一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器及其制备方法技术

一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。包括气敏元件、摩擦纳米发电装置、检测电路、整流装置和紫外光源，摩擦纳米发电装置输出的交变信号经整流装置转换为单向输出信号后与正对气敏元件设置的紫外光源以及气敏元件相连，通过在气敏材料表面及内部形成定向电场，促进光生载流子的拆分并抑制其复合，提高光增强的量子效率，增强紫外光辐射下的气敏效应。本发明专利技术提供传感器不仅结构新颖，而且其制备过程简单、加工成本低、实用性高，对气体传感器的发展具有极大的推动作用，尤其对于气体传感器网络节点的构建具有重大意义。

An External Force Triggered Response Enhanced Self-powered Gas Sensor and Its Preparation Method

The invention relates to an external force triggered self-powered gas sensor with enhanced response and a preparation method thereof, belonging to the technical field of sensors. It includes gas sensor, friction nano-power generation device, detection circuit, rectifier and ultraviolet light source. The alternating signal output by friction nano-power generation device is converted to one-way output signal by rectifier and connected with the ultraviolet light source and gas sensor set up by the gas sensor. By forming a directional electric field on the surface and inside of the gas sensor material, the photogenerated carriers can be separated and suppressed. Its recombination can improve the quantum efficiency of light enhancement and enhance the gas sensitivity under ultraviolet radiation. The sensor provided by the invention not only has novel structure, but also has simple preparation process, low processing cost and high practicability, which greatly promotes the development of gas sensors, especially for the construction of gas sensor network nodes.

【技术实现步骤摘要】
一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器
，具体涉及一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器及其制备方法。
技术介绍
气体分析是科学研究、生产过程和环境检测的一个重要环节。目前，大多数传感器都以外部电源或电池供给能量，需要维护人员定期地维护或更换电池以保证设备与系统的持续运行，而对于布设在危险地带和极端环境中的传感器网络节点而言，这不仅增加了运行成本而且威胁了维护人员的生命安全。另一方面，基于传统无机陶瓷和金属氧化物的气体传感器需要在高温下工作，需要配置加热器和额外供能，这就导致整个气体传感器网络节点功耗非常大，仅仅依靠电池供电无法长期满足气体传感器网络工作的需求，同时高温加热的要求也阻碍了在易燃易爆气体检测方面的应用。因此，通过自供能技术将环境中的能量转化为电能，是解决无线传感节点供电的一种理想方案。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的需求，提供一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，通过采集环境机械能基于摩擦起电效应转换为电能，并以此驱动气敏元件和紫外光源工作，本专利技术无需额外的供电系统，仅仅依靠外力就能同时驱动室温条件下自发检测气体浓度和光增强机制，最终达到提高气敏响应率和灵敏度。此外，本专利技术还提供了该传感器的制备方法，制备工艺简单，加工成本低，可大批量生产。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，包括设置在测试腔内的气敏元件、为气敏元件供能的摩擦纳米发电装置以及用于输出气敏元件电学参数变化的检测电路，所述测试腔上设置有进气口和出气口供检测气体通入和排出，其特征在于：所述气体传感器还包括整流装置和紫外光源，所述紫外光源正对气敏元件设置，所述整流装置的输入端与纳米摩擦发电机的输出端相连使得交变信号转换成单向输出信号，所述整流装置的输出端分别与气敏元件和紫外光源相连，使得紫外光源点亮并且经整流装置输出的单向输出信号在气敏元件上形成定向电场以增强紫外光辐射下的气敏效应。进一步的，本专利技术中摩擦纳米发电装置包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，第一摩擦部件和第二摩擦部件相互隔离，第一摩擦部件和第二摩擦部件均具有相对的第一表面和第二表面，第一摩擦部件和第二摩擦部件的第一表面具有不同摩擦电极序的摩擦层且面对面设置，第一摩擦部件和第二摩擦部件的第二表面分别具有第一导电电极和第二导电电极作为摩擦纳米发电装置的输出端。作为优选方式，导电电极的厚度为30～70微米。进一步的，本专利技术中第一摩擦部件和第二摩擦部件通过绝缘支撑架相互隔离且相对设置。进一步的，本专利技术中第一摩擦部件和第二摩擦部件上摩擦层材料的摩擦电极序不同，作为优选方式，摩擦层的材料为柔性材料，其中：摩擦层的摩擦电极序较正的一方(即得电子能力较弱的材料)包括但不限于：尼龙(Nylon)、聚酯(PET)、聚氨酯或氟化镁；摩擦层的摩擦电极序较负的一方(即得电子能力较强的材料)包括但不限于铁氟龙(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、聚氟乙烯(PDMS)或聚氟乙烯(PVC)。更进一步的，摩擦层材料的厚度为10微米～50微米。进一步的，本专利技术中气敏元件采用电阻式叉指电极结构，气敏元件具体采用沉积有气敏薄膜的叉指电极。更进一步的，本专利技术中叉指电极的材料为金属金(Au)或者金属铝(Al)，根据本专利技术实施例，叉指电极的尺寸参数为；叉指电极的宽度、间距、长度和厚度分别为25微米～50微米、25微米～50微米、800微米～4500微米以及100纳米～200纳米。更进一步的，本专利技术中气敏薄膜的材料对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机半导体氧化物中任意一种或者多种形成的复合材料，所述有机聚合物包括：聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺和聚酰亚胺中任意一种或多种形成的复合材料；所述金属氧化物包括：SnO2、γ-Fe2O3、α-Fe2O3和ZnO2中任意一种或多种形成的复合材料，所述无机半导体氧化物包括氧化石墨烯(GO)。另一方面，本专利技术提供一种响应增强型气体传感器，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：制备接触-分离结构的摩擦纳米发电装置；步骤B：制备气敏元件，并在气敏元件的正上方设置紫外光源；步骤C：将摩擦纳米发电装置的输出端与整流装置相连使得经摩擦纳米发电装置输出的交变信号转换为单向输出信号，再将整流装置分别与紫外光源和气敏元件相连。进一步的，本专利技术中制备接触-分离结构的摩擦纳米发电装置的具体操作如下：A1：分别在两个柔性衬底的一个表面贴附摩擦电极序不同的摩擦层作为接触起电层；A2：接着在柔性衬底贴附有摩擦层的相对表面沉积金属薄膜作为导电电极；A3：采用绝缘支撑架将经步骤A2制得的两个柔性衬底相互隔离且使其摩擦层面对面设置，使得所述摩擦层在外力作用下形成接触-分离循环而产生感应电荷。进一步的，本专利技术中制备气敏元件的具体操作如下：B1：采用光刻、溅射和剥离工艺在基板上制作叉指电极；B2：采用薄膜制备技术将气敏材料沉积所述叉指电极表面即制得气敏元件。进一步的，本专利技术中步骤A2沉积得到导电电极的厚度为30～70微米。进一步的，本专利技术中步骤A1所用摩擦层中摩擦电极序较正的一方(即得电子能力较弱的材料)包括但不限于：尼龙(Nylon)、聚酯(PET)、聚氨酯或氟化镁；摩擦层的摩擦电极序较负的一方(即得电子能力较强的材料)包括但不限于铁氟龙(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、聚氟乙烯(PDMS)或聚氟乙烯(PVC)。更进一步的，摩擦层材料的厚度为10微米～50微米。摩擦电极序较正的一方(即得电子能力较弱的材料)包括但不限于：尼龙(Nylon)、聚氨酯或氟化镁；所用摩擦层中摩擦电极序较负的一方(即得电子能力较强的材料)包括但不限于铁氟龙(PTFE)或聚氟乙烯(PDMS)或聚氟乙烯(PVC)。更进一步的，摩擦层材料的厚度为10微米～50微米。进一步的，本专利技术中叉指电极的材料为金属金(Au)或者金属铝(Al)，根据本专利技术实施例，叉指电极的尺寸参数为；叉指电极的宽度、间距、长度和厚度分别为25微米～50微米、25微米～50微米、800微米～4500微米以及100纳米～200纳米。进一步的，本专利技术中气敏薄膜的材料为对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机半导体氧化物中任意一种或者多种形成的复合材料，所述有机聚合物包括：聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺和聚酰亚胺中任意一种或多种形成的复合材料；所述金属氧化物包括：SnO2、γ-Fe2O3、α-Fe2O3和ZnO2中任意一种或多种形成的复合材料，所述无机半导体氧化物包括GO。如下为本专利技术的原理及有益效果：本专利技术提供的气体传感器采集外界机械能并基于摩擦起电原理为自发检测气体浓度提供能源，同时驱动紫外光源以实现自供能光增强式气体检测。因此无需额外的供电系统就能在室温条件下实时地测得环境中的待测气体浓度。相比现有技术，本专利技术器件中摩擦纳米发电装置不仅单纯作为信号源实现气敏检测自供能，而且其产生的交变电流经整流装置输出的单向输出信号还能够形成定向电场作用在气敏材料上，同时由于气敏元件上具有紫外光源，而气敏材料的禁带宽度低于紫外光子能量，使得紫外光辐射能够被气敏材料有效吸收以基于一系列物理化学过程增强气敏效应，而定向电场的存在能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，包括设置在测试腔内的气敏元件、为气敏元件供能的摩擦纳米发电装置以及用于输出气敏元件电学参数变化的检测电路，所述测试腔上设置有进气口和出气口供检测气体通入和排出，其特征在于：所述气体传感器还包括整流装置和紫外光源，所述紫外光源正对气敏元件设置，所述整流装置的输入端与纳米摩擦发电机的输出端相连使得交变信号转换成单向输出信号，所述整流装置的输出端分别与气敏元件和紫外光源相连，使得紫外光源点亮并且经整流装置输出的单向输出信号在气敏元件上形成定向电场以增强紫外光辐射下的气敏效应。

【技术特征摘要】
1.一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，包括设置在测试腔内的气敏元件、为气敏元件供能的摩擦纳米发电装置以及用于输出气敏元件电学参数变化的检测电路，所述测试腔上设置有进气口和出气口供检测气体通入和排出，其特征在于：所述气体传感器还包括整流装置和紫外光源，所述紫外光源正对气敏元件设置，所述整流装置的输入端与纳米摩擦发电机的输出端相连使得交变信号转换成单向输出信号，所述整流装置的输出端分别与气敏元件和紫外光源相连，使得紫外光源点亮并且经整流装置输出的单向输出信号在气敏元件上形成定向电场以增强紫外光辐射下的气敏效应。2.根据权利要求1所述的一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，其特征在于，所述气敏元件使用电阻式叉指电极结构，具体为表面沉积气敏薄膜的叉指电极。3.根据权利要求2所述的一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，其特征在于，所述气敏薄膜的材料为对目标气体敏感的有机聚合物、金属氧化物以及无机半导体氧化物中任意一种或者多种形成的复合材料，所述有机聚合物包括：聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺和聚酰亚胺中任意一种或多种形成的复合材料；所述金属氧化物包括：SnO2、γ-Fe2O3、α-Fe2O3和ZnO2中任意一种或多种形成的复合材料，所述无机半导体氧化物包括GO。4.根据权利要求1所述的一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电装置包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，第一摩擦部件和第二摩擦部件相互隔离，第一摩擦部件和第二摩擦部件均具有相对的第一表面和第二表面，第一摩擦部件和第二摩擦部件的第一表面具有不同摩擦电极序的摩擦层且面对面设置，第一摩擦部件和第二摩擦部件的第二表面分别具有第一导电电极和第二导电电极作为摩擦纳米发电装置的输出端。5.根据权利要求4所述的一种外力触发式响应增强型自供能气体传感器，其特征在于，所述第一摩擦部件和第二摩擦部件通过绝缘支撑架相互隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏元捷，谢光忠，杨铂汐，李双定，姚明亮，太慧玲，杜晓松，黎威志，于贺，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51