[发明专利]智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统

说明书

技术领域：

本发明涉及压电电子学、电化学、材料学、射频识别等多学科领域，尤其涉及一种集压电效应的纳米发电机、纳米紫外传感器和智能标签三者的耦合机制的紫外探测系统，即智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统。

背景技术：

随着信息技术的不断发展，物联网在人们的生活中悄然兴起，传感器网络在日常生活和工业生产控制中的应用日益广泛，同时在医学、气体探测分析、空间环境监测、公安侦察以及火灾探测等方面的应用极为广泛的紫外光传感器在物联网中的使用与研究被迫切地需要，这就意味着紫外探测器要向着能够在微小体积内完成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能的集成化和智能化方向发展。而传统的紫外探测系统具有以下缺点：（1）数量受限，由于传统的紫外探测系统的尺寸较大，在特定的场所的探测系统的个数受到限制，不能全方位地了解信息；（2）需要定期维护（更换电池），传统的紫外探测系统通常需要靠外加电池进行供电，而电池的寿命是有限的，需要定期更换电池的探测器在实际的应用中是不可取的；（3）工作状态受环境影响，等等。由此可见，传统的紫外探测系统在物联网中是不实用的，迫切需要一种可穿戴、可移动、自供电、可持续工作、智能化的紫外探测器系统。

兰州大学的李小东小组利用光电化学太阳能电池技术提出了一种自供能紫外光探测器，但是该探测器是基于光伏效应给系统供能，通过外加电流表测量电流信号来对紫外光强进行测量，这种紫外光探测器无法在无光的条件下进行工作，并且外加电流表测量紫外光信息极大地增加了探测器的尺寸和功耗，成本高且极不利于探测器在物联网中的应用。较为适合这种不受外界环境影响场合的探测器系统有佐治亚理工大学王中林教授提出的自供能系统，如自供能pH探测系统和实现一个100mW的商用光电三极管红外探测器与RF发射器耦合能进行5‐10m的无线传输的自供能红外光无线探测系统。王中林教授提出了自供能纳米器件和纳米系统的概念，其核心是基于压电效应，利用纳米发电机将从自然环境中俘获机械能，将机械能转化为电能，并为各种系统（探测器）供能，实现系统的自供能。相对于传统的分立式探测器，自供能的探测器系统摆脱了纳米系统在能源供给上的限制，在实际应用中具有极大的优势。目前，纳米发电机的发电电压已经可以达到很高，2012年王中林小组制作出的垂直排列的超长PZT纳米线阵列纳米发电机输出的最大峰值电压达209V，而最大的峰值电流密度为23.5μA/cm²，可见发电电流相对较低，制约着输出功率，但不妨碍了进一步的应用，这是因为无线传感器具有激活和待机两种工作模式，待机模式下传感器处于能量消耗最低的“休眠”状态，因此，纳米发电机所发电量已满足现有低功耗商用器件的要求。现有的自供能纳米系统都还稍有不足，例如自供能pH探测系统中的pH传感器是单根纳米线组成的，还没有形成阵列式，红外光无线探测系统是还处于利用分立的商用器件组装的阶段，都尚未能实现一体化的自供能系统。

为进一步应用这种基于压电效应的纳米发电机，需针对目前纳米发电机的发电电压高电流低的特点，设计探测系统后端电路，使之既充分利用自供电功率，又能实现无线射频信号收发。同时，纳米发电机需要和探测器以及射频发射电路集成起来，形成一体化的紫外探测系统，以便实现可穿戴、可移动、自供电、可持续工作、智能化探测等功能。

针对上述问题，本发明提出了一种全新的集“传感/供能/无线传输”于一体的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统。

发明内容：

本发明的目的在于针对目前纳米发电机的发电电压高电流低的特点，设计制造出一体化的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统。

按照本发明提出的技术方案，所述的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，其特征是：其为将纳米发电机、纳米超级电容器、纳米紫外传感器和智能标签集成到柔性衬底上，同时实现供能、传感、无线传输三种功能的一体化紫外探测系统；其中：

所述的纳米发电机通过全波桥式整流器与纳米超级电容器连接起来，组成系统的供电单元；

所述的智能标签为系统的无线传输单元，其中包括接口电路，无线传输模块以及标签天线；

所述的纳米紫外传感器为传感单元，与智能标签的接口电路串联后两端分别接在纳米超级电容器的两端，接口电路两端的电压变化信号经过接口电路的信号处理传送到无线传输模块，由标签天线传输出去；

所述的智能标签就是RFID应答器。