一种基于孔道双电层效应的压力和压差测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于孔道双电层效应的压力和压差测量装置。本发明中多孔膜的孔道内壁镀有金属层，电解液受到压力驱动流经孔道时，电解液中的离子在孔道内产生双电层效应，在孔道和信号采集装置形成的闭合电路中形成电流，电路中的电流或电压信号被采集后通过推算可得到压力或压差的值。本发明的装置无任何机械转动部件，结构简单，稳定可靠，不需要提供外部电源设备进行驱动，无污染无噪音，对环境十分友好；本发明可适用于液体和气体等流体，甚至流体中可含有固体悬浮颗粒；本发明依据不同孔道尺寸和含不同离子的液体可实现不同范围的测量，灵敏度极高，测量量程大。
【专利说明】一种基于孔道双电层效应的压力和压差测量装置
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于检测领域，涉及一种基于孔道双电层效应的压力和压差测量装置。
【背景技术】
[0003]压力和压差是工业生产实践中常见的参数，其测量及数据的采集广泛用于各种设备装置中，涉及水利水电、生产自控、航空航天、军工、石化、医疗等众多行业。此外，人们通过测量所得压力间接可获取温度、流量、液位等物理参数。针对不同流体电解质中压力和压差测量的需求使得测量方法各不相同各有特色。
[0004]目前压力传感器的测量原理有压阻式、电容式、压电式等，这些压力测量的原理各不相同，依据它们的适用条件和测量量程被应用于各种领域中。随着材料技术、科技技术的进步使得工业应用需求不断发展，要求提高压力测量的响应速度、测量精度以及缩小测量器件体积。特别地，微机电系统(MEMS)、系统级芯片(System on Chip)技术制作的器件设备自身的尺寸极小，其测量的空间尺寸为微纳米级别，对测量部件提出更高的要求；并且由于尺寸非常小对测量误差、精度的要求相比于大尺寸下的测量要高且数据采集时间短、装置要求智能化，使得一些传统的压力测量方法不适用或精度不够。此外，由于测量原理的限制，一些传统测量方法在微纳尺度下难以适用，一些具有机械转动部件的压力测量方法在可靠性、精度方面会大大降低。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于孔道双电层效应的压力和压差测量装置。
[0006]本发明提供的技术方案如下:
一种压力和压差测量装置，包括多孔膜、环绕在多孔膜周围的弹性材料、两个由韧性薄膜制成的感压气囊、包裹有绝缘材料的金属线和置于感压气囊外部的信号采集装置；其中，所述的多孔膜的孔径为微米级或纳米级尺寸，多孔膜的孔道内壁镀有金属层，金属层上焊连有金属线，金属线被引出感压气囊与信号采集装置相连；多孔膜的两侧各有一个感压气囊，多孔膜和感压气囊之间通过环绕在多孔膜周围的弹性材料密封；两个感压气囊中盛有不同浓度的电解液，电解液通过多孔膜的微纳孔道时由于双电层效应产生电信号，电信号通过金属线传送至信号采集装置中；信号采集装置将电信号转化为压力或压差数值输出。
[0007]所述的多孔膜为氧化铝纳米多孔膜、多孔玻璃纤维或氧化硅纳米多孔膜。
[0008]所述的多孔膜的孔道内壁镀金属层的方法，包括以下步骤:首先采用磁控溅射的方法在多孔膜一侧制作纳米 厚度的金属层，然后在金属层表面焊连一根包裹有绝缘材料的金属线，接着采用电沉积的方法在金属层表面镀一层纳米厚度的金属卤化物；重复上述步骤对多孔膜的另一侧进行处理。[0009]本发明基于双电层效应发电的原理:电解质溶液通过两个金属面电极之间，金属面附近液面出现符号相反的过剩电荷，从而使得相间产生电位差；在金属面之间连接外部电路，电解质溶液连续通过两金属面电极之间，电解液中正、负离子在电场下迅速向两极运动，并分别在两电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层；外部电路及金属电极、电解液形成完整的电路，从而产生电流电压。
[0010]本发明中多孔膜的孔道内壁镀有金属层，电解液受到压力驱动流经孔道时，电解液中的离子在孔道内产生双电层效应，由孔道和外部线路形成的闭合电路中形成电流，电路中的电流或电压信号被采集后通过推算得到压力/压差的值。
[0011]本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果:
1.本发明的装置无任何机械转动部件，结构简单，稳定可靠，无污染无噪音，不需要提供外部电源设备进行驱动，对环境十分友好；
2.本发明可适用如液体或气体等流体，甚至流体中可含有固体悬浮颗粒；
3.本发明灵敏度极高，测量量程大，依据不同孔道尺寸和含不同离子的液体可实现不同范围的测量；
4.本发明可制作固定装置或即插即用装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为双电层效应原理示意图。
[0013]图2为氧化铝纳米多孔膜磁控溅射处理流程图。
[0014]图3为本发明压力和压差测量装置示意图。其中，I为电解液；2为韧性薄膜，韧性薄膜构成感压气囊5和感压气囊6 ； 3为多孔膜；4为弹性材料；5和6为感压气囊；7为金属线；8为信号采集装置；9为内壁镀有金属层的孔道。
[0015]图4为两侧感压气囊的压差与电压关系图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0017]实施例中采用的氧化铝纳米多孔膜购于上海纳腾仪器有限公司；薄膜购于深圳市虹美薄膜有限公司。
[0018]一种基于孔道双电层效应的压力和压差测量装置，包括多孔膜、环绕在多孔膜周围的弹性材料、两个由韧性薄膜制成的感压气囊、包裹有绝缘材料的金属线和置于感压气囊外部的信号采集装置；其中，所述的多孔膜的孔径为微米级或纳米级尺寸，多孔膜的孔道内壁镀有金属层，金属层上焊连有金属线，金属线被引出感压气囊与信号采集装置相连；多孔膜的两侧各有一个感压气囊，多孔膜和感压气囊之间通过环绕在多孔膜周围的弹性材料密封；所述的感压气囊中盛有电解液，电解液通过多孔膜的微纳孔道时由于双电层效应产生电信号，电信号通过金属线传送至信号采集装置中；所述的信号采集装置，将电信号转化为压力或压差数值输出。
实施例[0019](I)对氧化铝纳米多孔膜进行磁控溅射处理，过程如图2所示:首先采用磁控溅射的方法在氧化铝纳米多孔膜一侧依次溅射一层15 nm厚的铬和一层100 nm厚的银，然后在银层表面焊连一根包裹有绝缘材料的银线，接着采用电沉积的方法在银层表面沉积一层IOOnm厚的氯化银；在氧化铝纳米多孔膜另一侧采用磁控溅射的方法依次溅射一层15 nm厚的铬和一层100 nm厚的银，然后在银层表面焊连一根包裹有绝缘材料的银线，即完成对氧化铝纳米多孔膜的磁控溅射处理。
[0020](2)如图3所示，将经过磁控溅射处理的氧化铝纳米多孔膜3镶入具有一定机械强度的环形弹性材料4中，将银线7引出隔板4，氧化铝纳米多孔膜3与弹性材料4之间密封；氧化铝纳米多孔膜3两侧各有一个由韧性薄膜2构成的感压气囊5和感压气囊6 ;感压气囊5和感压气囊6的边缘被密封在弹性材料4中。将电解液I (浓度为10_6mol/L的NaCl溶液)装入感压气囊5中，氧化铝纳米多孔膜3被感压气囊5和感压气囊6完全包裹，银线7上包裹有绝缘材料可与电解液I隔离，从感压气囊5和6中引出银线，将银线7与信号采集装置8相连，形成闭合电路。
[0021](3)测量压力:若感压气囊5的压力已知，将感压气囊6连通被测流体或浸入被测流体中，感压气囊6中的流体可反映被测流体的压力。多孔膜3两侧形成的压差使离子液体以一定的流速通过纳米尺寸的孔道9，并产生明显的双电层效应，双电层效应形成的电流可通过孔道内壁的金属层和银线传出，在数据采集装置中显示出电信号。依据电信号(电流或电压)、环境压力、孔道的材料特性及几何特性等数据推算而使得电信号转化为压差数据，从而测得流体的压力。
[0022](4)测量压差:感压气囊5和6分别连通未知压力的被测流体，可如步骤(4)中的信号产生过程得到电信号并转化为压差数据。装置运行时:
Ag电极上发生反应:Ag+Cr — AgCl+e、
AgCl电极上发生反应:AgCl+ e_- — Ag+ Cl_。
[0023]当孔道9的横截面为矩形，高为55 nm、宽为100 μ m、长为Icm时，感压气囊5和6两侧的压差和产生电压的关系如图4所示。
[0024]本发明的实施例中孔道的有效尺寸可为微米级或纳米级，依据设计需求而定；本发明可以制作固定装置，也可制作探头装置；装置中NaCl溶液可用其他电解液替代；装置的电极对除了 Ag和AgCl电极对以外，也可以是与其他电解液配合使用的电极对。譬如使用具有一定碳酸浓度的液体作为电解质，可以采用Ag和Ag2CO3作为电极对,装置运行时:
Ag 电极上发生反应:Ag+C032_ — Ag2C03+2e_，
Ag2CO3电极上发生反应:Ag2C03+2e_ — Ag+C0广。
[0025]上面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【权利要求】
1.一种压力和压差测量装置，其特征在于:包括多孔膜、环绕在多孔膜周围的弹性材料、两个由韧性薄膜制成的感压气囊、包裹有绝缘材料的金属线和置于感压气囊外部的信号采集装置；其中，所述的多孔膜的孔径为微米级或纳米级尺寸，多孔膜的孔道内壁镀有金属层，金属层上焊连有金属线，金属线被引出感压气囊与信号采集装置相连；多孔膜的两侧各有一个感压气囊，多孔膜和感压气囊之间通过环绕在多孔膜周围的弹性材料密封；两个感压气囊中盛有不同浓度的电解液，电解液通过多孔膜的微纳孔道时由于双电层效应产生电信号，电信号通过金属线传送至信号采集装置中；信号采集装置将电信号转化为压力或压差数值输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的多孔膜为氧化铝纳米多孔膜、多孔玻璃纤维或氧化硅纳米多孔膜。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于:所述的多孔膜的孔道内壁镀金属层的方法，包括以下步骤:首先采用磁控溅射的方法在多孔膜一侧制作纳米厚度的金属层，然后在金属层表面焊连一根包裹有绝缘材料的金属线，接着采用电沉积的方法在金属层表面镀一层纳米厚度的金属卤化物；重复上述步骤对多孔膜的另一侧进行处理。
【文档编号】G01L13/06GK103884465SQ201410151943
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2014年4月16日
【发明者】程婷, 刘抗, 胡雪蛟, 阚伟民, 肖晓清, 李昌铮 申请人:武汉大学