CN114236249A - 一种兼具电场感应和光场感知的功能装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种兼具电场感应和光场感知的功能装置及应用，包括WO3/BiVO4/MXene工作电极、对电极和参比电极；所述WO3/BiVO4/MXene工作电极包括设在FTO上的100‑110nm厚的WO3薄膜，其中单个WO3晶体的面积为(0.5‑1.0)μm×(0.1‑0.5)μm，厚度为0.2‑0.3μm，WO3薄膜上为0.1‑0.2μm厚的BiVO4薄膜，BiVO4薄膜上为20‑30nm厚的MXene薄膜。本发明的功能装置具有适用环境广、探测灵敏度高、小巧轻便，便于移动等特点，实现了多功能化，同时具有电场感应和光场感知传感功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种兼具电场感应和光场感知的功能装置及应用，属于电子器件领域。
背景技术
智能电子产品逐渐向着体积小、电路集成度高、传输速度快的方向发展。作为智能电子产品的重要组成部件，新型智能电子元器件正向片式化、微型化、高频化、宽频化、高精度化、集成化和绿色环保化的方向发展。其中，光场传感器能够用于检测光强度变化，在日常生活中得到了广泛应用；电场传感器能够测量高电压电力系统中的瞬变电场强度，为气象保障提供了可靠的手段和依据。
现有专利一种复合电极与制备及在电场检测中的应用(CN 109884410 A)，公开了将尺寸2cm×2.5cm的器件在一个电路中测试，探究传感器的性能。由测试的电流对空间电场的响应随时间的变化关系的电流密度-时间(I-T)曲线可知，其中，器件是由两个聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐-还原氧化石墨烯(P-rGO)气凝胶电极分别水平放置在PVA/H2SO4凝胶电解质中，取出后，将两个P-rGO气凝胶电极呈面对面放置，中间加入隔膜，形成的平行板电容器型的电场传感器，传感器的左侧的等离子体球体作为电场发生器，将传感器垂直放置在等离子体球体中心向外的辐射束上，在测试过程中，以0.2Hz的频率手动开启/关闭等离子体球体。电场强度范围为1100-19000Vm-1，灵敏度为1.3×10-10mA m V-1，电场响应灵敏度较低，且测试方法没有考虑到背景电流，所测数据偏欠准确。
另有专利一种ZnO修饰WO3/BiVO4异质结的制备方法及其在光电催化中的应用(CN109778223 A)，包括WCl6和PVP制得WO3籽晶层；将钨酸钠溶于水，先后加入盐酸、草酸铵，得透明溶液；将透明溶液加入有WO3籽晶层反应，得WO3阵列前驱体，高温退火得到WO3电极；将双(乙酰丙酮)氧化钒和五水硝酸铋溶于冰醋酸，加入乙基纤维素，得BiVO4前驱体溶液；将BiVO4前驱体溶液滴涂到WO3电极表面，干燥、退火得WO3/BiVO4复合光阳极；将WO3/BiVO4复合光阳极置于原子层沉积系统内，利用二乙基锌与水，经沉积循环后ZnO逐层生长，得在光电催化中具有较好的高效性和稳定性的ZnO修饰WO3/BiVO4异质结。但是由ZnO修饰WO3/BiVO4/ZnO的电极在0.8V的偏置电压下，以300W氙灯装配有AM 1.5G(100mW cm-2)的滤光片作为模拟光源，此时响应光电流密度低于0.8mA cm-2，光电流密度较低。
上述两种方案在研究光场传感和电场传感时无法做到功能兼容，只能止步于单纯对电场强度检测以及光场强度检测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种兼具电场感应和光场感知的功能装置及应用。
为了实现上述目的，本发明采用的一种传感模块，包括WO3/BiVO4/MXene工作电极、对电极和参比电极；
所述WO3/BiVO4/MXene工作电极包括设在FTO上的100-110nm厚的WO3薄膜，其中单个WO3晶体的面积为(0.5-1.0)μm×(0.1-0.5)μm，厚度为0.2-0.3μm，WO3薄膜上为0.1-0.2μm厚的BiVO4薄膜，BiVO4薄膜上为20-30nm厚的MXene薄膜。
作为改进，所述WO3/BiVO4/MXene工作电极通过以下方法制备：
1)制作WO3电极：将1.21-1.25mmol Na2WO4·2H2O和1.06-1.16mmol(NH4)2C2O4·H2O溶解在33-36mL去离子水中，搅拌中加入9-12mL HCl，继续加入8-10mL H2O2溶液，搅拌持续10-15min，加入30-35mL无水C2H6O，搅拌持续10-15min，通过水浴加热法在FTO上合成WO3薄膜，然后在500-550℃退火处理2-3h；
2)制作WO3/BiVO4极：将0.25-0.30mmol Bi(NO4)2·5H2O和0.30-0.35mmolC10H14O5V溶于5-10mL由CH3COOH和C5H8O2按体积比为20:1组成的混合溶液中，在室温下搅拌至没有沉淀物，将20-30μL BiVO4前驱体溶液涂覆在WO3表面上，在室温下干燥，然后在空气中于150-200℃下热处理15-20min，最后在550-600℃下进行2-2.5h退火；
3)制作WO3/BiVO4/MXene电极：将0.5-1.5g LiF、10-30mL HCl溶液、0.5-1.5gTi3AlC2在30-40℃下搅拌23-24h，再用去离子水反复洗涤并以3000-3500r min-1离心，超声粉碎40-50min，最后以3000-3500r min-1离心25-35min，得到浓度为1-3mg mL-1MXene前驱体溶液，采用速率2000-2500r s-1、时间为30-35s的旋涂法，在WO3/BiVO4基底上沉积1-3mg mL-1MXene溶液，最终形成WO3/BiVO4/MXene工作电极。
另外，本发明还提供了一种兼具电场感应和光场感知的功能装置，包括机械模块、处理模块、显示模块、电源管理模块及传感模块；
所述电源管理模块分别与机械模块、处理模块和显示模块连接，并向机械模块、处理模块和显示模块供电，所述处理模块分别与机械模块、传感模块和显示模块连接。
作为改进，所述机械模块包括挡电场板和挡光场板；所述挡光场板用于控制光场是否作用于传感模块的工作电极；所述挡电场板用于控制静电场是否作用于工作电极。
作为改进，所述传感模块中的对电极、参比电极和WO3/BiVO4/MXene工作电极分别连接处理模块的对电极端口、参比电极端口、工作电极端口；所述电源管理模块分别连接处理模块、机械模块、显示模块的不同供压电源端口；显示模块连接处理模块的数据传输端口；机械模块连接处理模块的控制端口。
最后，本发明还提供了一种所述功能装置的应用，通过处理模块控制机械模块中的挡电场板和挡光场板有序开合，传感模块采集的数据输出至处理模块，最后由显示模块反馈传感模块输出的数据。
作为进一步改进，具体包括以下步骤：
S1、处理模块控制机械模块合上挡光场板和挡电场板，处理模块检测并记录传感模块的背景电流IS1；
S2、处理模块仅控制机械模块的挡电场板打开，让待测静电场穿透挡光场板作用于传感模块的工作电极，并控制挡电场板开合频率为0.20-0.25Hz，完全关闭挡板周期为0.50-0.67ms，得到电流值IS2，持续4-5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块计算电流平均值
S3、处理模块控制机械模块同时打开挡光场板和挡电场板，让待测光源和待测静电场直接作用于传感模块的工作电极，处理模块控制机械模块的挡电场板为常打开状态，控制挡光场板按照0.2-0.25Hz的频率开合，完全关闭挡板周期为0.50-0.67ms，得到电流值IS3，持续4-5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块计算电流平均值
S4、由S1-S2步骤，得到电场感应电流值：
处理模块将Ie进行无失真放大、滤波、换算输出得到电场强度E，最终数据由处理模块输出至显示模块的显示器；
S5、由S1-S4步骤，得到光场感知电流值：
处理模块将Il进行无失真放大、滤波、换算输出得到光强度，最终数据由处理模块输出至显示模块的显示器。
本发明的功能装置的原理为：
当机械模块的挡电场板和挡光场板处于关闭状态，即在没有空间静电场和光场的情况下，如图1a所示，传感模块中的WO3/BiVO4/MXene(WBM)工作电极区域不会激发任何载流子，并且阴离子SO4 2-或阳离子Na+随机分布在WBM工作电极周围的Na2SO4电解液中。
当处理模块控制机械模块的挡电场板和挡光场板有序开合，即当空间静电场和/或光作用于工作电极时，空间静电场的感应电子(E-)和感应空穴(E+)在MXene和BiVO4区域形成，如图1b中的黑色实线圆所示，然后激发的E+沿着空间静电场方向往电极的左表面迁移，激发的E-向邻接的WO3层迁移。同时，光激发的电子(L-)和空穴(L+)在WO3和BiVO4区域产生。在BiVO4区域中，L+(或L-)向邻接的MXene(或WO3)层迁移。在WO3区域中，L+(或L-)向BiVO4(或FTO)层迁移，如图1b中黑色虚线圆圈所示。这里，双箭头表示WO3和BiVO4之间的电荷转移，单箭头表示MXene和BiVO4之间的电荷转移，中空单向箭头表示电解质中阳离子和阴离子的迁移。此外，在空间静电场中，电解质中的阳离子和阴离子也被激发，然后分别向对电极和工作电极迁移。空间静电场强度的增加相当于提高硬线偏置电压和加速L-和L+的迁移。
当机械模块的挡电场板与挡光场板完全闭合，如图1c所示，电解液和受激载流子(空穴或电子)和电解质中的阴、阳离子将扩散到其浓度相对较低的区域，当空间静电场和光不再作用于工作电极时，受激载流子(L+、L-、E+、E-)和电解质中阴、阳离子和扩散到载流子浓度相对较低的区域。可以观察到，光场影响包括WO3和BiVO4的半导体区域中的载流子，而空间静电场影响包括MXene和BiVO4的区域中的载流子。当空间静电场不再作用于工作电极时，MXene和BiVO4中的载流子因发生复合，其内建电场逐渐消失，感应偏压持续衰减直至为零。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的功能装置具有适用环境广、探测灵敏度高、小巧轻便，便于移动等特点。功能装置中的WBM工作电极对电场响应的范围为700-1100Vm-1，其灵敏度为1.12×10- 4mA mV-1。WBM工作电极在光场响应中，其相应的可见光响应波长范围为300-800nm，其中对可见光波长范围为400-500nm响应更为灵敏，在0.8V的偏置电压下，WBM工作电极的平均光电流密度为1.15mA cm-2。
2)本发明的功能装置实现了多功能化，同时具有电场感应和光场感知传感功能。
附图说明
图1为本发明功能装置的工作原理示意图；a为没有空间静电场及光场时的WBM工作电极及电解质内部阴阳离子分布图；b为空间静电场与光场作用于工作电极时，WBM工作电极内部载流子迁移及电解质中阴阳离子运动分布图；c为机械模块的挡电场板和挡光场板处于关闭状态，即同时屏蔽空间静电场与光场时，WBM工作电极内部载流子及电解液内阴阳离子迁移分布图，d为WBM工作电极能带图；
图2为本发明WBM工作电极的制备流程示意图；
图3为本发明功能装置的结构示意图；
图4为本发明功能装置中机械模块的主视图；
图5为本发明功能装置中显示模块的主视图；
图6为本发明功能装置的连接示意图；
图7为本发明实施例1中的WBM工作电极在不同的外部电场强度下的响应图；
图8为本发明在0.8V的外部偏置电压，0.2Hz频率的光通过/屏蔽对WO3、BiVO4、WB、WBM工作电极四种电极测量电化学光电流-时间(I-T)图；
图9为本发明功能装置的测试应用流程图；
图10为本发明的测试应用中步骤S1、S2和S3的工作波形图；
图11为本发明不同场的I-T图，其中a为测试流程图的S1和S2的I-T图，b)为测试流程图的S3的I-T图；
图12为本发明WBM工作电极的阻抗图；
图中：1、机械模块，11、挡电场板，12、挡光场板，13、透孔，2、传感模块，21、对电极，22、参比电极，23、WO3/BiVO4/MXene工作电极，3、处理模块，4、显示模块，41、灯光按钮，42、电源按钮，43、测试按钮，5、电源管理模块。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
如图2所示，一种WO3/BiVO4/MXene工作电极的制备方法，包括以下步骤：
1)制作WO3电极：将1.21mmol Na2WO4·2H2O和1.06mmol(NH4)2C2O4·H2O溶解在33mL去离子水中，搅拌中加入9mL HCl，继续加入8mL H2O2溶液，搅拌持续10min，加入30mL无水C2H6O，搅拌持续10min，通过水浴加热法(80℃，200min，FTO竖直放置于40mL WO3溶液中)在FTO(1cm×3cm)上合成WO3薄膜，然后在500℃退火处理2h；
2)制作WO3/BiVO4(WB)极：将0.25mmol Bi(NO4)2·5H2O和0.30mmol C10H14O5V溶于5mL由CH3COOH和C5H8O2按体积比为20:1组成的混合溶液中，在室温下搅拌至没有沉淀物，将20μL BiVO4前驱体溶液涂覆在WO3表面上，在室温下干燥，然后在空气中于150℃下热处理15min，最后在550℃下进行2h退火；
3)制作WO3/BiVO4/MXene(WBM)电极：将0.5g LiF、10mL HCl溶液、0.5gTi3AlC2在30℃下搅拌23h，再用去离子水反复洗涤并以3500r min-1离心，超声粉碎40min，最后以3500rmin-1离心25min，得到浓度为1mg mL-1MXene前驱体溶液，采用速率2000r s-1、时间为30s的旋涂法，在WO3/BiVO4基底上沉积1mg mL-1MXene溶液，最终形成WO3/BiVO4/MXene(WBM)工作电极。
结合图1所示，分析WBM工作电极的化学键合状态和接枝程度，Ti-O共价键的存在(MXene的Ti元素与BiVO4的O元素形成共价键)，表明MXene纳米片已经成功地键合到复合电极表面，同时也证明了BiVO4和MXene之间形成了肖特基结。
分析WBM工作电极的能带图，了解其工作原理：如图1中d所示，MXene的费米能级为1.64eV(vs.SCE)，WO3的导带(CB)和价带(VB)分别为0.95和3.71eV(vs.SCE)，带隙为2.76eV。而BiVO4的CB和VB分别为0.58和2.98eV(vs.SCE)，带隙为2.40eV。L+或L-在WO3和BiVO4层中产生。由于MXene的费米能级与BiVO4的CB之间的间隙非常小，有效地降低了电子转移的势垒，L-很容易迁移到BiVO4的表面。在MXene和BiVO4层中感应的E+从MXene到WO3一侧的方向转移。BiVO4和WO3中的L-和L+会受到电场的影响，L-和L+会向电场相反的方向移动。电场能促进L-从BiVO4迁移向WO3区域，而L+的迁移方向相反。此外，MXene具有优异的金属导电性，其费米能级与BiVO4的CB或VB之间存在间隙。为了平衡电位差，将BiVO4的CB或VB带弯曲，在MXene/BiVO4界面形成肖特基势垒，抑制L-从BiVO4流向MXene，进一步促进L-从BiVO4的CB流向WO3的CB。当金属与半导体接触时，L-从BiVO4流入MXene，在BiVO4的表面层上形成由带正电荷且不可移动的杂质离子组成的空间电荷区。在这个区域，从BiVO4到MXene层形成了内建电场，阻止BiVO4中的电子流入MXene，促进电子从BiVO4迁移到WO3。WO3的VB(或CB)正对BiVO4的VB(或CB)，然后L-从BiVO4层的CB转移到WO3的CB。同时，将WO3层VB中的L+注入到BiVO4层VB中。
实施例1制得的WBM工作电极的结构为：FTO上附着厚度为100nm的WO3薄膜，其中单个WO3晶体的面积为1.0μm×0.4μm，厚度为0.2μm，WO3薄膜表面上形成厚度为0.1μm的BiVO4薄膜，最终在BiVO4薄膜上沉积形成一层厚度为20nm的MXene透明方块薄膜。其中WBM工作电极MXene的Ti元素与BiVO4的O元素形成Ti-O共价键产生的界面增加了导电性，增强了光吸收，使得WBM工作电极在光场响应中，其相应的可见光响应波长范围为300-800nm，其中对可见光波长范围为400-500nm响应更为灵敏，在0.8V的偏置电压下，WBM工作电极的平均光电流密度为1.15mA cm-2。
实施例2
如图2所示，一种WO3/BiVO4/MXene工作电极的制备方法，包括以下步骤：
1)制作WO3电极：将1.25mmol Na2WO4·2H2O和1.16mmol(NH4)2C2O4·H2O溶解在36mL去离子水中，搅拌中加入12mL HCl，继续加入10mL H2O2溶液，搅拌持续15min，加入35mL无水C2H6O，搅拌持续15min，通过水浴加热法(85℃,250min，FTO竖直放置于50mL WO3溶液中)在FTO(1cm×3cm)上合成WO3薄膜，然后在550℃退火处理3h；
2)制作WO3/BiVO4极：将0.30mmol Bi(NO4)2·5H2O和0.35mmol C10H14O5V溶于10mL由CH3COOH和C5H8O2按体积比为20:1组成的混合溶液中，在室温下搅拌至没有沉淀物，将30μL BiVO4前驱体溶液涂覆在WO3表面上，在室温下干燥，然后在空气中于150℃下热处理20min，最后在600℃下进行2.5h退火；
3)制作WO3/BiVO4/MXene电极：将1.5g LiF、30mL HCl溶液、1.5g Ti3AlC2在40℃下搅拌24h，再用去离子水反复洗涤并以3500r min-1离心，超声粉碎50min，最后以3500r min-1离心35min，得到浓度为3mg mL-1MXene前驱体溶液，采用速率2500r s-1、时间为35s的旋涂法，在WO3/BiVO4基底上沉积3mg mL-1MXene溶液，最终形成WO3/BiVO4/MXene工作电极。
实施例2制得的WBM工作电极的结构为：FTO上附着厚度为100nm的WO3薄膜，其中单个WO3晶体的面积为1.0μm×0.4μm，厚度为0.25μm，WO3表面上形成厚度为0.15μm的BiVO4薄膜，最终在BiVO4薄膜上沉积形成一层厚度为25nm的MXene透明方块薄膜，使得WBM工作电极对电场响应的范围为700-1100Vm-1，其灵敏度为1.12×10-4mA m V-1。
实施例3
如图3-图5所示，一种兼具电场感应和光场感知的功能装置，包括机械模块1、处理模块3、显示模块4、电源管理模块5及所述的传感模块2；
所述电源管理模块5分别与机械模块1、处理模块3和显示模块4连接，并向机械模块1、处理模块3和显示模块4供电，所述处理模块3分别与机械模块1、传感模块2和显示模块4连接。其中，处理模块3用于检测、记录、处理传感模块2输出的数据，控制机械模块1的挡电场板11和挡光场板12有序开合；电源管理模块5用于向处理模块3、机械模块1、显示模块4供电；显示模块4用于显示处理模块3输出的数据，显示模块4中设有灯光按钮41、电源按钮42、测试按钮43；传感模块2用于将电场与光场的影响转换成电信号，该模块包括工作电极、参比电极22(如甘汞电极)、对电极23(如铂电极)；机械模块1用于有序控制待测静电场和光场透过或者屏蔽。
其中，挡光场板12为一种黑色塑料板，能够阻挡光的穿透，通过控制挡光场板12的开合，从而控制光场是否作用于传感模块2的工作电极；挡电场板11为金属挡板，可屏蔽静电场对传感模块2的工作电极的影响，控制挡电场板11从而控制静电场是否作用于工作电极。
具体的，所述传感模块2中的对电极21(铂电极)、参比电极22(甘汞电极)和WO3/BiVO4/MXene工作电极23分别连接处理模块3的对电极端口、参比电极端口、工作电极端口；所述电源管理模块5分别连接处理模块3、机械模块1、显示模块4的不同供压电源端口；显示模块4连接处理模块3的数据传输端口；机械模块1连接处理模块3的控制端口。
实施例4
如图6所示，该功能装置的连接关系为：电源管理模块5为3.7V直流供压电路，为机械模块1、处理模块3、显示模块4提供稳定的电压源；
机械模块1由处理模块3控制其有序开合挡电场板或挡光场板，其作用在于，有序控制待测场作用于工作电极以达到测试程序要求；
处理模块3由三部分组成：芯片电路、I/V和运算放大电路、滤波电路；STM32为核心芯片，传感模块2将采集的微弱电流信号输出至I/V转换电路变成相应的电压信号，再通过程控放大电路将电压信号规范化，然后通过降噪滤波电路消除无用背景噪声获取有用信号，有用信号再经过STM32的A/D转换模块采集得到相应的数字信号，再使用STM32处理器对信号进行处理后输出至显示模块4的显示器。
实施例5
将实施例1制备的WBM工作电极组装为传感模块1，结合电源管理模块5、处理模块3、显示模块4、机械模块1构成功能装置，用于检测空间静电场。
将功能装置放置于黑暗的箱体中，箱体内有静电场发生器，用于产生不同电场强度的静电场，功能装置的透孔13正对静电场发生器。功能装置的处理模块3将机械模块1的挡电场板11和挡光场板12设置为常打开状态，待测电场可直接作用于传感模块2的工作电极，功能装置在不同时间段测试了4个样本点(图7中从左至右的黑方块点分别为样本点1、2、3、4)。结合图7所示，功能装置的处理模块3检测到样本点1时传感模块2的电流值Ie1＝0.01mA，样本点1检测的电流值为电场强度为0Vm-1时的背景电流；功能装置的处理模块3检测到样本点2时传感模块2的电流值Ie2＝0.054mA，经过I/V转换、运放、滤波，最后由芯片处理数据传输至显示模块4，得到电场强度为700V m-1；功能装置的处理模块3检测到样本点3时传感模块2的电流值Ie3＝0.123mA，得到电场强度为900V m-1；功能装置的处理模块3检测到样本点4时传感模块2的电流值为Ie4＝0.135mA，得到电场强度为1100V m-1；图中的长直线为拟合直线，拟合度为0.96627。
实施例6
将实施例1制得的WO3、BiVO4、WB、WBM电极分别记为样本1、2、3、4。
结合图8所示，将功能装置的透孔13正对待测光场，处理模块3控制机械模块1的挡电场板11处于打开状态，挡光场板12以0.2Hz的频率开合，同时，处理模块3对工作电极施加0.8V的硬线偏压，得到对样本1、2、3、4测量电化学I-T图。功能装置的处理模块3检测到样本1、2、3、4的光电流值，经过I/V转换、运放、滤波，最后由芯片处理数据传输至显示模块4，数据对比发现，样本1的光电流Il1＝0.75mA，样本2的光电流Il2＝1.5mA，样本3的光电流Il3＝2.64mA，样本4的光电流Il4＝3.45mA，分析可知，样本4的工作电极对光的响应优于其他样本，因此WBM电极是最适合作传感模块的工作电极。
实施例7
本发明的功能装置测试流程如图9所示，以实施例1制得的WBM电极作为测试工作电极。其中，测试步骤如下：
S1、处理模块3控制机械模块1合上挡光场板12和挡电场板11，处理模块3检测并记录传感模块2的背景电流IS1＝0.01mA；
S2、处理模块3仅控制机械模块1的挡电场板11打开，挡光场板12处于关闭状态，让待测电场穿透挡光场板12作用于传感模块2的工作电极，并控制挡电场板11开合频率为0.20Hz，完全关闭挡板周期为0.50ms，得到电流值IS2，持续5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块3计算电流平均值
S3、处理模块3控制机械模块1同时打开挡光场板12和挡电场板11，让待测光源和待测电场直接作用于传感模块2的工作电极，处理模块3控制机械模块1的挡电场板11为常打开状态，控制挡光场板12按照0.2Hz的频率开合，完全关闭挡板周期为0.50ms，得到电流值IS3，持续5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块3计算电流平均值
S4、由S1-S2步骤，得到电场感应电流值：
处理模块3将Ie进行无失真放大、滤波、换算输出得到电场强度E＝1000Vm-1，最终数据由处理模块3输出至显示模块4的显示器；
S5、由S1-S4步骤，得到光场感知电流值：
处理模块3将Il进行无失真放大、滤波、换算输出得到光强度I＝100mW cm-2，最终数据由处理模块3输出至显示模块4的显示器。
实施例8
本发明的功能装置测试流程如图9所示，以实施例2制得的WBM电极作为测试工作电极。其中，测试步骤如下：
S1、处理模块3控制机械模块1合上挡光场板12和挡电场板11，处理模块3检测并记录传感模块2的背景电流IS1＝0.011mA；
S2、处理模块3仅控制机械模块1的挡电场板11打开，挡光场板12处于关闭状态，让待测电场穿透挡光场板12作用于传感模块2的工作电极，并控制挡电场板11开合频率为0.20Hz，完全关闭挡板周期为0.50ms，得到电流值IS2，持续5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块3计算电流平均值
S3、处理模块3控制机械模块1同时打开挡光场板12和挡电场板11，让待测光源和待测电场直接作用于传感模块2的工作电极，处理模块3控制机械模块1的挡电场板11为常打开状态，控制挡光场板12按照0.2Hz的频率开合，完全关闭挡板周期为0.50ms，得到电流值IS3，持续5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块3计算电流平均值
S4、由S1-S2步骤，得到电场感应电流值：
处理模块3将Ie进行无失真放大、滤波、换算输出得到电场强度E＝1100Vm-1，最终数据由处理模块3输出至显示模块4的显示器；
S5、由S1-S4步骤，得到光场感知电流值：
处理模块3将Il进行无失真放大、滤波、换算输出得到光强度I＝100mW cm-2，最终数据由处理模块3输出至显示模块4的显示器。
实施例9
实施例7和实施例8中S2与S3步骤的波形如图10所示。
当执行到S1步骤时，STM32芯片输出波形如图10中S1波形所示，其中挡电场板11和挡光场板12同时接收到STM32芯片的低电平指令，两者都处于关闭状态。
当执行到S2步骤时，STM32芯片输出波形如图10中S2波形所示，其中挡光场板12的输入端接收到芯片的低电平指令，处于关闭状态，挡电场板11收到芯片的控制指令，高电平代表挡电场板11打开，低电平代表挡电场板11关闭。
当执行到S3步骤时，STM32芯片输出波形如图10中S3波形所示，其中挡电场板11的输入端收到芯片高电平指令处于常打开状态，挡光场板12接收到芯片的控制指令，高电平代表挡电场板12打开，低电平代表挡电场板12关闭。
实施例10
根据实施例7、8的S1、S2、S3步骤所示，由WBM工作电极组装的传感器件为传感模块。
当机械模块1的挡电场板11和挡光场板12全部闭合时，此时处理模块3所测传感模块2输出的数据为背景噪声，采集结束后挡电场板11打开，按照0.2Hz的频率开合，此时电场强度为1100V m-1的待测电场透过挡光场板12作用于工作电极，处理模块3采集记录传感模块2的数据，图11a为S1、S2步骤的部分数据图，处理模块3在挡电场板11关闭前1s检测传感模块2输出的数据，取多组数据的平均值，最终检测到传感模块2的背景电流IS1＝0.01mA，电场电流值IS2＝0.134mA。Ie＝IS2-IS1，数据进一步处理，经处理模块I/V转换，运算放大、滤波处理后，由芯片将最终换算结果输出至显示模块4的显示器，显示电场强度为1100V m-1；
S2步骤之后，开始执行S3步骤，挡电场板11为常开状态，挡光场板12以0.2Hz的频率开合，电场强度为1100V m-1的待测电场与光强度为100mW cm-2的光场组成的混合场作用于工作电极，处理模块3采集记录传感模块2的数据，图11b为S3步骤的部分数据图，处理模块3在挡光场板12关闭前1s检测传感模块2输出的数据，取多组数据的平均值，最终检测到传感模块2的混合场电流值IS3＝0.424mA，Il＝IS3-Ie。经处理模块I/V转换，运算放大、滤波处理后，由芯片将最终换算结果输出至显示模块4的显示器，显示光场强度为100mW cm-2。以上数据表明，本发明的功能装置检测电场、光场以及混合场稳定性高，可重复性高。
实施例11
本发明的功能装置开机时，需要对工作电极进行自检，处理模块3发送指令给机械模块1，机械模块1的挡电场板11和挡光场板12处于关闭状态，同时对传感模块2施加0.8V的硬线偏压，此时处理模块3对传感模块2的WBM工作电极检测阻抗值。
如图12所示，当处理模块3检测传感模块2的WBM工作电极的阻抗值处在10Ω以下或处在6.1KΩ以上时，处理模块3发送错误报告ERROR至显示模块4的显示器完成自检。WBM工作电极阻抗值处在10Ω–6.1KΩ时，功能装置检测到传感模块2处于非失效状态，继续执行测试程序。
本发明基于实现电场感应和光场感知的需要，建立了一种多功能电化学装置，不仅能够测量电场强度的变化，同时也能检测光强度的变化，在航空、航天、智能机器人传感技术领域以及工业生产中都有广泛应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种传感模块，其特征在于，包括WO3/BiVO4/MXene工作电极、对电极和参比电极；
所述WO3/BiVO4/MXene工作电极包括设在FTO上的100-110nm厚的WO3薄膜，其中单个WO3晶体的面积为(0.5-1.0)μm×(0.1-0.5)μm，厚度为0.2-0.3μm，WO3薄膜上为0.1-0.2μm厚的BiVO4薄膜，BiVO4薄膜上为20-30nm厚的MXene薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种传感模块，其特征在于，所述WO3/BiVO4/MXene工作电极通过以下方法制备：
1)制作WO3电极：将1.21-1.25mmol Na2WO4·2H2O和1.06-1.16mmol(NH4)2C2O4·H2O溶解在33-36mL去离子水中，搅拌中加入9-12mL HCl，继续加入8-10mL H2O2溶液，搅拌持续10-15min，加入30-35mL无水C2H6O，搅拌持续10-15min，通过水浴加热法在FTO上合成WO3薄膜，然后在500-550℃退火处理2-3h；
2)制作WO3/BiVO4极：将0.25-0.30mmol Bi(NO4)2·5H2O和0.30-0.35mmol C10H14O5V溶于5-10mL由CH3COOH和C5H8O2按体积比为20:1组成的混合溶液中，在室温下搅拌至没有沉淀物，将20-30μL BiVO4前驱体溶液涂覆在WO3表面上，在室温下干燥，然后在空气中于150-200℃下热处理15-20min，最后在550-600℃下进行2-2.5h退火；
3)制作WO3/BiVO4/MXene电极：将0.5-1.5g LiF、10-30mL HCl溶液、0.5-1.5g Ti3AlC2在30-40℃下搅拌23-24h，再用去离子水反复洗涤并以3000-3500r min-1离心，超声粉碎40-50min，最后以3000-3500r min-1离心25-35min，得到浓度为1-3mg mL-1MXene前驱体溶液，采用速率2000-2500r s-1、时间为30-35s的旋涂法，在WO3/BiVO4基底上沉积1-3mg mL- 1MXene溶液，最终形成WO3/BiVO4/MXene工作电极。
3.一种兼具电场感应和光场感知的功能装置，其特征在于，包括机械模块、处理模块、显示模块、电源管理模块及权利要求1-2任一项所述的传感模块；
所述电源管理模块分别与机械模块、处理模块和显示模块连接，并向机械模块、处理模块和显示模块供电，所述处理模块分别与机械模块、传感模块和显示模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种兼具电场感应和光场感知的功能装置，其特征在于，所述机械模块包括挡电场板和挡光场板；
所述挡光场板用于控制光场是否作用于传感模块的工作电极；所述挡电场板用于控制静电场是否作用于工作电极。
5.根据权利要求3所述的一种兼具电场感应和光场感知的功能装置，其特征在于，所述传感模块中的对电极、参比电极和WO3/BiVO4/MXene工作电极分别连接处理模块的对电极端口、参比电极端口、工作电极端口；所述电源管理模块分别连接处理模块、机械模块、显示模块的不同供压电源端口；显示模块连接处理模块的数据传输端口；机械模块连接处理模块的控制端口。
6.一种权利要求3-5任一项所述功能装置的应用，其特征在于，通过处理模块控制机械模块中的挡电场板和挡光场板有序开合，传感模块采集的数据输出至处理模块，最后由显示模块反馈传感模块输出的数据。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、处理模块控制机械模块合上挡光场板和挡电场板，处理模块检测并记录传感模块的背景电流IS1；
S2、处理模块仅控制机械模块的挡电场板打开，让待测静电场穿透挡光场板作用于传感模块的工作电极，并控制挡电场板开合频率为0.20-0.25Hz，完全关闭挡板周期为0.50-0.67ms，得到电流值IS2，持续4-5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块计算电流平均值
S3、处理模块控制机械模块同时打开挡光场板和挡电场板，让待测光源和待测静电场直接作用于传感模块的工作电极，处理模块控制机械模块的挡电场板为常打开状态，控制挡光场板按照0.2-0.25Hz的频率开合，完全关闭挡板周期为0.50-0.67ms，得到电流值IS3，持续4-5个测试周期，得到一组电流值，由处理模块计算电流平均值
S4、由S1-S2步骤，得到电场感应电流值：
处理模块将Ie进行无失真放大、滤波、换算输出得到电场强度E，最终数据由处理模块输出至显示模块的显示器；
S5、由S1-S4步骤，得到光场感知电流值：
处理模块将Il进行无失真放大、滤波、换算输出得到光强度，最终数据由处理模块输出至显示模块的显示器。
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| CN202111545378.6A CN114236249A (zh) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 一种兼具电场感应和光场感知的功能装置及应用 |
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