CN103745585A

CN103745585A - 智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统

Info

Publication number: CN103745585A
Application number: CN201410003526.5A
Authority: CN
Inventors: 李江江; 高志远; 万培元; 邹德恕
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Hebei Tianhao Network Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103745585B

Abstract

本发明涉及一种智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，该系统是把纳米发电机、纳米超级电容器、纳米紫外传感器和智能标签集成在柔性衬底上，同时实现供能、传感、无线传输三种功能的紫外探测系统。在本发明中，纳米紫外传感器探测到的紫外光信号以应答形式进行无线传输，有效降低系统功耗；该系统无线传感单元采用半有源式RFID标签，由系统供电单元为智能标签的芯片提供部分能量，大大增加通信距离。

Description

智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统

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。

所述的接口电路为集成的芯片，其内部结构为电压放大器、滤波器、A/D转换器模块顺次连接，电压放大器的另一端与纳米紫外传感器和纳米超级电容器连接，A/D转换器的另一端与无线传输模块连接。

进一步优选地，所述的纳米紫外传感器是带应答器的传感器，即RFID传感器，RFID传感器的功能是将探测信号以应答的工作方式传输给系统外部的读卡器，RFID应答器的供电方式为半有源式，部分能量由系统本身的供电单元提供，部分能量由标签从读卡器的电磁场中获得。

进一步优选地，所述的RFID应答器的信号传输距离可达10～20m。

进一步优选地，所述的纳米紫外传感器是作为RFID应答器的电压负载，以适应目前现有纳米发电机的大电压小电流的特点。

进一步优选地，所述的标签天线制作在柔性电路板（FPC）上，实现系统一体化受压。

本发明与现有的紫外探测器系统相比的优点有：

1、本发明采用智能标签将探测信息以应答方式进行无线信号传输，在实现射频通信的同时减小了系统的功耗，充分利用了纳米发电机的发电功率。

2、本发明中纳米发电机和纳米紫外传感器采用同一种纳米结构材料，并且系统内部电路制作在PFC板上，能够一体化受压，实现一体化的自供能系统。

附图说明：

图1.本发明的结构连接框图；

图2.本发明工作时的简单等效电路图；

图3.本发明中应答器的结构框图；

图中：1—纳米发电机2—全波桥式整流器3—纳米超级电容器4—纳米紫外传感器5—RFID应答器6—机械力7—外部输入紫外光信号8—读卡器9—接口电路10—天线匹配电路11—标签天线12—电压放大器13—滤波器14—A/D转换器

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明为一种智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，该系统是集成在柔性衬底上的集传感、供能、无线传感为一体的纳米紫外探测系统。

参见附图1，本发明的结构连接框图。

本发明系统包括供电单元、探测单元和无线传输单元，其中供电单元由纳米发电机1和纳米超级电容器3组成，探测单元由纳米紫外传感器4组成，无线传输单元由RFID应答器5（智能标签）组成。其中，纳米发电机1利用压电效应将自然环境中的机械能6转化为电能，纳米发电机1输出的交流电，经过全波桥式整流器2整流，由纳米超级电容器3储存起来，给系统供能；纳米紫外传感器4和RFID应答器5一起组成RFID传感器。参见附图2，本发明在实际工作时其等效电路。

所述的纳米发电机1的尺寸为1cm×1cm，可输出的峰值电压为10V，可输出的电流为0.6V，相当于电流密度为1mA/cm³，功率密度10mW/cm³。

所述的纳米发电机是以复合ZnO/PVDF膜为主体，用Cr/Au做电极层，被放置在柔韧的PS衬底上，由PVDF面施加压力的夹心式有机/无机复合纳米发电机。

所述的有机/无机复合纳米发电机既能获得有机材料的柔韧度，又能达到无机材料的高输出电压。

所述的有机/无机复合纳米发电机的制备，首先制备ZnO/PVDF膜，然后再制作成纳米发电机。其具体步骤如下：

（1）将PVDF溶于丙酮和DMAC混合液中，加入制孔剂、质子交换树脂和锌种剂，超声陈化后刮膜制成多孔微滤膜；

（2）将等摩尔比例的六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O）和六次甲基四胺（HMTA）溶于去离子水中，搅拌均匀，配制成10mmol/L的溶液作为前体溶液。

（3）取15mL前体溶液放入水热反应釜中，再将多孔微滤膜中放入水热反应釜中，在80℃下反应生长ZnO纳米线，持续8h；

（4）将生长成的ZnO纳米线放入弱酸性溶液中，将ZnO腐蚀成锥形；

（5）将上述腐蚀成锥形的ZnO纳米线在高电场下极化，制备出复合ZnO/PVDF膜，即夹心式纳米发电机主体部分；

（6）将复合ZnO/PVDF膜ZnO面旋涂PMMA膜后，淀积一层Cr/Au作电极；

（7）将复合ZnO/PVDF膜的PVDF面直接淀积Cr/Au作电极；

（8）将整个结构放在PS衬底，就制成了纳米发电机。

所述的纳米超级电容器3具有26mF/cm²的面电容，在10⁴次充放电后仍可维持原电容量的87.5%，并可输出的电压为3V。

所述的纳米超级电容器3是由两个带有隔膜（NKK TF40,40μm）的HZM电极使用固态PVA/LiCl电解液组装而成的。

所述的HZM电极是采用水热法制备的，具体制备步骤如下：

（1）将碳纤维在0.5M的KMnO₄溶液中浸泡30min，在其表面形成一个籽晶层；

（2）取100mL由0.015M的六水合硝酸锌和0.015M的六亚甲基四胺（HMTA）组成的混合溶液，在其中加入4mL的胺，作为生长ZnO纳米线的原溶液。

（3）将（1）中所述的引晶的碳纤维衬底在（2）中所述的原溶液中90℃浸泡24h后，可得到在碳纤维上生长的ZnO纳米线;

（4）将（3）中所述的长有ZnO纳米线的碳纤维在氢气中，350℃氢化3h，可得到HZnO纳米线。

（5）将（4）中所述的HZnO纳米线浸入0.5M的葡萄糖溶液中24h，再在氩气中450℃退火2h，得到HZC样品；

（6）将HZC样品放入0.5MKMnO₄和0.5MNa₂SO₄的混合溶液中，室温下浸泡8h，再用去离子水清洗数次，即得到HZM电极。

所述的纳米超级电容器3的组装步骤如下：

（1）取12.6g LiCl和12g PVA混合溶解在60mL去离子水中，85℃加热并搅拌2h，制备成PVA/LiCl凝胶电解质；

（2）将两个HZM电极和隔膜放入PVA/LiCl凝胶中浸泡5min后组装到一起；

（3）将（2）中所述的组装之后的器件60℃放置12h，除去PVA/LiCl凝胶电解质中多余的水分；

（4）在PVA/LiCl凝胶电解质变硬后，用胶带密封，即得到超级纳米电容器。

所述的纳米紫外传感器4作为系统的传感单元。在紫外光照下，传感器中ZnO纳米线上大量电子空穴对分离，流经传感器的电流增加，从而将紫外光信号变化转化为流经传感器的电流变化。

所述的纳米紫外传感器4在偏压为3V、紫外光照射度为4.5mW/cm^-2的情况下，其光响应电流和开关电流比分别为14.1mA和120000。

阵列式纳米紫外传感器的制作步骤：

（1）取0.81g ZnO粉末放在小石英管的密封端，在沿气流方向距ZnO粉末20cm的位置放置碳纤维衬底；

（2）将反应炉加热到1050℃，并通入O₂流，持续40min，采用固体蒸发法在碳纤维衬底表面生长ZnO纳米线；

（3）将生长有ZnO纳米线的碳纤维的后端用弱碱腐蚀，制备成核壳式ZnO纳米线碳纤维电极；

（4）将AgNO₃溶于乙醇中，配制成浓度范围在10～50mmol/L的溶液，旋涂在ZnO纳米线上，然后在450℃下退火2h，制作成陈列式纳米紫外传感器。

所述的无线传输单元由智能标签（RFID应答器）5组成，如附图3所示。RFID应答器包括接口电路9，无线传输模块10和标签天线11。

接口电路9内部的电压放大器、滤波器、A/D转换器模块是用于对应答器接口两端电压变化进行处理，再将处理后的数据传送给无线传输模块。

所述的应答器接口电路9的等效输入电阻为1×10⁸Ω。

所述的应答器的标签天线制作在柔性电路板（FPC）上。

在无紫外光照下，流经纳米紫外传感器4的电流很小，则应答器接口电路9上的电压很小，此时该系统处于待机状态，不接收外部电磁波，功耗很小，靠系统的供电单元提供最小的能量消耗；当紫外光出现时，流经传感器4的电流增大，使应答器5内部接口电路9上的电压增大，此时标签被激活，接口电路9通过电压放大器12、滤波器13、A/D转换器14模块对智能标签接口上的电压变化进行数据处理，并将处理后的数据传送至无线传输模块，无线传输模块通过调制内部电路，由标签天线将数据传输给系统外部的读卡器8，从而实现紫外线报警功能。

本发明系统始终工作在读卡器的读出范围内，保证紫外光信号探测的连续性。

所述的RFID应答器5的信号传输距离可达10～20m。

所述的纳米紫外传感器4是作为RFID应答器5的电压负载工作的,这是为了适应目前现有的纳米发电机1大电压小电流的特点。

所述的RFID应答器5（智能标签）采用半有源式供电，即由系统的供能单元为应答器内部各电路提供待机状态下的能量能耗；当紫外光出现时，系统进入工作模式，RFID应答器5内部电路所需的能量一部分来自于系统的供电单元，即自发电模块，另一部分来自于标签与读卡器电磁场之间的电磁耦合获得的能量。

本发明中各个部分都是制作在柔性衬底上的，其中纳米发电机1是制作在PS衬底上的，纳米超级电容器3和纳米紫外传感器4是制作在碳纤维衬底上的，RFID应答器5的标签天线制作在柔性电路板（FPC）上，实现系统一体化受压，提高了系统的可靠性。

Claims

1.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一体化集成到柔性衬底上，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：

所述的智能标签就是RFID应答器。

2.根据权利要求1所述的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，其特征在于，所述的接口电路为集成的芯片，其内部结构为电压放大器、滤波器、A/D转换器模块顺次连接，电压放大器的另一端与纳米紫外传感器和纳米超级电容器连接，A/D转换器的另一端与无线传输模块连接。

3.根据权利要求1所述的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，其特征在于，所述的纳米紫外传感器是带应答器的传感器，即RFID传感器，RFID传感器的功能是将探测信号以应答的工作方式传输给系统外部的读卡器，RFID应答器的供电方式为半有源式，部分能量由系统本身的供电单元提供，部分能量由标签从读卡器的电磁场中获得。

4.根据权利要求1所述的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，其特征在于，所述的RFID应答器的信号传输距离可达10～20m。

5.根据权利要求1所述的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，其特征在于，所述的纳米紫外传感器是作为RFID应答器的电压负载，以适应目前现有纳米发电机的大电压小电流的特点。

6.根据权利要求1所述的智能应答式无线传输的自驱动纳米紫外探测系统，其特征在于，所述的应答器的标签天线制作在柔性电路板（FPC）上，实现系统一体化受压。