烟雾感应钙钛矿探测器

1.本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种烟雾感应钙钛矿探测器。


背景技术：

2.随着建筑行业的快速发展以及用户对于居家环境安全的高要求，烟雾报警器的使用也越来越多。
3.比如专利公开号为cn211718995u，公开了一种家居环境监控用烟雾感应器，其主要应用于家居环境中对于烟雾进行检测。其检测方式主要是将通过底部的多处探测口进入到容纳空间中的烟雾浓度进行检测，如果达到预设阈值则进行警示、报警。通常而言，这些烟雾感应器会安装于家居环境中的天花处，因此烟雾只有达到一定浓度，才能够经探测口进入容纳空间以进行检测，因此存在滞后性。这种检测滞后性哪怕只是延迟5
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10秒，也会给使得用户失去了最佳的扑火或者解决危机的时机。
4.因此，现有技术有待于改善。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提出一种烟雾感应钙钛矿探测器，以解决背景技术中所提及的通过探测口进入容纳空间的烟雾进行烟雾浓度检测所导致的存在滞后性的技术问题。
6.本发明的一种烟雾感应钙钛矿探测器，包括探测器主体和设置于所述探测器主体表面的含有钙钛矿的光电转换组件；所述探测器主体内设置有提示信号控制电路；所述提示信号控制电路用于根据所述光电转换组件感应所处环境中光强度变弱时控制提示元件输出提示信号。
7.进一步，所述电压转换电路还用于根据所述光电转换组件感应所处环境中光强度未变弱时控制提示元件不输出提示信号。
8.进一步，所述光强度变弱表示第一光强度减弱为第二光强度。
9.进一步，提示元件包括蜂鸣器，提示信号为所述蜂鸣器输出的蜂鸣信号。
10.进一步，所述光电转换组件含有钙钛矿。
11.进一步，所述光电转换组件包括从内至外依次设置的导电玻璃、空穴传输层、钙钛矿、电子传输层和电极层。
12.进一步，所述钙钛矿为通过配置为溶液后经喷涂工艺均匀沉积在所述空穴传输层上。
13.进一步，还包括用于对所述提示信号控制电路进行供电的电压转换电路。
14.进一步，所述电压转换电路包括稳压芯片和第一电容，稳压芯片的第一管脚经第一电感线圈同时与外部供电端的正极、第一电容一端、第一电阻一端和稳压芯片的第六管脚连接；第一电阻另一端与稳压芯片的第四管脚连接；稳压芯片的第五管脚同时与第二电阻一端、第二电容一端、第四电阻一端和提示信号控制电路连接，稳压芯片的第三管脚同时与第二电阻另一端、第三电阻一端连接，稳压芯片的第二管脚同时与外部供电端的负极、第
一电容另一端、第三电阻另一端、第二电容另一端和地连接。
15.进一步，提示信号控制电路包括运算放大器、第一三极管和第二三极管，所述运算放大器的第一输入端与第一电阻一端连接，运算放大器的第二输入端同时与第二电阻一端、第三电阻一端连接，第二电阻另一端接地，所述第三电阻另一端通过第一可变电阻同时与所述运算放大器的第一输出端、第四电阻一端连接，所述第四电阻另一端同时与第五电阻一端、所述第一三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极同时与所述第五电阻另一端、地连接，所述第一三极管的集电极同时与第六电阻一端、第七电阻一端和所述第二三极管的基极连接，所述第二三极管的发射极同时与所述第七电阻另一端、地连接，所述第二三极管的集电极与所述提示元件一端连接，所述提示元件另一端同时与所述第六电阻另一端、所述电压转换电路连接，所述运算放大器的第五引脚同时与所述电压转换电路、第五电容一端连接，所述第五电容另一端接地。
16.本发明的烟雾感应钙钛矿探测器，有益效果如下：
17.1、相较于传统的传感器，本技术中的光电转换组件含有钙钛矿，感应性能更加敏感，显著提高探测性能。
18.2、基于含有钙钛矿的光电转换组件设置于探测器主体表面，因此烟雾颗粒无需经探测口进入容纳空间后才进行检测；而是采用光电转换组件直接对于所处环境中光线进行高灵敏度的感应，由此来直接、快速确认空气中基于烟雾颗粒的浓度增加所导致的光强度变弱迹象，不会存在滞后问题。
19.3、在快速确认出空气中基于烟雾颗粒的浓度增加所导致的光强度变弱迹象后，能够通过提示元件进行提示信号输出，以及时提醒用户。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明烟雾感应钙钛矿探测器的三维示意图；
22.图2为本发明中光电转换组件的制作流程示意图；
23.图3为本发明中电压转换电路的电路连接示意图；
24.图4为本发明探测信号控制电路的电路连接示意图；
25.图5为本发明的原理框图。
26.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.需要注意的是，相关术语如“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是这些术语并不限制该组件。这些术语仅用于区分一个组件和另一组件。例如，不脱离本发明的范围，第一组件可以被称为第二组件，并且第二组件类似地也可以被称为第一组件。以及术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方
位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
29.本发明涉及烟雾感应钙钛矿探测器，能够基于对光线感应从而相应起到对于烟雾的自动化探测效果，从而可以广泛应用于探测烟雾的应用场景中。
30.如图1所示，本发明的烟雾感应钙钛矿探测器包括探测器主体10，探测器主体10表面设置有含了钙钛矿的光电转换组件20，该光电转换组件可以感应到光，并将光信号转化为电信号；探测器主体10内部为容纳空间，容纳空间中设置有提示信号控制电路(如图4所示)。所述提示信号控制电路用于根据所述光电转换组件感应到所处环境中光强度变弱时控制提示元件输出提示信号。其中，提示元件设置于提示信号控制电路中。相比较传统的烟雾感应模块(烟雾颗粒经探测口60进入到容纳空间后，才检测出来)，本发明中在光电转换组件中采用钙钛矿为活性材料，以及将光电转换组件设置于探测器主体10表面，因此光电转换组件具备较佳的感光响应度以及外量子转化效率，在应用于检测烟雾的应用场景时，烟雾颗粒无需经探测口60进入容纳空间后才进行检测，而是直接通过探测器主体10表面上的对光线感应灵敏度更高特性的光电转换组件20能够快速确认出空气中基于烟雾颗粒的浓度增加所导致的光强度变弱迹象，不会存在滞后问题，以此达到对于烟雾快速探测、以及探测出来后通过提示信号的输出从而对于用户进行有效提醒、警示技术效果。
31.需要注意的是，本技术中提及的“所处环境中光强度变弱”，其可以理解为“所处环境中的光由第一光强度减弱为第二光强度”；其中，“第一光强度”和“第二光强度”是表示光电转换组件20所感应到的光对应的两种不同的光强度范围。例如，当第一光强度为20
‑
30坎德拉，而第二光强度为0
‑
5坎德拉，则与第一光强度对应的所处环境表示“有光”、“有led光线”环境，与第二光强度对应的所处环境表示“无光”、“没有led光线”环境。当第一光强度为80
‑
100坎德拉，而第二光强度为10
‑
15坎德拉，则第一光强度表示光较强环境，第二光强度表示光较暗环境。而造成上述“所处环境中光强度变弱”的原因在于，所处环境中的烟雾浓度变大了，也即烟雾颗粒增多了，因此处于探测主体10表面上的掺杂了钙钛矿的光电转换组件20所能感应到的光变少了，基于此光电转换组件20的感应状态实现了切换，从而确认光电转换组件所处环境存在烟雾情况。上述第一光强度、第二光强度的具体坎德拉范围仅为描述第一光强度、第二光强度为不同的光强度，本技术并不对于具体坎德拉范围进行限定。
32.其中，光电转换组件具有多个感应状态；光电转换组件的感应状态包括感应到第一光强度所对应的光的第一感应状态和感应到第二光强度所对应的光的第二感应状态。通过不同感应状态体现光电转换组件所处环境的光强度不同(比如，光强度大的时候表示几乎没有烟雾颗粒，所处环境安全；光强度小的时候表示空气中烟雾颗粒越多，所处环境存在危险)，而处于不同感应状态的光电转换组件基于不同光强度所转化的电能不同。比如，当光电转换组件处于第一感应状态时，其所转化的电能作为第二电能，一般为20
‑
30v；当光电转换组件处于第二感应状态时，其所转化的电能作为第一电能，一般为0
‑
0.15v。其中，所述光电转换组件感应到所处环境中光强度变弱时，可理解为光电转换组件由第一感应状态切换为第二感应状态，此时所输出的经转化的电能由20
‑
30v降低为0
‑
0.15v(由第二电能降低为第一电能)。
33.如图5所示，具体地，当所述光电转换组件20处于所述第一感应状态时，光电转换
组件20将第一光强度所对应的光转化为第二电能并输出至提示信号控制电路以执行烟雾探测停止工作状态，烟雾探测停止工作状态表示提示元件不输出提示信号。
34.如图5所示，具体地，当所述光电转换组件20处于所述第二感应状态时，光电转换组件20将第二光强度所对应的光转化为第一电能输出至提示信号控制电路中的提示元件输出提示信号。其中，提示元件可以是蜂鸣器bz1，所输出的提示信号为蜂鸣信号。以此通过较刺耳的方式快速、有效提示用户所处环境存在较大安全隐患。
35.需要说明的是，在将本发明的烟雾感应钙钛矿探测器进行应用时，探测器主体10一般安装于室内房屋的顶部(天花板)，为了充分利用光电转换组件20的整体感光面积，优选将光电转换组件20设置于探测器主体10的底端面11，该底端面11表示在将探测器主体10安装于房屋的天花板上时朝向下的面。此时基于具有感应光线功能的光电转换组件20位于探测器主体10底部，光电转换组件20作为外感应器件实现第一级烟雾检测。而基于探测器主体10中的容纳空间还设置有作为内感应器件实现第二级烟雾检测的离子式烟雾传感器(图中未示)，该离子式烟雾传感器用于对从探测器主体10表面上所开设的探测口60进入到容纳空间中的烟雾的浓度进行检测，以确认所处环境的危险级别。
36.如图2所示，光电转换组件20掺杂有钙钛矿21e，基于钙钛矿为活性材料具备较佳的感光响应度，即光电转换组件20对于所处环境中的光强度判别、识别更敏感，因此对应的第一光强度的范围阈值更小，第二光强度的范围阈值也更小，即第一光强度和第二光强度之间的差值更小；以便于应用于需要精密控制的检测环境中。
37.其中，光电转换组件20包括导电玻璃21，钙钛矿21e可设置于所述导电玻璃上；钙钛矿可配置为溶液形式，并通过喷涂方式将钙钛矿均匀沉积。本优选实施例将钙钛矿均匀沉积于导电玻璃上，使得光电转换组件20作为钙钛矿探测器发电板，基于钙钛矿为活性材料具备较佳的感光响应度以及外量子转化效率。
38.如图2所示，进一步地，光电转换组件20还包括空穴传输层21d、电子传输层21f和电极层21g；空穴传输层、钙钛矿、电子传输层和电极层由内至外依次位于导电玻璃上，即空穴传输层是附着于导电玻璃表面上，而钙钛矿位于空穴传输层、电子传输层之间，则电极层作为最外层可以通过引出两端以接于电压转换电路中，将所转化的电能传输至电压转换电路。其中，空穴传输层21d可以是氧化镍，氧化镍起到了单向传输空穴的作用；电子传输层21f可以是富勒烯
‑
碳60(c60)、[6，6]－苯基－c61－丁酸异甲酯(pcbm)和聚[3,4,9,10
‑
苝四甲酰五乙烯六亚胺](ppdin6)中的任意一种，其起到单向传输电子作用；电极层21g可以是银电极或者铜浆层。
[0039]
如图2所示，对于光电转换组件20的具体加工步骤，包括以下：
[0040]
s1、通过激光刻线或者锌粉刻蚀的方式将导电玻璃21分为正负极；
[0041]
步骤s1具体地：通过激光刻线或者锌粉刻蚀在导电玻璃21上沿着预设的划分轨迹进行处理，以在导电玻璃21表面形成分界线21c，在分界线21c两侧分别为正极区域21a和负极区域21b；
[0042]
s2、进行除膜处理，对导电玻璃表面进行等离子清洗；
[0043]
步骤s2具体地：对负极区域21b进行除膜处理，对导电玻璃表面进行等离子清洗；
[0044]
s3、在导光玻璃21表面旋涂氧化镍；
[0045]
s4、完成氧化镍旋涂后，喷涂钙钛矿；
[0046]
s5、蒸镀c60或者先后旋涂pcbm以及ppdin6；
[0047]
s6、蒸镀银电极或者丝印铜浆。
[0048]
经过上述s1
‑
s6加工步骤所形成的光电转换组件20(钙钛矿探测器发电板)，此光电转换组件20通过激光刻线或者锌粉刻蚀的方式将导电玻璃分为正负极，然后进行清洗等操作，采用环保无毒的氧化镍增强了导电玻璃的空穴传输层；采用化学方式配置钙钛矿溶液，通过喷涂等方式使其均匀稳固的附着在导电玻璃上，通过喷涂钙钛矿的多少，从而选择探测器接收的光线，以适用窄带以及全光谱波段的光线范围，大大提高了钙钛矿探测器的适用波长范围；通过蒸镀c60或先后旋涂pcbm以及ppdin6的方式增加了电子传输层，从而达到与外部正负极隔绝的效果，以免短路，也大大提高了钙钛矿探测器发电板的导电率；以及通过采用c60等化学界面层材料实现钙钛矿光电探测器件的界面能级匹配，以控制器件内载流子输运特性，进一步控制光电探测器各性能指标。其中，基于钙钛矿可以通过配置为溶液形式，因此其浓度是可调节的，则通过调整钙钛矿、水之间配比方式，来调节钙钛矿溶液的浓度来对应调控钙钛矿的带隙，即从而通过这种简易、简便的调节方式调整钙钛矿光电探测器所探测的波长，满足特定的应用场景。
[0049]
在对于光电转换组件20制备时，仅通过六个步骤则完成光电转换组件加工，然后再将加工好的光电转换组件设置于探测本体的表面，后将光电转换组件与已安装在探测本体内部的电压转换电路和探测信号控制电路连接，则完成整个烟雾感应钙钛矿探测器的制备过程。与传统的光电转换组件相比，没有碳化硅，硅，铟镓砷，和锗等材料制备过程，以及最终制备出的为以导电玻璃为承载基底的板状结构，比较容易安装于探测本体的表面，而且便于与探测本体内部的电压转换电路和探测信号控制电路连接，因此整体来讲，其制备难度小，工序少。
[0050]
需要了解的是，带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低；因此调控钙钛矿的带隙是可以调整钙钛矿光电探测器所探测的波长。
[0051]
如图3所示，还包括用于对所述提示信号控制电路进行供电的电压转换电路；具体地，所述电压转换电路用于将供电端(正极bat+、负极bat
‑
)所提供的电压进行升压处理，比如供电端为蓄电池，蓄电池所提供的电压为1.2v；经电压转换电路的升压处理后，1.2v升压为3.3v并传输至提示信号控制电路中，以对于提示元件、运算放大器ic3进行供电。
[0052]
其中，电压转换电路包括稳压芯片ic1和第一电容c1，稳压芯片ic1的第一管脚sw经第一电感线圈l3同时与供电端的正极bat+、第一电容c1一端、第一电阻r5一端和稳压芯片ic1的第六管脚vin连接；第一电阻r5另一端与稳压芯片ic1的第四管脚shdn连接；稳压芯片ic1的第五管脚vout同时与第二电阻r9一端、第二电容c4一端、第四电阻r19一端和提示信号控制电路连接，稳压芯片ic1的第三管脚fb同时与第二电阻r9另一端、第三电阻r10一端连接，稳压芯片ic1的第二管脚gnd同时与供电端的负极bat
‑
、第一电容c1另一端、第三电阻r10另一端、第二电容c4另一端和地连接。电压转换电路的作用在于能够将供电端所提供的电压进行升压处理，以能够驱动提示元件以及驱动运算放大器ic3。
[0053]
其中，电压转换电路还包括第一发光二极管led1；第一发光二极管led1一端与第四电阻r19另一端连接，第一发光二极管led1另一端接地。该第一发光二极管起到提示作用，以提示用户已接入供电端。
[0054]
如图4所示，提示信号控制电路包括运算放大器ic3、第一三极管q5和第二三极管q6；运算放大器ic3的第一输入端+in与第一电阻r21一端连接，运算放大器ic3的第二输入端
‑
in同时与第二电阻r16一端、第三电阻r12一端连接，第二电阻r16另一端接地，第三电阻r12另一端通过第一可变电阻vr1同时与运算放大器ic3的第一输出端out、第四电阻r14一端连接，第四电阻r14另一端同时与第五电阻r15一端、第一三极管q5的基极连接，第一三极管q5的发射极同时与第五电阻r15另一端、地连接，第一三极管q5的集电极同时与第六电阻r17一端、第七电阻r19一端和第二三极管q6的基极连接，第二三极管q6的发射极同时与第七电阻r19另一端、地连接，第二三极管q6的集电极与蜂鸣器bz1一端连接，蜂鸣器bz1另一端同时与第六电阻r17另一端、电压转换电路连接，运算放大器ic3的第五引脚(vcc)同时与电压转换电路、第五电容c5一端连接，第五电容c5另一端接地。当光电转换组件20所转化的电能中电压大于0.2
‑
0.3v时(有光、光强)，这个电压作为输入电压in进入运算放大器ic3的第一输入端+in以进行放大，得到一个大于0.7v的电压，所得到的大于0.7v的电压由运算放大器ic3的第一输出端out输出并经第四电阻r14传输至第一三极管q5基极，使q5导通，第二三极管q6基极电压被拉低而截止；因此此时蜂鸣器bz1没形成通路，处于静止，不输出蜂鸣信号。当光电转换组件20所转化的电能中电压小于0.2
‑
0.3v时(无光、光暗)，这个小于0.2
‑
0.3v的电压进入运算放大器ic3的第一输入端+in以进行放大，得到一个小于0.7v的电压，该小于0.7v的电压由运算放大器ic3的第一输出端out输出经第四电阻r14给第一三极管q5基极，使第一三极管q5截止，第二三极管q6基极电压大于0.7v而导通；由于第二三极管q6导通，因此此时蜂鸣器bz1导通，输出蜂鸣信号。
[0055]
其中，运算放大器ic3的型号为lm321，属于单通道运算放大器，具有内部补偿和真正的差分输入级；该运算放大器具有3v至32v的宽电源电压，适用于单电源，
±
1.5至
±
16v(适用于分离电源)，在探测信号控制电路需要外接工作电压vcc的情况下，具备较快相应技术效果即使在高达1.5nf的大容性负载下，lm321的单位增益也很稳定。
[0056]
本发明的烟雾感应钙钛矿探测器，基于将光电转换组件设置于探测主体表面，与传统的烟雾感应模块(烟雾颗粒经探测口进入到容纳空间后，对容纳空间中的烟雾浓度进行检测)相比，本发明在检测过程中，烟雾颗粒无需进入容纳空间才进行检测，而是烟雾颗粒在空气中增加时，基于部分光线被颗粒表面阻挡，因此能够通过光电转换组件感应到所处环境的光强度变弱，从而快速确认存在烟雾的情况。最后经提示信号控制电路中提示元件输出提示信号从而对于用户进行有效提醒、警示技术效果。
[0057]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。