CN104730108B - 基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置 - Google Patents
基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104730108B CN104730108B CN201310716600.3A CN201310716600A CN104730108B CN 104730108 B CN104730108 B CN 104730108B CN 201310716600 A CN201310716600 A CN 201310716600A CN 104730108 B CN104730108 B CN 104730108B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- zinc oxide
- layer
- frictional layer
- gas sensor
- ammonia gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于氧化锌的氨气传感器。该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述氨气传感器的信号输出端。氧化锌在室温下对于氨气有响应，造成氧化锌表面电荷量的变化，并造成输出电压降低，本发明氨气传感器具有灵敏度高，响应时间短的特点。
Description
技术领域
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
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。
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。
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
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。
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(O2-,O-)。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。
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
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述氨气传感器的信号输出端。
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。
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。
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/mm2。
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0.8-1.2μm。
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。
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。
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。
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。
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；
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)、硅橡胶、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)。
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。
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。
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
前述的任一种氨气传感器，
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
显示模块，与CPU模块连接，以接收数值数据并显示。
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；
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；
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。
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模块和显示模块。
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
图1是本发明带动力模块的氨气传感器的结构示意图。
图2是应用本发明氨气检测装置示意图。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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述氨气传感器的信号输出端。
下面结合图3和图4，详细说明本发明的第一具体实施方式。基于氧化锌的氨气传感器1，包括：第一摩擦层11；设置在所述第一摩擦层的第二侧表面上的氧化锌层12；以及第二摩擦层13。
第一摩擦层11包括层叠设置的第一电极层111和第一高分子聚合物绝缘层112。氧化锌层12设置在第一高分子聚合物绝缘层112的表面上，设置氧化锌层的第一高分子聚合物绝缘层112的侧表面即为第一摩擦层11的第二侧表面。
第一高分子聚合物绝缘层112所用材料可以是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。所述第一电极层111对所用材料没有特殊限制，能够形成导体的材料均在本发明的保护范围之内，例如可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
第二摩擦层13为第二电极层，其第二侧表面相对第一高分子聚合物绝缘层112，也就是第一摩擦层11的第二侧表面设置。第二电极层所用材料是金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。第一电极层和所述第二电极层形成本实施方式氨气传感器的信号输出端。
将压力作用在第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面，所述第一摩擦层11的第二侧表面以及设置在其上的氧化锌层12与第二摩擦层13的第二侧表面之间形成摩擦界面。也就是说，未设置氧化锌的第一高分子聚合物绝缘层112表面区域与第二电极层13之间，以及氧化锌与第二电极层13之间均形成摩擦界面，第一高分子聚合物绝缘层112与第二电极层13表面相互摩擦，以及氧化锌与第二电极层13相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层111与第二电极层13之间出现电势差。当撤消压力作用，第一高分子聚合物绝缘层112与第二电极层13恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层111与第二电极层13之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层111与第二电极层13之间将再次产生反向的电势差。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
本发明该实施方式将氧化锌设置在第一高分子聚合物绝缘层112的表面上。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(O2-,O-)。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高分子聚合物绝缘层表面后，第一高分子聚合物绝缘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。
本发明在第一高分子聚合物绝缘层112的表面上设置氧化锌层12的方法可以是固相法，也可以是水热合成法或微波加热法。
具体的，首先说明一下固相法。将氧化锌纳米颗粒与乙醇及乙二醇胺以适当重量比(例如4：1：4)分散均匀，制作成氧化锌浆料，以匀胶机涂布在第一摩擦层11的第二侧表面(第一高分子聚合物绝缘层112)上，例如按照速度1000rpm下旋转60秒进行涂布。然后烘干，得到第一摩擦层11-氧化锌层12层叠体。氧化锌颗粒的平均体积粒径为150-300nm，分布量为0.15-0.25mg/mm2。
下面介绍一下水热合成法或微波加热法，即在含氢氧源的锌盐溶液中生长氧化锌纳米线。具体的所述含氢氧源的锌盐溶液包括醋酸锌、硝酸锌或草酸锌的水溶液；所用氢氧源包括氢氧化钠、氨水、碳酸铵、或六亚甲基四胺。将锌盐加入到装有去离子水的容器(封口瓶或水热釜)中，锌盐的浓度为5～50mM(毫摩尔每升)。待锌盐溶解后再加入氢氧源(如滴入氨水)混合均匀，然后在80-100℃下(例如利用烘箱)，将第一摩擦层11置于含氢氧源的锌盐溶液中，使氧化锌纳米线生长2-12小时，得到第一摩擦层11-氧化锌层12层叠体。纳米氧化锌线直径为150-200nm，长度为0.8-1.2μm。
该具体实施方式氨气传感器进一步包括动力模块2，用以将压力作用在第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面，并在第一摩擦层11的第二侧表面和/或第二摩擦层13的第二侧表面接触摩擦后撤消压力。
具体的，如图1所示，该动力模块2包括程序控制的活塞柱21，该活塞柱21可活动的设置在活塞架22的孔内。活塞柱21一端连接第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面。程序控制驱动活塞柱21向下运动，将压力作用在第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面，第一摩擦层11的第二侧表面以及设置在其上的氧化锌层与第二摩擦层13的第二侧表面之间形成摩擦界面。也就是说，在第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二电极层13之间形成摩擦界面。在第一摩擦层11的第二侧表面和/或第二摩擦层13的第二侧表面接触摩擦后，程序控制驱动活塞柱21向上运动撤消压力。从而使得摩擦界面反复摩擦和恢复，产生交流电信号。
第一电极层和第二电极层形成本实施方式氨气传感器的信号输出端。如图2所示，该信号输出端依次连接常规CPU模块3和显示模块4，可以将环境中的氨气浓度显示出来。动力模块2，CPU模块3和显示模块4均可以通过常规电源模块5和开关模块6控制。
CPU模块3通常包括信号处理模块31和数据处理模块32，信号处理模块31接受并处理氨气传感器1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32，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4，从而可以得到环境中的氨气浓度为多少并且是否符合要求。
本发明氨气传感器的摩擦界面可以不仅仅是形成于高分子聚合物绝缘层与导体电极层之间，也可以是形成于高分子聚合物绝缘层之间。下面结合图5和图6，详细说明本发明的第二具体实施方式。基于氧化锌的氨气传感器1，包括：第一摩擦层11；设置在所述第一摩擦层的第二侧表面上的氧化锌层12；以及第二摩擦层13。
第一摩擦层11包括层叠设置的第一电极层111和第一高分子聚合物绝缘层112。氧化锌层12设置在第一高分子聚合物绝缘层112的表面上，设置氧化锌层的第一高分子聚合物绝缘层112的侧表面即为第一摩擦层11的第二侧表面。
第二摩擦层13包括层叠设置的第二电极层131和第二高分子聚合物绝缘层132。第二高分子聚合物绝缘层132相对第一高分子聚合物绝缘层112设置，第一电极层111和所述第二电极层131形成氨气传感器的信号输出端。第二电极层131侧的表面为第二摩擦层13的第一侧表面，第二高分子聚合物绝缘层132侧的表面为第二摩擦层13的第二侧表面。
该实施方式中，第一电极层111和第二电极层131对所用材料没有特殊限制，能够形成导体的材料均在本发明的保护范围之内，例如可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
该实施方式中，第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二高分子聚合物绝缘层132形成摩擦界面进行摩擦，所述第一高分子聚合物绝缘层112呈电负性，第二高分子聚合物绝缘层132呈电正性。氧化锌的表面趋向带负电，从而本实施方式中氧化锌层12适合于设置在呈电负性的第一高分子聚合物绝缘层112表面。
该实施方式中，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。
该实施方式中，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)、硅橡胶、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)。
将压力作用在第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面，所述第一摩擦层11的第二侧表面以及设置在其上的氧化锌层与第二摩擦层13的第二侧表面之间形成摩擦界面。也就是说，在第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二高分子聚合物绝缘层132之间形成摩擦界面，第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二高分子聚合物绝缘层132相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层111与第二电极层131之间出现电势差。当撤消压力作用，第一高分子聚合物绝缘层112与第二高分子聚合物绝缘层132恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层111与第二电极层131之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层111与第二电极层131之间将再次产生反向的电势差。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
本发明该实施方式将氧化锌设置在第一高分子聚合物绝缘层112的表面上。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(O2-,O-)。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高分子聚合物绝缘层表面后，第一高分子聚合物绝缘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未设置氧化锌的第一摩擦层区域与第二摩擦层之间的摩擦。
该实施方式在第一高分子聚合物绝缘层112的表面上设置氧化锌层12的方法可以是固相法，也可以是水热合成法或微波加热法。具体的方法已经在上文中批露，这里不再赘述。
该具体实施方式氨气传感器也可以进一步包括动力模块2，用以将压力作用在第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面，并在第一摩擦层11的第二侧表面和/或第二摩擦层13的第二侧表面接触摩擦后撤消压力。其具体结构也可以如图1所示。该动力模块2包括程序控制的活塞柱21，该活塞柱21可活动的设置在活塞架22的孔内。活塞柱21一端连接第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面。程序控制驱动活塞柱21向下运动，将压力作用在第一摩擦层11的第一侧表面和/或第二摩擦层13的第一侧表面，第一摩擦层11的第二侧表面以及设置在其上的氧化锌层与第二摩擦层13的第二侧表面之间形成摩擦界面。也就是说，在第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二高分子聚合物绝缘层132之间形成摩擦界面。在第一摩擦层11的第二侧表面和/或第二摩擦层13的第二侧表面接触摩擦后，程序控制驱动活塞柱21向上运动撤消压力。从而使得摩擦界面反复摩擦和恢复，产生交流电信号。
第一电极层和第二电极层形成本实施方式氨气传感器的信号输出端。如图2所示，该信号输出端依次连接常规CPU模块3和显示模块4，可以将环境中的氨气浓度显示出来。动力模块2，CPU模块3和显示模块4均可以通过常规电源模块5和开关模块6控制。
CPU模块3通常包括信号处理模块31和数据处理模块32，信号处理模块31接受并处理氨气传感器1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32，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4，从而可以得到环境中的氨气浓度为多少并且是否符合要求。
下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。
实施例1
本实施例所得氨气传感器尺寸为2.5cm×2.5cm。如图3和图4所示，第一摩擦层11包括层叠设置的第一电极层111和第一高分子聚合物绝缘层112，第一高分子聚合物绝缘层为聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为0.12mm。第一电极层111为铜箔，厚度为0.18mm。第一电极层111粘贴在第一高分子聚合物绝缘层112一侧表面形成层叠体。层叠体的第一电极层111侧的表面为第一摩擦层11的第一侧表面，层叠体的第一高分子聚合物绝缘层112侧的表面为第一摩擦层11的第二侧表面。
采用固相法，将氧化锌层12设置在第一高分子聚合物绝缘层112表面上。将氧化锌颗粒(平均体积粒径为约200nm)与乙醇及乙二醇以4:1:4的重量比用研钵分散均匀，然后以常规匀胶机在旋转速度1000rpm下旋转60秒涂布在第一高分子聚合物绝缘层112表面上(涂布量为约0.1g，根据(ZnO/PET厚度-PET厚度)×面积×密度)，烘干，得到一侧表面带有氧化锌层12的第一摩擦层11。
选用铝箔(厚度0.06mm)作为第二摩擦层13(第二电极层)。铝箔朝向第一高分子聚合物绝缘层112的表面为第二摩擦层13的第二侧表面，另外一面为第二摩擦层13的第一侧表面。
如图1所示，动力模块2包括程序控制的活塞柱21，该活塞柱21可活动的设置在活塞架22的孔内。活塞柱21一端连接第一摩擦层11的第一侧表面。程序可以驱动活塞柱21向下或向上运动。第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二摩擦层13(第二电极层)之间形成摩擦界面。
第一电极层和第二电极层外接导线后以示波器量测电压输出。环境中没有氨气的情况下，平均电压输出为10V。在密闭环境中，将100μl的氨水滴在80℃的加热板上，待30秒氨气产生完全后，平均电压输出约为3V。然后，以空气吹散密闭环境里氨气后，平均输出电压回到初始值。由此可见，氧化锌在室温下对于氨气有响应，而造成输出电压减小，从而检测到环境中的氨气浓度。100μl氨水产生的氨气，使得该实施例氨气传感器电压输出由10V降低到3V，响应灵敏，氨气与氨气传感器平衡1分钟之后，即可测试出输出电压。
实施例2
本实施例所得氨气传感器尺寸为2.5cm×2.5cm。如图3和4所示，第一摩擦层11包括层叠设置的第一电极层111和第一高分子聚合物绝缘层112，第一高分子聚合物绝缘层为聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为0.12mm。
采用水热法，将氧化锌层12设置在第一高分子聚合物绝缘层112表面上。先在聚对苯二甲酸乙二醇酯的一侧表面上以离子溅射沉积金薄膜层约50-70nm，再将有金沉积的聚对苯二甲酸乙二醇酯放入含锌溶液的封口瓶里。封口瓶的体积是250ml。其中含锌溶液的配方为将0.238g的硝酸锌六水合物溶于40ml的去离子水中，再加入1ml的氨水。氧化锌纳米线成长的温度为90℃，时间5小时。待ZnO氧化锌纳米线成长完成后，聚对苯二甲酸乙二醇酯以酒精和去离子水洗净后，至于90℃的烘箱进行退火1小时。所得氧化锌纳米线构成氧化锌层12，得到氧化锌层12-第一高分子聚合物绝缘层112层叠体。
第一电极层111为铜箔，厚度为0.18mm。第一电极层111粘贴在第一高分子聚合物绝缘层112未生长氧化锌纳米线一侧表面形成层叠体。层叠体的第一电极层111侧的表面为第一摩擦层11的第一侧表面，层叠体的第一高分子聚合物绝缘层112侧的表面为第一摩擦层11的第二侧表面。
选用铝箔(厚度0.06mm)作为第二摩擦层13(第二电极层)。铝箔朝向第一高分子聚合物绝缘层112的表面为第二摩擦层13的第二侧表面，另外一面为第二摩擦层13的第一侧表面。
如图1所示，动力模块2包括程序控制的活塞柱21，该活塞柱21可活动的设置在活塞架22的孔内。活塞柱21一端连接第一摩擦层11的第一侧表面。程序可以驱动活塞柱21向下或向上运动。第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二摩擦层13(第二电极层)之间形成摩擦界面。
第一电极层和第二电极层外接导线后以示波器量测电压输出。环境中没有氨气的情况下，平均电压输出为700mV。在密闭环境中，将100μl的氨水滴在80℃的加热板上，待30秒氨气产生完全后，平均电压输出约为200mV。然后，以空气吹散密闭环境里氨气后，平均输出电压回到初始值。由此可见，氧化锌在室温下对于氨气有响应，而造成输出电压减小，从而检测到环境中的氨气浓度。100μl氨水产生的氨气，使得该实施例氨气传感器电压输出由700mV降低到200mV，响应灵敏，氨气与氨气传感器平衡1分钟之后，即可测试出输出电压。
实施例3
本实施例所得氨气传感器尺寸为2.5cm×2.5cm。如图5和图6所示，第一摩擦层11包括层叠设置的第一电极层111和第一高分子聚合物绝缘层112，第一高分子聚合物绝缘层为聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为0.12mm。
采用水热法，将氧化锌层12设置在第一高分子聚合物绝缘层112表面上。先在聚对苯二甲酸乙二醇酯的一侧表面上以离子溅射沉积金薄膜层约50-70nm，再将有金沉积的聚对苯二甲酸乙二醇酯放入含锌溶液的封口瓶里。封口瓶的体积是250ml。其中含锌溶液的配方为将0.238g的硝酸锌六水合物溶于40ml的去离子水中，再加入1ml的氨水。氧化锌纳米线成长的温度为90℃，时间5小时。待ZnO氧化锌纳米线成长完成后，聚对苯二甲酸乙二醇酯以酒精和去离子水洗净后，至于90℃的烘箱进行退火1小时。所得氧化锌纳米线构成氧化锌层12，得到氧化锌层12-第一高分子聚合物绝缘层112层叠体。
第一电极层111为铜箔，厚度为0.18mm。第一电极层111粘贴在第一高分子聚合物绝缘层112未生长氧化锌纳米线一侧表面形成层叠体。层叠体的第一电极层111侧的表面为第一摩擦层11的第一侧表面，层叠体的第一高分子聚合物绝缘层112侧的表面为第一摩擦层11的第二侧表面。
第二摩擦层13包括层叠设置的第二电极层131和第二高分子聚合物绝缘层132。选用铝箔(厚度0.06mm)作为第二电极层131，选用聚偏氟乙烯(厚度0.14mm)作为第二高分子聚合物绝缘层132，第二电极层131粘贴在第二高分子聚合物绝缘层132的一侧表面。第二高分子聚合物绝缘层132朝向第一高分子聚合物绝缘层112的表面为第二摩擦层13的第二侧表面，第二电极层131侧的表面为第二摩擦层13的第一侧表面。
如图1所示，动力模块2包括程序控制的活塞柱21，该活塞柱21可活动的设置在活塞架22的孔内。活塞柱21一端连接第一摩擦层11的第一侧表面。程序可以驱动活塞柱21向下或向上运动。第一高分子聚合物绝缘层112以及设置在其上的氧化锌层与第二高分子聚合物绝缘层132之间形成摩擦界面。
第一电极层和第二电极层外接导线后以示波器量测电压输出。环境中没有氨气的情况下，平均电压输出为5V。在密闭环境中，分别将4μl，14μl与100μl的氨水滴在80℃的加热板上，待30秒氨气产生完全后，平均电压输出分别约为4.2V，2.3V和0.8V。然后，以空气吹散密闭环境里氨气后，平均输出电压回到初始值。图7所示是该实施例氨水体积与电压的关系图。在密闭环境中，氨水体积越高，密闭环境中氨气浓度越高。从图7可以看出，本发明氨气传感器对低浓度氨气响应灵敏，氨水20μl以下产生的氨气浓度，使得氨气传感器输出电压线性降低，电压由5V降低到2.3V。
Claims (15)
1.一种基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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在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述氨气传感器的信号输出端；
其中，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；
其中，所述氧化锌层为氧化锌颗粒层；
其中，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/mm2。
2.根据权利要求1所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
4.根据权利要求2或3所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
5.根据权利要求2所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
6.根据权利要求5所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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，所述第二高分子聚合物绝缘层相对于第一高分子聚合物绝缘层在摩擦序列中呈电正性。
7.根据权利要求5或6所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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、聚酰亚胺和苯胺甲醛树脂；所述第二高分子聚合物绝缘层所用材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯、尼龙、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、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、热塑性硫化橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、三元乙丙橡胶。
8.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
9.根据权利要求4所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
10.根据权利要求7所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
11.根据权利要求8所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
12.根据权利要求9或10所述的基于氧化锌的氨气传感器，其特征在于，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。
13.一种氨气检测装置，其特征在于，包括
权利要求1-12任一项所述的基于氧化锌的氨气传感器，
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
显示模块，与CPU模块连接，以接收数值数据并显示。
14.根据权利要求13所述的氨气检测装置，其特征在于，所述CPU模块包括信号处理模块和数据处理模块；
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；
所述数据处理模块将得到的数据与库存阈值相比较，并将比较结果与氨气浓度传输到显示模块。
15.根据权利要求13或14所述的氨气检测装置，其特征在于，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模块和显示模块。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310716600.3A CN104730108B (zh) | 2013-12-20 | 2013-12-20 | 基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310716600.3A CN104730108B (zh) | 2013-12-20 | 2013-12-20 | 基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104730108A CN104730108A (zh) | 2015-06-24 |
| CN104730108B true CN104730108B (zh) | 2018-03-23 |
Family
ID=53454207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310716600.3A Active CN104730108B (zh) | 2013-12-20 | 2013-12-20 | 基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104730108B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110868098B (zh) * | 2019-11-28 | 2020-10-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机及其制备方法和应用 |
| CN118130567B (zh) * | 2024-05-07 | 2024-07-30 | 中国石油大学(华东) | 原位自供电氨气监测报警系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103308560A (zh) * | 2013-06-04 | 2013-09-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种室温检测nh3的气体传感器的制作方法 |
| CN103364460A (zh) * | 2013-02-05 | 2013-10-23 | 国家纳米科学中心 | 一种基于摩擦纳米发电机的分子传感器 |
| CN103364444A (zh) * | 2013-03-25 | 2013-10-23 | 国家纳米科学中心 | 利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机进行气体探测的方法 |
| CN103389325A (zh) * | 2013-07-26 | 2013-11-13 | 北京大学 | 一种基于纳米摩擦发电机的主动式可视化湿度检测系统 |
| CN203772779U (zh) * | 2013-12-20 | 2014-08-13 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 基于氧化锌的氨气传感器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7074319B2 (en) * | 2002-12-11 | 2006-07-11 | Delphi Technologies, Inc. | Ammonia gas sensors |
| DE102006013698A1 (de) * | 2006-03-24 | 2007-09-27 | Robert Bosch Gmbh | Gassensor |
| DE102006025249A1 (de) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Eads Deutschland Gmbh | Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines MOX-Gas-Sensors |
-
2013
- 2013-12-20 CN CN201310716600.3A patent/CN104730108B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103364460A (zh) * | 2013-02-05 | 2013-10-23 | 国家纳米科学中心 | 一种基于摩擦纳米发电机的分子传感器 |
| CN103364444A (zh) * | 2013-03-25 | 2013-10-23 | 国家纳米科学中心 | 利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机进行气体探测的方法 |
| CN103308560A (zh) * | 2013-06-04 | 2013-09-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种室温检测nh3的气体传感器的制作方法 |
| CN103389325A (zh) * | 2013-07-26 | 2013-11-13 | 北京大学 | 一种基于纳米摩擦发电机的主动式可视化湿度检测系统 |
| CN203772779U (zh) * | 2013-12-20 | 2014-08-13 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 基于氧化锌的氨气传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104730108A (zh) | 2015-06-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sohan et al. | Review on MXene synthesis, properties, and recent research exploring electrode architecture for supercapacitor applications | |
| Huynh et al. | Advanced materials for use in soft self‐healing devices | |
| Zhao et al. | Vertically aligned MoS2/ZnO nanowires nanostructures with highly enhanced NO2 sensing activities | |
| Biswas et al. | Comparative study on gas sensing by a Schottky diode electrode prepared with graphene–semiconductor–polymer nanocomposites | |
| Obodo et al. | Transformation of GO to rGO due to 8.0 MeV carbon (C++) ions irradiation and characteristics performance on MnO2–NiO–ZnO@ GO electrode | |
| Deka et al. | Triboelectric nanogenerator-integrated structural supercapacitor with in situ MXene-dispersed N-doped Zn–Cu selenide nanostructured woven carbon fiber for energy harvesting and storage | |
| Sun et al. | Enhanced photoelectrochemical cathodic protection performance of the C3N4@ In2O3 nanocomposite with quasi-shell–core structure under visible light | |
| Ahmed et al. | Design and tailoring the optical and electronic characteristics of silicon doped PS/SnS2 new composites for nano-semiconductors devices | |
| CN105186004B (zh) | 一种锂离子电池负极用铜集流体及其制备方法和应用 | |
| KR101878350B1 (ko) | 나노 압전 발전 소자 및 그 제조방법 | |
| WO2016080910A1 (en) | A composite material and method of preparation thereof | |
| CN203772779U (zh) | 基于氧化锌的氨气传感器 | |
| CN104730108B (zh) | 基于氧化锌的氨气传感器及氨气检测装置 | |
| Ustad et al. | Recent progress in energy, environment, and electronic applications of MXene nanomaterials | |
| Peckerar et al. | A novel high energy density flexible galvanic cell | |
| Gogoi et al. | Performance improvement of organic resistive memories by exploiting synergistic layered nanohybrid dispersed polymer composites | |
| Zhang et al. | ZnO Nanocrystals as anode electrodes for lithium‐ion batteries | |
| Mohan et al. | An efficient electrochemical performance of Fe2O3/CNT nanocomposite coated dried Lagenaria siceraria shell electrode for electrochemical capacitor | |
| Adimule et al. | A facile synthesis of gadolinium titanate (GdTiO3) nanomaterial and its effect in enhanced current-voltage characteristics of thin films | |
| Yu et al. | Conductive hydrogels with 2D/2D β-NiS/Ti3C2Tx heterostructure for high-performance supercapacitor electrode materials | |
| WO2020121799A1 (ja) | 熱電池 | |
| Husain et al. | Preparation and applications of polythiophene nanocomposites | |
| Sasikumar et al. | Lead-free bimetallic oxide loaded on reduced graphene oxide‒poly (dopamine) hybrid nanocomposite with enhanced crystallinity and piezoelectric performance | |
| Gui et al. | Self-driven sensing of acetylene powered by a triboelectric-electromagnetic hybrid generator | |
| Jiao et al. | Novel flexible friction layer constructed from ZnO in situ grown on ZnSnO3 nanocubes toward significantly enhancing output performances of a triboelectric nanogenerator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |