一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动二氧化碳气敏传感器及应用制造技术

本发明专利技术提供一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器及应用，包括：摩擦纳米发电机和气体放电元件。当CO2加入到N2中时，放电过程中产生的二氧化碳负离子会阻碍等离子体的形成，这会增加气体放电的阈值电压并改变放电特性。基于这些现象，提出了两种CO2气体检测模式。第一种模式是阈值浓度检测模式，其中随着CO2浓度达到阈值，气体放电将消失。通过调节两个放电电极之间的距离，可检测的阈值浓度可以从1000到200,000 ppm调节。第二种检测模式是连续检测模式，利用放电频率和放电电流随CO2浓度的连续变化来检测气体浓度，可以检测比阈值浓度检测模式更低的CO2气体浓度。

A Self-driving Carbon Dioxide Gas Sensor Based on Friction Nanogenerator Induced Gas Discharge and Its Application

The invention provides a self-driving CO2 gas sensor based on gas discharge induced by a friction nano-generator and its application, including a friction nano-generator and a gas discharge element. When CO2 is added to N2, the negative ions of carbon dioxide produced during discharge will hinder the formation of plasma, which will increase the threshold voltage of gas discharge and change the discharge characteristics. Based on these phenomena, two CO2 gas detection modes are proposed. The first mode is the threshold concentration detection mode, in which the gas discharge will disappear as the CO2 concentration reaches the threshold. By adjusting the distance between the two discharge electrodes, the detectable threshold concentration can be adjusted from 1000 to 200,000 ppm. The second detection mode is the continuous detection mode, which detects the concentration of CO2 by the continuous change of discharge frequency and discharge current with the concentration of CO2. It can detect the concentration of CO2 which is lower than the threshold concentration detection mode.

【技术实现步骤摘要】
一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动二氧化碳气敏传感器及应用
本专利技术属于微型传感器
，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器及应用。
技术介绍
目前检测CO2常用的方法有氧化物半导体式、光学式及电化学式等。这些方法普遍存在材料制备复杂、需外加电源及工作温度高等问题，限制了其应用。自2012年以来，基于摩擦起电和静电感应效应的耦合所提出的摩擦纳米发电机是将各种机械能（如人的行走、风能、水波能等）转化为电能的高效手段和方法。同时，摩擦纳米发电机（TENG）也被用来制备各种各样的自驱动传感器。TENG具有高电压、低电流和高阻抗的特性，在一定程度上限制了其发展。例如，TENG的高电压容易引起气体放电，限制了表面摩擦电荷密度的提高。但是，合理的利用TENG的高电压，可以拓展TENG的应用范围。常温常压下，每种气体都有其独特的放电特性，如击穿电压等。因此，可以基于TENG开发新型的自驱动气敏传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器及应用。一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，所述自驱动CO2气敏传感器包括摩擦纳米发电机、气体放电元件，气体放电元件放置于密封良好的反应瓶内，反应瓶内完全被气体填充，摩擦纳米发电机包括：第一基板：所述第一基板上表面固定设有第一摩擦层，所述第一摩擦层随着第一基板的旋转而旋转；第二基板：所述第二基板下表面设有静止的第一电极层和第二电极层，第一、二电极层合称为第二摩擦层，所述第一摩擦层与第二摩擦层存在摩擦电序列的差别，并且所述第一摩擦层、第一电极层和第二电极层三者的形状相同。气体放电元件包括：放电探针和与之垂直的导电板，所述放电探针通过导线和第一电极层或第二电极层相连，所述导电板通过导线与第二电极层或第一电极层相连。优化的，所述自驱动CO2气敏传感器还包括整流桥（整流桥不是必须使用，不使用的话依然可以进行二氧化碳气敏检测），所述放电探针和导电板分别通过两根导线与整流桥的负极和正极连接，整流桥的交流端分别通过导线和第一电极层和第二电极层相连。优化的，所述第一基板和第二基本均为绝缘材料，所述第一摩擦层为绝缘材料，所述第一电极、第二电极、放电探针和导电板采用导体或半导体材料。优化的，所述放电探针的针尖和导电板之间的距离为1μm到10mm。优化的，所述第一摩擦层和第一、第二电极层的厚度范围为100nm-5mm。所述第一摩擦层表面为绝缘材料，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯和派瑞林。所述第一、第二电极，所述放电探针和导电板采用导体或半导体材料；所述导体材料选自金、银、铂、铝、钨、镍、铜或硒等金属，以及由上述金属形成的合金。所述半导体材料选自碳纳米管、ZnO纳米线、石墨烯薄膜、ZnO薄膜等材料。优化的，第一基板和第二基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，第一摩擦层为厚度10μm的PTFE薄膜，第一摩擦层由两个90°扇形或两个直角等边三角形组成，所述两个90°扇形或两个直角等边三角形呈中心对称设置，放电探针为曲率半径5μm的钨针，导电板为不锈钢板。上述基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器的检测方法，包括如下步骤：（1）常温常压下，用纯度为99.99%以上的N2将反应瓶中的空气完全排除，分别充入CO2、O2、空气、N2并密封反应瓶，使反应瓶内气体压力等于大气压，通过电动马达带动第一基板旋转，第一摩擦层相对于所述第一、二电极层做周期性转动，两个电极层之间产生电势差，即放电探针和导电板之间产生电势差，当放电探针的尖端和导电板之间的电势差达到气体放电的阈值电压时，产生的等离子体可以桥接两个放电电极，进而摩擦纳米发电机产生电输出，每一种气体分别进行交流、正电压和负电压气体放电测试；（2）通过三维移动平台精确调控钨针和不锈钢板之间的距离d，得到每种气体在交流、正电压和负电压下气体放电的最大电极距离dmax。上述基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器在检测气体中CO2浓度的应用，可用于1000到200,000ppm范围内的CO2浓度检测。进一步地，所述气体为空气或N2。与现有技术相比，本专利技术具有下列有益效果：1、本专利技术的CO2传感器利用摩擦纳米发电机诱导的气体放电对CO2的高敏感性，发展了自驱动CO2气敏传感器，扩展了摩擦纳米发电机的应用。2、本专利技术的CO2传感器在阈值浓度检测模式和连续检测模式协同作用下，利用放电频率和放电电流随CO2浓度的变化，或者通过调控两个放电电极的距离，均可以实现1000到200,000ppm的范围内的CO2浓度检测。3、若CO2的浓度足够高，将会使得气体放电无法发生。通过对摩擦纳米发电机气体放电的放电特性分析，可以直接判断CO2气体的浓度。4、不同气体的最大电极距离不同，故可以通过最大电极距离简单判断被检测气体的种类。5、在将CO2加入N2中时，会在放电过程中产生CO2-，阻碍等离子体的形成，增大气体放电的阈值电压，使最大电极距离降低，CO2的浓度越大，阈值电压的越大。该传感器以此为机制进行检测，故不存在吸附/脱附过程，响应迅速。6、本专利技术所述的CO2气敏传感器适用于所有模式的摩擦纳米发电机，例如：接触分离式、水平滑动式、单电极式、独立摩擦层式等。该CO2气敏传感器具有在室温下工作，检测灵敏度高，无需外部电源的优点。7、本专利技术所述的CO2传感器结构简单，在常温常压下工作，检测灵敏度高，无需外部电源供电的优点，有利于产业化的推广，在发展面向物联网的自驱动气敏传感网络中具有潜在的应用价值。附图说明图1TENG-GDCO2气敏传感器的示意图:（a）独立层转盘式TENG-GD二氧化碳气敏传感器的结构示意图；（b）负电压放电时的电路图；（c）RIE蚀刻的PTFE薄膜表面的AFM图；（d）RIE刻蚀的PTFE薄膜表面的SEM图；图2（a~c）分别为摩擦纳米发电机的交流、正电压和负输出电压随时间的变化曲线；图3为CO2负电压气体放电电流随距离的变化曲线；图4为不同放电方式下，N2，空气，O2和CO2的最大电极距离图；图5（a）为TENG-GD在N2中的放电原理示意图；图5（b）为通入一定量CO2后，TENG-GD在N2中的放电原理示意图；图6为传感器在电极距离为0.15mm时，放电电流随CO2气体浓度的变化曲线；图7为传感器在不同电极距离下CO2的阈值浓度；图8（a）和图8（b）为放电频率随CO2浓度的变化曲线及放电电流大小和频率响应的灵敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，其特征在于，所述自驱动CO2气敏传感器包括摩擦纳米发电机、气体放电元件，气体放电元件放置于密封良好的反应瓶内，反应瓶内完全被气体填充，摩擦纳米发电机包括：第一基板：所述第一基板上表面固定设有第一摩擦层，所述第一摩擦层随着第一基板的旋转而旋转；第二基板：所述第二基板下表面设有静止的第一电极层和第二电极层，第一、二电极层合称为第二摩擦层，所述第一摩擦层与第二摩擦层存在摩擦电序列的差别，并且所述第一摩擦层、第一电极层和第二电极层三者的形状相同；气体放电元件包括：放电探针和与之垂直的导电板，所述放电探针通过导线和第一电极层或第二电极层相连，所述导电板通过导线与第二电极层或第一电极层相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，其特征在于，所述自驱动CO2气敏传感器包括摩擦纳米发电机、气体放电元件，气体放电元件放置于密封良好的反应瓶内，反应瓶内完全被气体填充，摩擦纳米发电机包括：第一基板：所述第一基板上表面固定设有第一摩擦层，所述第一摩擦层随着第一基板的旋转而旋转；第二基板：所述第二基板下表面设有静止的第一电极层和第二电极层，第一、二电极层合称为第二摩擦层，所述第一摩擦层与第二摩擦层存在摩擦电序列的差别，并且所述第一摩擦层、第一电极层和第二电极层三者的形状相同；气体放电元件包括：放电探针和与之垂直的导电板，所述放电探针通过导线和第一电极层或第二电极层相连，所述导电板通过导线与第二电极层或第一电极层相连。2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，其特征在于，所述自驱动CO2气敏传感器还包括整流桥，所述放电探针和导电板分别通过两根导线与整流桥的负极和正极连接，整流桥的交流端分别通过导线和第一电极层和第二电极层相连。3.根据权利要求1或2所述的基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，其特征在于，所述第一基板和第二基板均为绝缘材料，所述第一摩擦层为绝缘材料，所述第一电极、第二电极、放电探针和导电板采用导体或半导体材料。4.根据权利要求1或2所述的基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，其特征在于，所述放电探针的针尖和导电板之间的距离为1μm到10mm。5.根据权利要求1或2所述的基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动CO2气敏传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：程纲，赵珂，顾广钦，张宝，杜祖亮，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41