基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器领域，尤其是涉及一种基于氧化锌的氨气传感器。
【背景技术】
[0002]随着现代生活水平不断提高，生活节奏不断加快，出现了应用方便、对环境依赖度低的自发电设备。现有的自发电设备通常利用材料的压电特性。例如2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是:当纳米线(NWs)在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。
[0003]氨气传感器是气敏传感器中的一种,用于检测环境中的氨气浓度,能够将环境中氨气浓度产生的传感器响应转化为相应的电压值，从而起到定性或定量检测、监控、报警的作用。氧化锌作为半导体材料，可以应用于氨气传感器，是研究和应用较早的气敏材料之一。然而，现有氨气传感器具有灵敏度低、响应时间长、制备工艺复杂等缺陷。
[0004]物体和物体之间相互进行摩擦，就会使一方带上负电，而另一方带上正电，由于物体间摩擦产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，但是因为很难收集利用而被忽略。迄今为止还没有将摩擦电结合氧化锌材料一起应用到氨气传感器的报道。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是提供一种基于氧化锌的氨气传感器，感测因吸附在氧化锌处的氨气引起的输出电压变化，具有灵敏度高，响应时间短的特点。
[0006]氧化锌因表面存有氧空缺,使氧气吸附在氧空缺上,从而吸收氧化锌导带上的电子成为离子(02_，0_)。当环境中的氨气吸附在氧化锌表面时，会取代并与原本吸附在氧化锌上的氧离子反应，而释放电子，从而氧化锌表面的电荷量会有变化。将氧化锌涂覆于第一摩擦层表面后，第一摩擦层以及设置在其上的氧化锌层与第二摩擦层摩擦，使氧化锌表面除了氧空缺外带更多的负电，增加了表面的电荷密度，加快了氧气吸收的速度与氧气吸收量，提高了氨气与氧气的置换量，从而提高氨气传感器的灵敏度。吸附氨气后，氨气除了与原先所吸附的氧离子反应外，在摩擦时也形成了氧化锌表面的电荷屏蔽层，从而导致输出电压的下降，进而能够准确测量出环境中的氨气浓度。此时的输出电压大部分来自于第一摩擦层未设置氧化锌层区域与第二摩擦层之间的摩擦。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案是:一种基于氧化锌的氨气传感器，包括
[0008]第一摩擦层；
[0009]设置在所述第一摩擦层的第二侧表面上的氧化锌层；以及
[0010]第二摩擦层，所述第二摩擦层的第二侧表面相对第一摩擦层的第二侧表面设置；
[0011]将压力作用在第一摩擦层的第一侧表面和/或第二摩擦层的第一侧表面，所述第一摩擦层的第二侧表面以及设置于其上的氧化锌层与第二摩擦层的第二侧表面之间形成摩擦界面；
[0012]所述第一摩擦层和所述第二摩擦层形成所述氨气传感器的信号输出端。
[0013]第一摩擦层第二侧表面包含未设置氧化锌区域与设置氧化锌区域。
[0014]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述第一摩擦层包括层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，所述氧化锌层设置在第一高分子聚合物绝缘层的表面上。
[0015]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述氧化锌层为氧化锌颗粒层。前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述氧化锌颗粒的平均体积粒径为150-300nm，分布量为
0.15-0.25mg/mm20
[0016]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述氧化锌层为氧化锌纳米线层。前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述纳米氧化锌线直径为150-200nm，长度为0.8-1.2 μ m。
[0017]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述第二摩擦层为第二电极层；所述第一高分子聚合物绝缘层以及设置在其上的氧化锌层与所述第二电极层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述氨气传感器的信号输出端。
[0018]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述第一高分子聚合物绝缘层所用材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、硝酸纤维素、聚苯乙烯、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶和苯胺甲醛树脂。
[0019]前述的基于氧化锌的氨气传感器，第二摩擦层包括层叠设置的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层相对第一高分子聚合物绝缘层设置，在第一高分子聚合物绝缘层以及设置于其上的氧化锌层与第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述氨气传感器的信号输出端。
[0020]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层形成摩擦界面进行摩擦，所述第一高分子聚合物绝缘层呈电负性，第二高分子聚合物绝缘层呈电正性。
[0021]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述第一高分子聚合物绝缘层所用材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚酰亚胺、和苯胺甲醛树脂；
[0022]所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚全氟乙丙烯、尼龙、氯化聚乙烯(CPE)、氯磺化聚乙烯(CMS)、娃橡胶、四氟乙烯-乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚苯乙烯、氯化聚醚、聚酰亚胺、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、热塑性硫化橡胶(TPV)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、三元乙丙橡胶(EPDM)0
[0023]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述氨气传感器进一步包括动力模块，用以将压力作用在第一摩擦层的第一侧表面和/或第二摩擦层的第一侧表面，并在第一摩擦层的第二侧表面和/或第二摩擦层的第二侧表面接触摩擦后撤消压力。
[0024]前述的基于氧化锌的氨气传感器，所述动力模块包括程序控制的活塞柱，一端连接第一摩擦层的第一侧表面和/或第二摩擦层的第一侧表面。
[0025]为了解决上述技术问题，本发明采用的第二技术方案是，一种氨气检测装置，包括
[0026]前述的任一种氨气传感器，
[0027]CPU模块，与所述氨气传感器的信号输出端连接，以接收电压信号并转换为数值数据；以及
[0028]显示模块，与CPU模块连接，以接收数值数据并显示。
[0029]前述的氨气检测装置，所述CPU模块包括信号处理模块和数据处理模块；
[0030]所述信号处理模块接受并处理氨气传感器输出的电压信号，将其转换为数值数据并将该数据传输到数据处理模块；
[0031]所述数据处理模块将得到的数据与库存阈值相比较，并将结果传输到显示模块。
[0032]前述的氨气检测装置，该氨气检测装置进一步包括电源模块和开关模块，用以电控制氨气传感器，CPU模块和显不模块。
[0033]本发明基于氧化锌的氨气传感器制备工艺简单，电压响应随氨气浓度变化，吸附过程可逆，且可在室温下操作。
【附图说明】
[0034]图1是本发明带动力模块的氨气传感器的结构示意图。
[0035]图2是应用本发明氨气检测装置示意图。
[0036]图3是本发明第一【具体实施方式】基于氧化锌的氨气传感器的结构示意图。
[0037]图4是本发明第一【具体实施方式】基于氧化锌的氨气传感器的平面示意图。
[0038]图5是本发明第二【具体实施方式】基于氧化锌的氨气传感器的结构示意图。
[0039]图6是本发明第二【具体实施方式】基于氧化锌的氨气传感器的平面示意图。
[0040]图7是本发明实施例3氨气传感器输出电压随氨水体积(密闭环境下转化为氨气浓度)变化的曲线图。
【具体实施方式】
[0041]为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。
[0042]本发明氨气传感器，基于摩擦发电机的技术与氧化锌材料的特性。其中氧化锌在室温下对于氨气有响应，使得摩擦界面摩擦所产生的电量变化，而造成输出电压的变化，从而检测到环境中的氨气浓度。
[0043]本发明基于氧化锌的氨气传感器，包括:第一摩擦层；设置在所述第一摩擦层的第二侧表面上的氧化锌层；以及第二摩擦层。所述第二摩擦层的第二侧表面相对第一摩擦层的第二侧表面设置；将压力作用在第一摩擦层的第一侧表面和/或第二摩擦层的第一侧表面，所述第一摩擦层的第二侧表面以及设置于其上的氧化锌层与第二摩擦层的第二侧表面之间形成摩擦界面；所述第一摩擦层和所述第二摩擦层形成所