本发明属于紫外检测器技术领域，具体涉及一种基于摩擦发电机空气放电的新型紫外光检测器及其检测方法。
背景技术：
基于表面氧吸附脱附机制的紫外检测器，由于具有灵敏度高、回复速度快的优点，受到人们的广泛关注。但是该类检测器普遍存在着响应慢的问题，其响应时间普遍在秒的级别，这就严重限制了其在快速光开关、光检测方面的应用。
为了提高该类紫外检测器的回复速度，目前主要集中在制备不同结构的纳米器件，诸如单根的纳米线器件或复合的纳米材料构筑的纳米紫外检测器等等；然而这类器件要么制备工艺复杂、制备成本高，要么仪器过于精密、操作复杂，均难以实现产业化推广。且不可改变的是，基于表面氧吸附脱附机制的紫外检测器的回复速度过度依赖于其表面的自由电子浓度，因此要更好地提高该类紫外检测器的回复速度，就需要摆脱对表面自由电子浓度的依赖。
技术实现要素：
本发明针对目前的紫外检测器依赖于表面自由电子浓度而导致回复速度慢的问题，提供一种基于摩擦发电机空气放电的新型紫外光检测器及其检测方法，通过摩擦纳米发电机提供高压输出，直接电离空气产生O2-，从根本上摆脱了半导体材料层表面氧吸附对自由电子浓度的依赖。
本发明采用如下技术方案：
一种基于摩擦发电机空气放电的新型紫外光检测器，所述紫外检测器仍然基于半导体材料表面氧吸附脱附机制，其包括电离空气组件和紫外检测组件，所述电离空气组件包括摩擦纳米发电机、整流电路和放电探针，所述摩擦纳米发电机包括两相对运动部，两相对运动部能够在分离状态和接触状态之间往复切换，从而形成交流脉冲信号，且摩擦纳米发电机的输出端与整流电路的输入端电性连接以传输该交流脉冲信号，整流电路的负极输出端连接至所述放电探针，整流电路的正极输出端接地；
所述紫外检测组件包括半导体材料层以及分设于半导体材料层两侧且与半导体材料层形成电性接触的第一电极和第二电极，所述放电探针与半导体材料层相对设置，所述第一电极或第二电极接地且第一电极和第二电极之间连接有信号处理系统，且信号处理系统根据得到的信号控制摩擦纳米发电机的动作。此信号处理系统为紫外检测器进行信号处理的常规结构，经信号处理系统处理可判断是否有紫外光照射及紫外光强度情况，非本发明改进所在，不再赘述。
优选地，所述放电探针的针尖与半导体材料层的间距为0.5~1.5mm。
优选地，所述摩擦纳米发电机采用以下结构：垂直接触分离结构（CS）、平行滑动结构（LS）、单电极接触结构（SEC）、滑动式摩擦层自由移动结构（SFT）或接触式摩擦层自由移动结构（CFT）。
本发明所用紫外检测器中，已有的摩擦纳米发电结构均适用，这里列出5种基本的结构，具体结构见图2。
五种基本的结构为垂直接触分离结构（CS）、平行滑动结构（LS）、单电极接触结构（SEC）、滑动式摩擦层自由移动结构（SFT）和接触式摩擦层自由移动结构（CFT）。下面参照图2具体介绍每种结构摩擦纳米发电机的典型结构：
垂直接触分离结构（CS）摩擦纳米发电机的结构参见图2a，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层a2和设置在摩擦层a2上的第一电极层a1，第二部件包括第二电极层a3，在第一部件与第二部件互相垂直接触或分离相对运动时，第二电极层a3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层a2互相接触和分离，摩擦层a2的材料与第二电极层a3的材料不同，第一电极层a1和第二电极层a3连接整流电路，在摩擦层a2与第二电极层a3互相分离使第一电极层a1和第二电极层a3之间产生电势差后，第一电极层a1和第二电极层a3之间产生的交流脉冲电流被整流电路转变为直流脉冲电流，使连接在负极输出端的放电探针电离空气放电。
平行滑动结构（LS）摩擦纳米发电机的结构参见图2b，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层b2和设置在摩擦层b2上的第一电极层b1，第二部件包括第二电极层b3，在第一部件与第二部件互相平行滑动时，第二电极层b3同时充当另一个摩擦层，与摩擦层b2互相滑动摩擦，摩擦层b2的材料与第二电极层b3的材料不同，第一电极层b1和第二电极层b2为摩擦纳米发电机的输出端，连接整流电路，在摩擦层b2与第二电极层b3互相滑动摩擦错位使第一电极层b1和第二电极层b3之间产生电势差时，第一电极层b1和第二电极层b3之间产生的交流脉冲电流被整流电路转变为直流脉冲电流，使连接在负极输出端的放电探针电离空气放电。
单电极接触结构（SEC）摩擦纳米发电机的结构参见图2c，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层c2，第二部件包括第一电极层c1和第二电极层或等电位c3，在摩擦层c2与第二部件的第一电极层c1互相垂直接触分离或者相对滑动运动时，摩擦层c2的材料与第一电极层c1的材料不同，第一电极层c1和第二电极层c3为摩擦纳米发电机的输出端，连接整流电路，在摩擦层c2与第二电极层c3互相滑动摩擦错位使第一电极层c1和第二电极层c3之间产生电势差时，第一电极层c1和第二电极层c3之间产生的交流脉冲电流被整流电路转变为直流脉冲电流，使连接在负极输出端的放电探针电离空气放电。
滑动式摩擦层自由移动结构（SFT）摩擦纳米发电机的结构参见图2d，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层d2，第二部件包括互相分隔的第一电极层d1和第二电极层d3，在第一部件与第二部件互相滑动时，摩擦层d2从第一电极层d1滑动到第二电极层d3，第一电极层d1和第二电极层d3充当另一个摩擦层，摩擦层d2的材料与第一电极层d1和第二电极层d3的材料不同，第一电极层d1和第二电极层d3连接整流电路，在摩擦层d2在第一电极层d1和第二电极层d3之间滑动时，第一电极层d1和第二电极层d3之间产生的交流脉冲电流被整流电路转变为直流脉冲电流，使连接在负极输出端的放电探针电离空气放电。
接触式摩擦层自由移动结构（CFT）摩擦纳米发电机的结构参见图2e，两个相对运动部件中，第一部件包括摩擦层e2，第二部件包括互相分隔的第一电极层e1和第二电极层e3，摩擦层e2设置在第一电极层e1和第二电极层e3之间，摩擦层e2在两个电极层之间运动分别与两个电极层互相接触分离，第一电极层e1或第二电极层e3充当另一个摩擦层，摩擦层e2的材料与第一电极层e1和第二电极层e3的材料不同，第一电极层e1和第二电极层e3连接整流电路，在摩擦层e2在两个电极层之间运动分别与两个电极层互相接触分离，使第一电极层e1和第二电极层e3之间产生电势差时，第一电极层e1和第二电极层e3之间产生的交流脉冲电流被整流电路转变为直流脉冲电流，使连接在负极输出端的放电探针电离空气放电。
滑动式摩擦层自由移动结构（SFT）和接触式摩擦层自由移动结构（CFT）均为摩擦层自由移动结构的摩擦纳米发电机。摩擦纳米发电机的五种工作结构已经被证实，每种结构有不同的结构设计和材料选择，以适应相应的电晕放电阈值电压。
上述的基于摩擦发电机空气放电的新型紫外光检测器的检测方法，在半导体材料层没有受到紫外光照射时，摩擦纳米发电机发生相对运动产生交流脉冲信号并输出至整流电路，整流后输出直流脉冲信号，放电探针电离空气，从而产生O2-，O2-被半导体材料层表面捕获，此时，紫外检测器处于高阻态；
在半导体材料层受到紫外光照射时，半导体材料层内产生光生电子空穴对，空穴迁移至半导体材料层表面与O2-复合，O2脱附，此时，紫外检测器处于低阻态，经信号处理系统处理可判断是否有紫外光照射及紫外光强度情况。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明所述摩擦纳米发电机发生相对运动时，第一摩擦层和第二摩擦层之间产生感应静电荷，整流电路用于将摩擦纳米发电机输出的交流脉冲信号转变为直流脉冲信号并输出，放电探针连接在整流电路的负极输出端，电离空气产生大量O2-，现有技术中的紫外检测器在使用时，O2是通过捕获半导体材料层表面的电子形成O2-，半导体材料层表面的电子随着表面氧吸附被逐渐耗尽，导致紫外检测器回复速度慢；本发明则通过摩擦纳米发电机提供高压输出，直接电离空气产生O2-，从根本上摆脱了半导体材料层表面氧吸附使对自由电子浓度的依赖。而且本发明通过优化放电探针与半导体材料层表面的间距，避免了空气放电产生的瞬间高能密度流对紫外检测器的损坏，并且保证空气放电产生的O2-能够到达半导体材料层的表面；
（2）由于借助于摩擦纳米发电机电离空气，本发明所述紫外检测器在暗态下的电阻态变大，而在检测紫外光时，本发明所述紫外检测器能够达到与现有技术中的检测器的低阻态一致，因此可以有效地增大开关比；
（3）本发明所述紫外检测器在检测紫外光完成后，能够快速回复高阻态，原因在于：紫外光关闭后，摩擦纳米发电机再次发生相对运动，放电探针再次电离空气产生O2-，O2-快速吸附在半导体材料表面，从而使紫外检测器快速回到高阻态，有效地提高了回复速度；
（4）本发明所述紫外检测器结构简单、成本低廉，有利于产业化的推广应用。
附图说明
图1为本发明所述紫外检测器的典型结构示意图；
图2为基于不同结构的摩擦纳米发电机的紫外检测器的结构示意图；
图3为实施例1所述紫外检测器的结构示意图；
图4为实施例1所述紫外检测器的检测方法示意图；
图5为实施例1所述紫外检测器的的性能检测结果。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明。
下面以滑动式摩擦层自由移动结构（SFT）摩擦纳米发电机为例介绍本发明，如图4所示，另外4种结构的摩擦纳米发电机同理。
如图4所示，一种结合滑动式摩擦层自由移动结构（SFT）摩擦纳米发电机的紫外检测器，包括电离空气组件和紫外检测组件，所述电离空气组件包括摩擦纳米发电机、整流电路和放电探针，整流电路选用二极管整流电路4，所述摩擦纳米发电机包括：第一基板1，第一基板1下表面设置了第一摩擦层；第二基板2，第二基板上表面设置了两块分离的第二摩擦层；第三基板3，第三基板用于固定所述第二基板2；二极管整流电路4的输入端分别连接在两块分离的第二基板2的两端，二极管整流电路4的正极输出端接地，负极输出端连接放电探针5；
所述紫外检测组件包括底部的衬底层8、设于衬底层8上的半导体材料层以及分设于半导体材料层两侧且与半导体材料层形成电性接触的第一电极和第二电极，此处半导体材料层选用ZnO纳米线薄膜6，且ZnO纳米线薄膜6表面要求洁净，第一电极和第二电极均选用Au电极7，所述放电探针5与ZnO纳米线薄膜6相对设置，放电探针采用曲率半径为5微米的钨针且放电探针5的针尖与ZnO纳米线薄膜6的间距d为1.0mm，所述第一电极或第二电极接地且第一电极和第二电极之间连接有信号处理系统，经信号处理系统处理可判断是否有紫外光照射及紫外光强度情况，且信号处理系统根据得到的信号控制摩擦纳米发电机的动作。
其中，本发明所述的紫外检测器有多种，不做特别的限定，只要满足其检测机制是基于表面氧的吸附脱附即可，实施例1中，我们采用ZnO纳米线薄膜紫外检测器，ZnO纳米线直径约为5nm，当然也可以选择其他基于表面氧吸附脱附的紫外检测器（如ZnO、SnO2纳米颗粒/纳米线等等），只要能够实现相同的功能即可，不应作为对本发明保护范围的限制。
本发明可用的整流电路有多种，不做特别的限定，只要满足能够将摩擦纳米发电机产生的交流脉冲电流转变为直流脉冲输出电离即可，实施例1中，我们采用二极管桥式整流电路。
本发明可以选用的放电探针有多种，不做特别的限定，只要满足在摩擦纳米发电机驱使下能够电离空气，实施例1中，我们采用曲率半径为5微米的钨针。
本发明所述放电探针与紫外检测器表面距离d根据摩擦纳米发电机的输出而改变，在这里不做特别的限定，只要满足在摩擦纳米发电机驱使下电离空气时，产生的O2-能够到达紫外检测器表面，并且在电离空气时产生的高能密度流对紫外检测器没有损坏即可。
本发明实施例1所述紫外检测器的检测方法如图4所示，为了简述方便，图4中，摩擦纳米发电机的两块基板相对运动产生交流脉冲电流输出经过整流电路转变为直流脉冲输出过程采用简化处理，放电探针连接在整流电路的负极输出端，具体检测方法如下。
步骤一：如图4a所示，在初始的暗态条件下，O2捕获紫外检测器表面的自由电子，产生O2-，O2-吸附在紫外检测器表面，形成表面势垒，表面势垒对载流子的输运起到阻碍作用，经两Au电极7之间的信号处理系统进行数据处理得知该紫外检测器现在处于高阻态。
步骤二：如图4b所示，当有紫外光照射时，紫外检测器内部产生大量的光生电子空穴对，空穴迁移到紫外检测器表面，与O2-复合，发生氧脱附，O2从ZnO纳米线薄膜表面脱附离开，紫外检测器的表面势垒降低，解除了对载流子的输运阻碍作用，经两Au电极7之间的信号处理系统进行数据处理得知该紫外检测器此时处于低阻态，由此可判断是否有紫外光照射。
步骤三：如图4c所示，当紫外光照射结束时，信号处理系统发出信号控制摩擦纳米发电机动作，第一基板和第二基板间发生相对运动，第一摩擦层与分离的第二摩擦层同步发生相对运动，分离的第二摩擦层间产生电势差，输出交流脉冲电流到整流电路4，整流电路4将交流脉冲电流转变为直流脉冲电流输出，连接在负极输出端的放电探针5发生负电晕放电，负电晕放电产生的O2-离子到达ZnO纳米线薄膜的表面。
步骤四：如图4d所示，放电探针负电晕放电产生的大量的O2-吸附在紫外检测器的表面，使表面势垒增大，表面势垒将会阻碍紫外检测器中载流子的输运，因此，紫外检测器重新回到高阻态，步骤二至四的循环即为一个测试过程。
图5为实施例1进行紫外检测的信号输出结果：
图5a为在暗态下（in dark）、电晕放电调控下（discharged）、紫外光照射下（UV light）的电流（A）随电压（V）变化的曲线，传统的紫外检测器在暗态下的电流和电压变化情况即为图示in dark的曲线，与discharged的情况对比，可以看出本发明通过电晕调控，可以明显降低暗电流，提高开关比，在+5V偏压下，本发明紫外光下电流与暗态下电晕放电调控后的电流的比值高达106，即本发明所述紫外检测器的开关比高达106；
图5b，在+3V偏压的条件下，本发明所述紫外检测器检测到的电流（Current（A））随时间（Time(s)）变化的曲线，可以看出本发明所述紫外检测器具有可靠的重复性；
图5c，对单个周期放大，其回复速度（电流下降1/e所用时间）为0.32s，回复速度快；可见本发明所述紫外检测器在检测紫外光完成后，能够快速回复高阻态，原因在于：紫外光关闭后，摩擦纳米发电机再次发生相对运动，放电探针再次电离空气产生O2-，O2-快速吸附在半导体材料表面，从而使紫外检测器快速回到高阻态，有效地提高了回复速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。