本发明涉及气味传感器技术领域，尤其涉及一种气味传感器及其制备方法。
背景技术：
随着微机电系统和传感技术的发展，气味识别可以对不同的气体分子进行识别，包括食物气味，生物体产生的气体气味，发酵产生气体气味，爆炸物和危险气体，以及其他管道传输的气体气味等。因此，气味识别可以应用于多种领域，包括食物保鲜，安防以及防恐，健康监测等。
微机电系统和传感系统正常工作通常需要外界电源供电，因此现有的气味传感器需要固定插座电源或者电池供能，且采用电池供能时电源需要定时更换才能保证其传感效果的可靠性。这使得现有的气味传感器使用场景的局限性大且效果难以保证。此外，现有的气味传感器仅仅识别单一气味气体，或者即使能够传感多种气味气体，却无法对多种气味气体进行识别，仅仅适合在简单环境下的单一气味的气体识别。若想实现复杂环境下的多气味传感与识别需要增加传感器的数目，这就大大增加了安全监测的成本。
技术实现要素：
有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种采用纳米发电机原理产生自供电电流的气味传感器。
具体地，所述气味传感器包括：传感器件；
所述传感器件包括依次设置的电极层、柔性基底和传感层，所述柔性基底和所述传感层相邻设置，所述柔性基底与所述传感层为不同的柔性聚合物，能够受外力产生电势差；所述传感层具有多个孔位点，所述柔性基底从所述孔位点露出，在所述孔位点上设置化学修饰剂形成气味传感单元；在多个所述孔位点中至少一部分所述孔位点上的所述化学修饰剂不同，所述化学修饰剂用于与气体进行结合反应而使电位变化，不同气味的所述气体与不同的所述化学修饰剂结合产生反应。所述柔性基底和所述传感层采用具有不同摩擦电性质的材料，两者之间存在得电子能力的差异，能够产生驱动电源，该气味传感器使用过程中无需外接电源，解决了现有的气味传感器受电源限制的问题，避免了由于频繁充放电带来的安全隐患。
在一些实施例中，所述气味传感器还包括隔离层，两个所述传感器件分别设置在所述隔离层的两侧，每个所述传感器件的所述电极层与所述隔离层的表面相贴合。该气味传感器具有双表面气味传感单元，两个传感器件均为独立的柔性自驱动器件，均可以进行传感，且不同的气味传感单元上添加不同的化学修饰剂，可以提高识别位点密度和对更多气味进行识别，并且增加空气中气体和识别位点的结合机率。
优选地，所述柔性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷，所述传感层的材料包括聚吡咯，能够达到良好的电信号输出效果。此外，上述材料均具有无毒、稳定性强的性质，具备生物兼容性，应用上述材料的气味传感器具有医用前景。
可选地，所述气味传感单元可以有多种排列形式，可以是呈线性结构排列；或者，所述气味传感单元呈二维阵列结构排列。
本发明还提供了一种气味识别系统，包括上述气味传感器、采集单元和远端接收单元，所述采集单元接收所述气味传感单元的识别信号，所述采集单元还包括无线数据发送模块，所述采集单元与所述远端接收单元进行无线数据传输。实际应用该气味识别系统时，采集单元获取气味传感单元的电位变化信息，远端接收单元通过无线传输手段在远端对采集单元发送的信息进行接收、处理，进一步确保气味识别的准确性。
本发明还提供了一种传感器件制备方法，用于制备上述气味传感器所需的传感器件，包括：
在金属板件上刻蚀形成孔板，用于制作气味传感单元；
在刻蚀后的所述金属板件表面旋涂柔性聚合物形成柔性基底；
二次刻蚀所述金属板件；
移除所述金属板件，在所述柔性基底的一侧表面电化学沉积柔性聚合物形成传感层；
在所述柔性基底的另一侧表面添加电极层；
在所述气味传感单元的表面做化学修饰。
进一步，所述“在金属板件上刻蚀形成孔板”包括：采用紫外光刻和湿法刻蚀所述金属板件形成孔板。
所述“在金属板件上刻蚀形成孔板”操作在所述金属板件上形成呈线性结构排列的若干个孔；或者，在所述金属板件上形成呈二维阵列结构排列的若干个孔。
优选地，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷和聚吡咯。
本发明还提供了一种气味识别方法，采用上述气味传感器进行气味识别：所述气味传感器基于所述气味传感单元对不同气味的气体产生的电压变化预设气味编码；所述采集单元接收所述气味传感单元的识别信号；通过比较所述识别信号与所述气味编码进行气味识别。通过在单个传感器件上设置多个气味传感单元的方式能够增加气味传感器气味编码的位数，从而实现识别多种气体的目的。双层结构的气味传感器进一步增加了气味编码的位数，进而实现识别更多种气体的目的。
综上所述，本发明的气味传感器进行气味识别无需借助外界电源即可实现探测和数据传输，可以应用于能源紧张的场景中。采用多种一维和二维结构，实现识别多种气体的目的，能够用于复杂环境的气味识别，保证了识别的准确性。器件本身为柔性材质，可以进行穿戴或贴附于身体或者其他结构表面。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的气味传感器的传感器件制备流程示意图；
图2为线性自驱动气味识别结构示意图；
图3为具有双层传感器件的气味传感器结构示意图；
图4为应用单层传感器件的气味传感器电路设计示意图；
图5为应用双层传感器件的气味传感器电路设计示意图；
图6a为传感器件的气味传感单元编号示意图；
图6b为本发明的气味传感器的气味编码机制示例；
图7为带无线传输功能的气味识别系统结构示意图。
附图标记：
1-传感器件；11-金属板件；12-气味传感单元；13-柔性基底；14-传感层；15-电极层；2-隔离层；3-采集单元；4-远端接收单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种采用纳米发电机原理产生自供电电流，并设计多识别位点对气味进行识别的气味传感器。
实施例1
本实施例提供了一种气味传感器的传感器件及其制备方法。参见说明书附图1，自驱动柔性气味传感器件制备的工艺流程包括：
在金属板件11上进行刻蚀形成孔板，用于制作感应气体的气味传感单元12；
在刻蚀形成的孔板表面旋涂一层柔性聚合物形成柔性基底13；
二次刻蚀金属板件11；
移除金属板件11，在柔性基底13的表面电化学沉积一层柔性聚合物形成传感层14；
在柔性基底13的另一侧表面添加电极层15；
对传感器件1上的气味传感单元12的表面做化学修饰。
其中，柔性基底13和传感层14采用具有不同摩擦电性质的材料，柔性基底13和传感层14之间存在得电子能力的差异，传感器件1可以受外力而产生电势差。例如，传感器件1受外力而弯曲，在弯曲的同时基于摩擦电原理可以发电。在具体制备过程中，柔性基底13和传感层14的材料可以有多种选择，可以是高分子材料，例如：聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯丁二烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚双苯酚碳酸酯、聚吡咯、聚酰亚胺、聚酯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料作为参考。通过实验发现，当柔性基底13的材料和传感层14的材料得电子能力相差越大时，产生的电信号越强，所以，根据上述材料的特性选择合适的材料作为柔性基底13和传感层14以获得最佳的电信号输出性能。
气味传感单元12表面的化学修饰剂能够吸附气体中的气味物质并发生反应而使电位变化。本实施例的传感器件在多个气味传感单元12的至少一部分的表面采用不同的化学修饰剂进行修饰，根据不同气味的气体与不同化学修饰剂之间结合能够产生的反应，能够对不同的气味进行识别，使得单个传感器件1能够用于复杂环境的气味识别。
通过上述方法制备的单个传感器件1包括依次设置的电极层15、柔性基底14和传感层13，柔性基底14和传感层13为不同的柔性聚合物，能够受外力产生电势差。传感层13具有多个孔位点，柔性基底14从孔位点露出，孔位点表面设置有化学修饰剂形成气味传感单元12，化学修饰剂能够与气体进行结合反应而使电位变化。在多个孔位点中，至少一部分孔位点上的化学修饰剂不同，不同气味的气体与不同的化学修饰剂结合产生反应，由此对不同气味的气体进行识别。优选地，每个孔位点表面的化学修饰剂均不相同，能够对更多的气味进行识别。由于传感器件1柔性好，可以进行穿戴，或者贴附于人体皮肤或是其他结构表面使用。
实施例2
本实施例提供了一种采用实施例1的方法制备传感器件1的具体过程，包括：
采用紫外光刻和湿法刻蚀金属铜，刻蚀完成的金属铜表面形成呈二维阵列结构排列的若干个孔，用于制作气味传感单元12；
在刻蚀过的铜的表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)形成柔性基底13；
二次湿法刻蚀金属铜；
移除金属铜，在pdms表面电化学沉积聚吡咯(polypyrrole，ppy)形成传感层14；
在柔性基底13的另一侧表面添加铜电极作为电极层15；
采用不同的化学修饰剂分别对每一个气味传感单元12做化学修饰。
在本实施例中应用聚二甲基硅氧烷作为柔性基底13，聚吡咯作为传感层14，能够达到良好的电信号输出效果。此外，上述两种材料均具有无毒、稳定性强的性质，具备生物兼容性，应用上述材料的气味传感器具有医用前景。
在一些实施例中，可以是在金属铜表面刻蚀形成线性排列的若干个孔用于制作气味传感单元12。参见说明书附图2，线性结构的气味传感器可以设置在棒状探测器的前端，用于向其他空间探索，并通过摆动进行自启动发电气体探测。
实施例3
本实施例提供了一种具有双表面气味传感单元12的气味传感器，其中，传感器件1采用实施例1的方法制备。参见说明书附图3，本实施例的气味传感器包括双层传感器件1和隔离层2，两个传感器件1分别设置在隔离层2的两侧，每个传感器件1的电极层15与隔离层2的表面相贴合，将两个传感器件1封装在一起。优选地，隔离层2为聚二甲基硅氧烷薄膜，质地柔软、无毒无害、绿色环保。
具有双表面气味传感单元12的气味传感器上的两个传感器件1均为独立的柔性自驱动器件，均可以进行传感，可以提高识别位点密度和对更多的气味进行识别，并且增加空气中气体和识别位点的结合机率。
实施例4
本实施例提供了应用实施例1的方法制备的传感器件1的气味传感器及采用气味传感器进行气味识别的方法。
参见图4和图5，分别为应用单层传感器件1的气味传感器和应用双层传感器件1的气味传感器电路设计示意图。在制备传感器件1的过程中，在添加电极层15时将电极层15和电路布线连接到每一个独立的气味传感单元12，气味传感单元12的化学修饰剂与气体结合反应会产生电位变化形成识别信号，气味传感器连接有采集单元3，每个气味传感单元12可以通过电路布线将单独的识别信号传输到采集单元3。在具体的气味传感器制备中，采集单元3可以作为气味传感器的一部分，也可以单独设置在气味传感器外部与气味传感器连接。
气味传感器的识别原理如图6a和图6b所示，在传感器件1上根据不同气味传感单元12的相应不同实现对不同气味的编码。例如：在空气中，每一个气味传感单元12输出一个高电平(1)，当出现气味ⅰ时，②号气味传感单元12的输出电压降低(0)，而其他气味传感单元12的输出电平不变；出现气味ⅱ时，③号气味传感单元12的输出电压降低(0)，而其他气味传感单元12的输出电平不变；出现气味ⅲ时，③号和⑥号气味传感单元12的输出电压同时降低(0)，而其他气味传感单元12的输出电平不变。采集单元3将接收到的气味传感单元12输出的识别信号与预设的气味编码进行比较，从而识别出相应的气味。
应用本发明所提供的气味传感器进行的气味识别方法包括：气味传感器基于气味传感单元12对不同气味的气体产生的电位变化预设气味编码；采集单元3接收气味传感单元12的识别信号；通过比较识别信号与气味编码进行气味识别。
本发明的气味传感器通过在单个传感器件1上设置多个气味传感单元12的方式增加气味传感器气味编码的位数，从而实现识别多种气体的目的。双层结构的气味传感器进一步增加了气味编码的位数，进而实现识别更多种气味的目的。
实施例5
本实施例提供了一种带无线传输功能的气味识别系统。参见说明书附图7，气味识别系统包括气味传感器、采集单元3和远端接收单元4。实际应用本实时例所提供的气味识别系统时，采集单元3获取气味传感单元12的识别信号，采集单元3中设置有无线数据发送模块，设置远端接收单元4通过无线传输手段在远端对采集单元3发送的信息进行接收。在本实施例中，采集单元3向远端接收单元4发送所获取的气味传感单元12的识别信号，然后对识别信号进行处理。
在一些实施例中，采集单元3具有识别模块，用于比较识别信号与气味编码进行气味识别，采集单元3向远端接收单元4发送识别信号和/或气味识别结果，进一步确保气味识别的准确性。
综上所述，本发明提供的气味传感器进行气味识别不需要借助外界电源即可实现探测和数据传输，可以应用于能源紧张的场景中，包括室外，野外等环境。采用多种一维和二维结构，实现识别多种气体的目的，能够用于复杂环境的气味识别，保证了识别的准确性。器件本身为柔性材质，可以进行穿戴或者贴附于身体或者其他结构表面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种气味传感器，其特征在于，包括：传感器件；
所述传感器件包括依次设置的电极层、柔性基底和传感层，所述柔性基底和所述传感层为不同的柔性聚合物，能够受外力产生电势差；
所述传感层具有多个孔位点，所述柔性基底从所述孔位点露出，在所述孔位点上设置化学修饰剂形成气味传感单元；
在多个所述孔位点中至少一部分所述孔位点上的所述化学修饰剂不同，所述化学修饰剂用于与气体进行结合反应而使电位变化，不同气味的所述气体与不同的所述化学修饰剂结合产生反应。
2.根据权利要求1所述的气味传感器，其特征在于，还包括隔离层，两个所述传感器件分别设置在所述隔离层的两侧，每个所述传感器件的所述电极层与所述隔离层的表面相贴合。
3.根据权利要求1所述的气味传感器，其特征在于，所述柔性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷，所述传感层的材料包括聚吡咯。
4.根据权利要求1所述的气味传感器，其特征在于，所述气味传感单元呈线性结构排列；
或，所述气味传感单元呈二维阵列结构排列。
5.一种气味识别系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的气味传感器、采集单元和远端接收单元，所述采集单元接收所述气味传感单元的识别信号，所述采集单元还包括无线数据发送模块，所述采集单元与所述远端接收单元进行无线数据传输。
6.一种传感器件制备方法，用于制备权利要求1-4任一项所需的传感器件，其特征在于，包括：
在金属板件上刻蚀形成孔板，用于制作气味传感单元；
在刻蚀后的所述金属板件表面旋涂柔性聚合物形成柔性基底；
二次刻蚀所述金属板件；
移除所述金属板件，在所述柔性基底的一侧表面电化学沉积柔性聚合物形成传感层；
在所述柔性基底的另一侧表面添加电极层；
在所述气味传感单元的表面做化学修饰。
7.根据权利要求6所述的传感器件制备方法，其特征在于，所述“在金属板件上刻蚀形成孔板”包括：采用紫外光刻和湿法刻蚀所述金属板件形成孔板。
8.根据权利要求6所述的传感器件制备方法，其特征在于，所述“在金属板件上刻蚀形成孔板”操作在所述金属板件上形成呈线性结构排列的若干个孔；
或，在所述金属板件上形成呈二维阵列结构排列的若干个孔。
9.根据权利要求根据权利要求6所述的传感器件制备方法，其特征在于，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷和聚吡咯。
10.一种气味识别方法，采用权利要求1-4任一项所述的气味传感器进行气味识别，其特征在于，
所述气味传感器基于所述气味传感单元对不同气味的气体产生的电位变化预设气味编码；
所述采集单元接收所述气味传感单元的识别信号；
通过比较所述识别信号与所述气味编码进行气味识别。
技术总结