[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明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，本发明的技术方案如下：

一方面，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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。