豐富的溝壑孔洞，為電解液的流動和離子遷移提供通道(如圖4所示)保障加速度沖擊瞬間電解液迅速流動，快速完成正負(fù)極間的離子重分布過程(如圖2所示)，實(shí)現(xiàn)加速度沖擊信號的傳感。加速度沖擊瞬間，電解液在慣性力作用下產(chǎn)生定向流動，流動產(chǎn)生的物質(zhì)遷移效應(yīng)使使電解液中氫離子濃度發(fā)生重分布，進(jìn)而響應(yīng)到電化學(xué)體系的電導(dǎo)率和法拉第反應(yīng)的進(jìn)行速率，使器件的輸出電壓發(fā)生瞬時波動，實(shí)現(xiàn)對加速度沖擊信號的傳感在加速度沖擊瞬間的電壓波動響應(yīng)現(xiàn)象得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(如圖3所示)。

3)電極的裝卡工藝

如圖5所示，在含有氧化釕的正、負(fù)電極之間，基于mems工藝加工微納支撐體陣列，將集流體1、正電極2、隔膜4、負(fù)電極5、集流體1順序疊放，通過電極之間的微納支撐體陣列7(如圖6所)，實(shí)現(xiàn)正負(fù)電極之間的剛性裝卡；這種剛性裝卡工藝保障了高加速度沖擊瞬間，電解液流動和帶電離子遷移通道的穩(wěn)定性和可靠性；其中微納支撐體為圓柱體或正方體；

4)注液及封裝工藝

向多孔的正、負(fù)電極和多孔隔膜的孔隙中添加0.1mol/l～10mol/l的氧化性電解液6，采用固性樹脂膠將器件封裝在金屬或塑料外殼中；其中氧化性電解液為硫酸溶液。

所述電化學(xué)加速度傳感器的性能測試

對封裝好的加速度傳感器進(jìn)行10a/m²～200a/m²的恒流充電，直至充滿狀態(tài)，電壓達(dá)到1v，實(shí)現(xiàn)儲能功能；然后先進(jìn)行足夠長時間的自放電，使加速度傳感器內(nèi)部的離子分布達(dá)到平衡狀態(tài)后，進(jìn)行10a/m²～200a/m²的恒流放電；若放電過程中發(fā)生高加速度過載沖擊，加速度傳感器的輸出電壓將在沖擊瞬間發(fā)生波動，實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的加速度傳感功能(如圖3所示)。

所述電化學(xué)加速度傳感器單體的尺寸小于1cm*1cm*5mm，充電電壓能夠達(dá)到1v，加速度響應(yīng)范圍可達(dá)1萬g，有望應(yīng)用于航空航天和汽車領(lǐng)域。

本發(fā)明的電化學(xué)加速度傳感器通過雙電層效應(yīng)和法拉第反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放。雙電層效應(yīng)是指電極和電解液中的正負(fù)離子在靜電吸附力的作用下，在電極材料的表面形成有序的雙電層結(jié)構(gòu)。由于正負(fù)電極為高比表面積的孔隙結(jié)構(gòu)，因此器件可以通過雙電層效應(yīng)實(shí)現(xiàn)大能量密度的電能存儲。法拉第反應(yīng)是金屬氧化物電極與氧化性酸電解液之間發(fā)生的高度可逆的氧化還原反應(yīng)，通過氧化還原反應(yīng)的得失電子過程形成法拉第電流實(shí)現(xiàn)能量存儲。