CN110045001A - 基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器及制备方法，转子利用外部机械转动驱动机构实现转动，转子的机械转动实现电荷产生，与定子之间的相对运动使得数字静电计探测到周期性的电压信号。在该周期性的电压信号基础上，定子的气敏薄膜在紫外光照射时接触到不同浓度的气体后其表面束缚电荷随着浓度发生相应的变化，该电荷变化将在周期性的电压信号的基础上进行改变，得到根据气体浓度进行变化的一个电压信号，进而得到气体浓度数据。本发明传感器结构新颖、成本低廉、工艺简单，在工业生产线与外太空探索中紫外光能无穷无尽的情况下，可以无需供能通过输出电信号的变化来反应目标气体浓度。

Description

基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器及制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械技术和传感技术领域，具体涉及基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体成分分析技术在环境检测、工农业生产与外太空探索等领域具有十分重要的指导意义。其中挥发性有机化合物(VOC)在环境中浓度小但毒性大，长期处于这种环境中将对人的身体健康产生不利的影响。与此同时，部分VOC气体是生命体代谢标记型产物，在外太空中检测到相应的物质可以为外界生命体的存在提供一定的证据。因此迫切需要一种针对痕量VOC气体的检测方法。

目前检测VOC气体的方法主要有气相色谱法，光声激光光谱法与传感器检测法。气相色谱法的原理是通过不同气体在固定相中流速不同而发生分离，对分离的气体进行检测；光声激光光谱法通过一束强度可调的单色光照射测试腔中的气体，气体吸收光能并激发，以扩散热能的形式释放。周期性的照射将使扩散波传递导致介质产生周期性压力波动，通过检测这种压力波动来感知气体性状。尽管上述两种方法的精度很高，然而仪器设施过于笨重庞大，价格昂贵限制了它们的应用。传感器检测法基于目标气体与气敏材料发生反应，以改变气敏材料的物理特性(如重量、电学性能、光学性能等)。这类传感器具有价格低廉、可集成阵列化等优点，但是常见的金属氧化物基气体传感器需在高温环境下工作，严重制约了其在室温条件工作的应用。近年来，研究者们开展了基于光增强型的金属氧化物气敏材料的相关研究，通过合适波长的光激发气敏材料生成额外的光生载流子，使其相比于无光激发的情况具有更容易与目标气体结合的能力。这种方法具有室温工作，材料易得，价格低廉等诸多优势，是未来气体传感器研究开发的一个重要的方向。

目前的传感器普遍需要外加能源(电池或电源)供给能量，而在工业生产线内部与外太空等危险且出入困难的环境中，频繁更换电池是一种不明智的做法。因此通过自供能技术将环境中的能量转化为电能，是解决上述问题的一种理想方案。同时，通过合适的滤光片可以从工业生产线内部的紫外灭菌灯与外太空中的太阳能中得到相应波长的紫外光，从而为光增强性气体传感器提供激励源。如果将自供能技术与光增强型气体传感器技术相结合形成一种一体化自供能气体传感器，就可以不需要额外的供能系统直接测得环境中目标气体的浓度，这类传感器具有广大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前传统的VOC检测方法价格昂贵、需要供能且难以检测，在工业生产线内部与外太空等危险且出入困难的环境中使用不便的问题，提出了一种基于摩擦纳米发电机紫外一体化气体传感器及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，包括腔体，设置在腔体内部的定子、转子，数字静电计，驱动机构，紫外光产生部，设置在腔体上的气体进出口；

所述定子包括电极层和设置在电极层上的气敏薄膜；所述转子包括摩擦薄膜；气敏薄膜和摩擦薄膜隔空相对设置；摩擦薄膜为多个呈中心轴对称均匀间隔设置的叶片，气敏薄膜和摩擦薄膜的摩擦电性相反，且二者的中心轴在同一直线上，摩擦薄膜在转动过程中与气敏薄膜的相对面积大小呈周期性变化；

所述数字静电计与电极层的电极连接，对电极层电极的电荷变化产生的电压信号进行测量；驱动机构用于带动摩擦薄膜转动；紫外光产生部为设置在腔体上的紫外光源或者为设置在腔体上的特定紫外波长的光学窗口。

进一步，所述电极层采用以下两种方式中的任意一种：

A.电极层包括依次设置第一基板、第一电极，气敏薄膜设置在第一电极上，第一基板设置在腔体内壁表面，且气敏薄膜与金属电极带的形状相同，数字静电计的正极与第一电极相连，负极接地。

B.电极层包括依次设置的第一基板、第一电极、第一绝缘层、第二基板和第二电极，第一基板设置在腔体内壁表面，气敏薄膜设置在第二电极上并与第二电极形状相同，所述第一电极、第二电极分别与数字静电计的正负极相连。

进一步，所述腔体表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，所述金属为铝、镍、铜、银、金中的一种。

进一步，所述摩擦薄膜与气敏薄膜的间隙小于2mm。

进一步，所述电极层中的电极由基板表面形成一层金属薄膜制成，所述金属为铝、镍、铜、银、金中的一种，所述基板采用有机薄膜基板制成。

进一步，所述气敏薄膜由特定紫外光波长激发的元素掺杂型金属氧化物和石墨烯中的一种或多种混合制成。

进一步，所述摩擦薄膜由尼龙、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯以及聚酰亚胺中的一种制成。

进一步，所述紫外光源设置有多个，沿定子形状分布且并联，采用斜入射的方式对气敏薄膜进行照射。

基于上述基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器的制备方法，所述方法包括：

切割预处理：切割得到定子和转子所需材料，对切割得到的材料和准备的摩擦薄膜进行清洗干燥预处理；

制作定子：将定子中各层材料通过AB胶依次粘接，其中采用热蒸发法蒸镀形成电极层的金属电极或采用粘接金属带的方式形成电极层的金属电极，并采用旋涂工艺在电极层表面制备气敏薄膜；

制作转子：在第二绝缘层一侧表面通过AB胶固定粘接摩擦薄膜；

固定定子和转子：将所制得定子部分的第一基板粘接于腔体的内侧壁上，定子和转子相对隔空设置且其中心轴在同一直线上，将转子的第二绝缘层另一侧通过转轴悬空固定在腔体的内侧壁上；

紫外光源设置：在腔体内部设置对气敏薄膜进行照射的紫外光源或腔体上设置的供紫外光照射气敏薄膜的开口，紫外光源连接直流稳压电源供能；

外部连接部分：将转轴穿出腔体并与机械转动驱动机构相连，将引线与电极层的金属电极连接，引线的另一端与数字静电计相连接。

进一步，所述腔体表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，所述紫外光源设置有多个，沿定子形状分布且并联，采用斜入射的方式对气敏薄膜进行照射。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，传感器的转子利用风能驱动，或者在特殊场合应用，比如工厂中流水线，传输带等机械转动驱动机构就可以实现转动，转子的机械转动实现电荷产生，与定子之间的相对运动使得数字静电计探测到周期性的电压信号。在该周期性的电压信号基础上，定子的气敏薄膜在紫外光照射时接触到不同浓度的气体后其表面束缚电荷随着浓度发生相应的变化，该电荷变化将在周期性的电压信号的基础上进行改变，得到根据气体浓度进行变化的一个电压信号，进而得到气体浓度数据。本发明传感器结构新颖、成本低廉、工艺简单，在工业生产线与外太空探索中紫外光能无穷无尽的情况下，可以无需供能通过输出电信号的变化来反应目标气体浓度。

2、本发明中，腔体表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，可以遮光并增强本发明传感器器件的静电屏蔽效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例1中气体传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例1中气体传感器的发电原理图；

图3是本发明实施例1中气体传感器的气敏机理图；

图4是本发明实施例1中气体传感器在目光、黑暗、365nm紫外光环境下的输出特性图；

图5是本发明实施例1中气体传感器在365nm紫外光环境下的丙酮气敏性能图；

图6是本发明实施例1中气体传感器在黑暗环境下的丙酮气敏性能图；

图7是本发明实施例1中气体传感器在365nm紫外光环境下对10ppm丙酮的响应图；

图8是本发明实施例2中气体传感器的结构示意图；

图9是本发明实施例3中气体传感器的结构示意图；

图中标记：1-腔体，2-第一基板，3-第一电极，4-第一绝缘层，5-第二基板，6-第二电极，7-气敏薄膜，8-紫外光源，9-摩擦薄膜，10-第二绝缘层，11-转轴；12-机械转动驱动机构；13-数字静电计，14-电极层，142-绝缘层，147-金属电极带。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

需要说明的是：本发明的定子代表固定部，转子代表转动部。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，如图1所示，包括腔体1，所述腔体1内在内侧壁上设置有定子和转子，定子和转子相对设置且其中心轴在同一直线上。驱动机构可以包括转轴11和与转轴11连接的机械转动驱动机构12，转子通过转轴11固定并驱动其转动，转子连接转轴11的一端，转轴11的另一端穿出腔体1的内侧壁，定子固定安装在腔体1内侧壁上，这里转轴11可以采用螺纹杆。

定子包括固定安装在腔体1内侧壁上依次设置的电极层14和气敏薄膜7，气敏薄膜7设置在电极层14中的电极上，气敏薄膜7形状和与其接触的电极形状相同。

转子包括一侧中央固定在转轴11一端的第二绝缘层10和设置在第二绝缘层10另一侧表面的摩擦薄膜9，摩擦薄膜9正视图摩擦薄膜9为多个呈中心轴对称均匀间隔设置的叶片，可以采用扇叶形图案，图案中扇叶间的间距相等且间距大于扇叶宽度，本实施例采用扇叶形图案，叶片呈环状均匀设置为三个。气敏薄膜7摩擦薄膜9隔空正对设置，且相对面积与扇叶大小相同，摩擦薄膜9与气敏薄膜7的摩擦电性相反。上述第二绝缘层10的作用是供摩擦薄膜9附着在其表面，方便摩擦薄膜9的设置。气敏薄膜7和摩擦薄膜9隔空相对设置；

所述摩擦薄膜9与气敏薄膜7的间隙小于2mm，转子转动令摩擦薄膜9与气敏薄膜7的相对面积大小为周期性变化，腔体1上设置有供气体进出的进、出气口，传感器还包括腔体1内部设置的对气敏薄膜7进行照射的紫外光源8或腔体1上设置的供气敏薄膜7材料对应波长的紫外光照射气敏薄膜7的特定紫外波长的光学窗口。

还包括腔体1外部的机械转动驱动机构12和数字静电计13，转轴11穿出腔体1内侧壁的一端与机械转动驱动机构12相连，电极层14的电极与数字静电计13连接，数字静电计对电极层中金属电极的电荷变化产生的电压信号进行测量。

所述电极层14采用以下方式：

电极层14包括第一基板2、第一电极3、第一绝缘层4、第二基板5和第二电极6，第一电极3设置在第一基板2表面，气敏薄膜7设置在第二电极6表面，且气敏薄膜7与第二电极6形状相同，所述第一电极3、第二电极6分别与数字静电计13的正负极相连。上述基板的作用是供电极附着在其表面，方便电极的设置。

上述定子与转子都可以通过粘接每一层结构的方式来实现，其中电极都为金属电极，金属电极可以通过粘接金属层的方式也可以通过热蒸发法蒸镀形成电极的方式。定子的第一基板2也可以通过粘接的方式固定在腔体1的内侧壁上。定子可以固定在腔体1的左内侧壁上，转子可以通过转轴11悬空设置在腔体1的右内侧壁上。

转子可以通过转轴连接的机械转动驱动机构12利用风能驱动等其它自然动力驱动，或者在特殊场合应用，比如工厂中流水线，传输带等，通过设置连接部件将转轴11与流水线，传输带等机械转动驱动机构连接就可以实现转动。

为了实现摩擦薄膜9与气敏薄膜7之间的相对面积大小为周期性变化，两者形状要互补以保证同时存在有完全重合与完全不重合的状态，电极之间电荷的交换也为周期性变化。本实施例中令气敏薄膜7为扇叶形图案，摩擦薄膜9为与气敏薄膜7形状相同的扇叶形摩擦薄膜，第二电极6与气敏薄膜7形状相同为扇叶形电极，第一电极3形状可以多种，这里采用圆形电极。对应地与薄膜和电极粘接的层级结构可与其形状对应，以得到形状规则的定子和转子，即第一基板2为圆形基板，第一绝缘层4为圆形绝缘层，第二基板5为扇叶形基板，第二绝缘层10为扇叶形绝缘层，如图1所示，第二基板5、第二电极6、气敏薄膜7、摩擦薄膜9、第二绝缘层10的截面图形状相同，都为扇叶形。扇叶形图案的扇叶形状可以为椭圆形、正四边形、三角形等多种形状，满足令摩擦薄膜9与气敏薄膜7的相对面积大小随着转动而呈周期性变化。

进一步，所述第一基板2和第二基板5由有机薄膜基板制成。

进一步，所述第一电极3由第一基板2表面形成一层金属薄膜制成，同理第二电极6由第二基板5表面一层金属薄膜制成，所述金属为铝、镍、铜、银、金中的一种。

进一步，所述气敏薄膜7由特定紫外光波长激发的元素掺杂型金属氧化物和石墨烯中的一种或多种混合制成。

进一步，所述摩擦薄膜9由尼龙、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯以及聚酰亚胺中的一种制成。

进一步，所述腔体1表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，所述金属为铝、镍、铜、银、金中的一种。

进一步，所述紫外光源8设置有多个，沿定子形状分布且并联，采用斜入射的方式对扇叶形气敏薄膜7进行照射。紫外光源8可为发光波长365nm、功率0.6W的LED。所述数字静电计13可采用Keithley 6514数字静电计。定子产生的电压信号输出经整流稳压电路后可为紫外光源供能。

基于本实施例所述摩擦纳米发电机的紫外增强一体化气体传感器的制备方法，本方法中，采用第一电极3为圆形电极，第二电极6为扇叶形电极，气敏薄膜7为扇叶形气敏薄膜，第一基板2为圆形基板，第一绝缘层4为圆形绝缘层，第二基板5为扇叶形基板，第二绝缘层10为扇叶形绝缘层，腔体1的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板，第一基板2和第二基板5采用聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜制作，摩擦薄膜9为与第二绝缘层10相同形状的扇叶形摩擦薄膜，采用聚四氟乙烯，第一电极3和第二电极6采用铝电极。如图1中所示，框出的第二基板5、第二电极6、气敏薄膜7、摩擦薄膜9、第二绝缘层10的横截面都为扇叶形。

在工业生产线与外太空探索中紫外光能无穷无尽的情况下，传感器只需在腔体1上设置的供紫外光照射扇叶形气敏薄膜7的开口即可，这里在测试实验过程中先采用在腔体1内部设置对扇叶形气敏薄膜7进行照射的紫外光源8，这里在测试实验过程中采用旋转电机代替机械转动驱动机构12。所述方法包括：

(1)：通过激光切割机将聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板切割成相应的腔体1的基板，同时切割扇叶形绝缘层、圆形绝缘层，组装腔体，并在组装时腔体时上留有供气体进入的进气口。

(2)：取一块厚度为250μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜与聚四氟乙烯薄膜经化学试剂丙酮、乙醇等清洗并干燥。

(3)：通过激光切割机将清洗好的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜切割成直径为4cm的圆形基板与直径为3cm的扇叶形基板。

(4)：在(3)中制备的基板上粘贴铝胶带以分别形成圆形电极和扇叶形电极。

(5)：按腔体左壁、圆形基板、圆形电极、圆形绝缘层、扇叶形基板、扇叶形电极的顺序组装定子部分，从电极处引出导线。

(6)：采用溶胶-凝胶法制备钠元素掺杂的氧化锌纳米颗粒，将得到的材料通过合适体积的乙醇分散形成分散液。

(7)：在扇叶形电极表面通过多次旋涂(6)制备的分散液以形成扇叶形气敏薄膜。

(8)：将(2)中的聚四氟乙烯切割成与扇叶形基板等大的扇叶形摩擦薄膜，并粘贴在扇叶形绝缘层上，中心插入转轴并靠近腔体右壁以得到转子部分(不贴合)。

(9)：采用并联的方式在测试腔右壁按圆形分布组装紫外光源，调整光源入射角度以确保光源能照射在气敏薄膜表面。

(10)：将转子与定子对齐并组装好腔体，转子与定子部分之间的间隙为2mm。转轴另一侧与旋转电机相连，采用直流稳压电源为紫外光源供能，采用Keithley 6514数字静电计进行输出测试，测试VOC气体采用丙酮。

进一步，所述腔体1表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，所述紫外光源8设置有多个，沿定子形状分布且并联，采用斜入射的方式对气敏薄膜7进行照射。

该摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器的发电原理如图2所示。当转子部分转动的瞬间，附着在转子表面的摩擦材料与空气发生摩擦，摩擦材料带负电荷而附着在摩擦材料表面的空气部分带等量的正电荷(这种情况属于隔空摩擦，可以避免摩擦薄膜与气敏薄膜直接接触摩擦遭到破坏)。由于定子与转子之间的间隙很小，且定子表面的气敏材料具有大的比表面积，因此空气中的可移动的正电荷被气敏材料表面吸附。由于摩擦材料为绝缘材料，因此其表面的摩擦电荷可以维持一段时间。而气敏材料为半导体材料，表面的吸附电荷将很快流向气敏材料背后的金属电极(图2(a))。当转子开始转动时：扇叶形摩擦薄膜与扇叶形电极由于感应面积的周期性变化引起电荷变化。对定子而言，在转子转动过程中，转子与定子之间的相对面积减少导致所需屏蔽转子表面电荷的正电荷数目减少，定子的扇叶形电极多余的表面正电荷将会部分流向定子的圆形电极以维持静电平衡状态，电压逐渐减少(图2(b))；当转子与定子之间的相对面积(即摩擦薄膜9与气敏薄膜7之间的相对面积)为初始的一半时，此时圆形电极与扇叶形电极的正电荷数目相等，电压为0(图2(c))；当相对面积进一步减少时，电压将会反向增大；当转子与定子完全错开时，扇叶形电极的正电荷将全部流向圆形电极，此时电极之间的电压反向最大(图2(d))。同理：当转子重新开始与定子之间产生相对面积时，对定子而言，转子的相对面积增加导致相对摩擦薄膜负电荷数目增加，定子的圆形电极表面正电荷将会部分流向定子的扇叶形电极以维持静电平衡状态(图2(e))。导致反向电压逐渐减小并达到0(图2(f))，然后正向电压逐渐增大。当转子与定子完全重合时，圆形电极的正电荷将全部回到扇叶形电极，此时电极之间的正向电压最大(图2(a))。

该摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器的气敏原理如图3所示。气体传感器处于黑暗环境状态时，气敏材料表面的载流子较少且活性比较低。当气敏材料接触到弱氧化(还原)性气体时，气体很难与材料表面发生载流子的授受关系。导致气敏材料表面的电荷变化很小，因此产生的输出变化很小。

当合适波长的紫外光照射到气敏薄膜表面时，气敏薄膜表面将会产生大量的光生载流子，其具有更高的活性。由于紫外光的持续照射，抑制了光生电子空穴的复合，然而气敏薄膜整体仍然处于不带电的状态，因此单纯的紫外光照并不会影响器件最终的输出(图3(a))。本实施例中的气敏材料为p型半导体材料，当气敏材料接触到丙酮这种还原性气体时，相较于黑暗环境而言，具有更多、更高活性的光生空穴更容易给予气体以形成带正电的离子，这层带正电的离子将对下面的电极产生静电屏蔽效应。而为了屏蔽额外电荷带来的影响，使得电极上由静电感应所形成的正电荷减小，发电机输出的电压信号变小。(图3(b))。显然，随着气体浓度的上升，这种现象会更加明显，最终导致发电机输出的电压信号进一步降低(图3(c))。最终就会形成一个在周期性的电压信号上进行叠加，根据气体浓度进行变化的一个电压信号，进而就可以得到气体浓度数据。

图4为气体传感器在目光、黑暗、365nm紫外光环境下的输出性能图，图5为气体传感器在365nm紫外光环境下的丙酮气敏性能图，图6为是实施例1中气体传感器在黑暗环境下的丙酮气敏性能图，图7为气体传感器在365nm紫外光环境下对10ppm丙酮的响应图。

实施例2

本发明较佳实施例在实施例一的基础上，提供的一种基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，如图8所示，电极层14包括依次设置第一基板2、第一电极3，气敏薄膜7设置在第一电极3上，第一基板2设置在腔体内壁表面，且气敏薄膜7与金属电极带147的形状相同，数字静电计13的正极与第一电极3相连，负极接地。图8中所框出的第一电极3、气敏薄膜7、摩擦薄膜9、第二绝缘层10的横截面都为扇叶形。

本实施例只有一个电极，与实施例1中有两个电极的电荷流动原理相同，只要把地理解为实施例1中的另一个金属电极即可。

实施例3

本发明较佳实施例在实施例一的基础上，提供一种能够应用在工厂车间传送带上的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，所述电极层14可采用以下方式：

电极层14包括设置在腔体1上的绝缘层142和设置在绝缘层142上的金属电极带147，气敏薄膜7设置在金属电极带147上，且气敏薄膜7与金属电极带147的形状相同，数字静电计13的正极与金属电极带147相连，负极接地，如图9所示。绝缘层142用于方便电极的设置。

本实施例只有一个电极，与实施例1中有两个电极的电荷流动原理相同，只要把地理解为实施例1中的另一个金属电极即可。

制备方法为：

(1)：通过激光切割机将聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板切割成相应的腔体1基板。

(2)：通过激光切割机将聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板切割出两个圆柱筒，其中一个圆柱筒的中心掏空作为第二绝缘层10，以便于转轴的插入。

(3)：在实心的圆柱筒一侧的表面粘贴铝胶带以形成金属电极带147，在金属电极带147表面采用喷涂的方法形成气敏薄膜7，实心的圆柱筒作为绝缘层142，得到定子部分(这里直接将实心的圆柱筒与腔体内侧面固定即可，前述的第一基板2主要作用是方便电极层安装，这里可以绝缘层为圆柱筒可以直接安装在腔体1的侧壁上，所以可以把腔体1的基板侧壁当做所述的第一基板2)。

(4)：在空心的圆柱筒表面通过粘贴塑料胶带形成图案，然后将圆柱筒浸泡在聚四氟乙烯溶液中，一段时间后取出并干燥，将塑料胶带撕去得到图案化的聚四氟乙烯薄膜作为摩擦薄膜。然后将转轴插入空心处得到转子部分。

(5)：采用并联的方式在上下腔体1内壁组装紫外光源，调整光源入射角度以确保光源能照射在气敏薄膜表面。

(6)：将转子与定子对齐并组装好测试腔，转子与定子部分之间的间隙为2mm。转轴另一侧与旋转电机相连，采用直流稳压电源为紫外光源供能，采用Keithley 6514数字静电计进行输出测试。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：包括腔体(1)，设置在腔体(1)内部的定子、转子，数字静电计(13)，驱动机构，紫外光产生部，设置在腔体(1)上的气体进出口；

所述定子包括电极层(14)和设置在电极层上的气敏薄膜(7)；所述转子包括摩擦薄膜(9)；气敏薄膜(7)和摩擦薄膜(9)隔空相对设置；摩擦薄膜(9)为多个呈中心轴对称均匀间隔设置的叶片，气敏薄膜(7)和摩擦薄膜(9)的摩擦电性相反，且二者的中心轴在同一直线上，摩擦薄膜(9)在转动过程中与气敏薄膜(7)的相对面积大小呈周期性变化；

所述数字静电计(13)与电极层(14)的电极连接，对电极层(14)电极的电荷变化产生的电压信号进行测量；驱动机构用于带动摩擦薄膜(9)转动；紫外光产生部为设置在腔体(1)上的紫外光源(8)或者为设置在腔体(1)上的特定紫外波长的光学窗口。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述电极层(14)采用以下两种方式中的任意一种：

A.电极层(14)包括依次设置第一基板(2)、第一电极(3)，气敏薄膜(7)设置在第一电极(3)上，第一基板(2)设置在腔体内壁表面，且气敏薄膜(7)与金属电极带(147)的形状相同，数字静电计(13)的正极与第一电极(3)相连，负极接地。

B.电极层(14)包括依次设置的第一基板(2)、第一电极(3)、第一绝缘层(4)、第二基板(5)和第二电极(6)，第一基板(2)设置在腔体内壁表面，气敏薄膜(7)设置在第二电极(6)上并与第二电极(6)形状相同，所述第一电极(3)、第二电极(6)分别与数字静电计(13)的正负极相连。

3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述腔体(1)表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，所述金属为铝、镍、铜、银、金中的一种。

4.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述摩擦薄膜(9)与气敏薄膜(7)的间隙小于2mm。

5.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述电极层(14)中的电极由基板表面形成一层金属薄膜制成，所述金属为铝、镍、铜、银、金中的一种，所述基板采用有机薄膜基板制成。

6.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述气敏薄膜(7)由特定紫外光波长激发的元素掺杂型金属氧化物和石墨烯中的一种或多种混合制成。

7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述摩擦薄膜(9)由尼龙、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯以及聚酰亚胺中的一种制成。

8.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器，其特征在于：所述紫外光源(8)设置有多个，沿定子形状分布且并联，采用斜入射的方式对气敏薄膜(7)进行照射。

9.一种基于上述权利要求1-8任一项所述基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器的制备方法，其特征在于：所述方法包括：

切割预处理：切割得到定子和转子所需材料，对切割得到的材料和准备的摩擦薄膜(9)进行清洗干燥预处理；

制作定子：将定子中各层材料通过AB胶依次粘接，其中采用热蒸发法蒸镀形成电极层(14)的金属电极或采用粘接金属带的方式形成电极层的金属电极，并采用旋涂工艺在电极层(14)表面制备气敏薄膜(7)；

制作转子：在第二绝缘层(10)一侧表面通过AB胶固定粘接摩擦薄膜(9)；

固定定子和转子：将所制得定子部分的第一基板(2)粘接于腔体(1)的内侧壁上，定子和转子相对隔空设置且其中心轴在同一直线上，将转子的第二绝缘层(10)另一侧通过转轴(11)悬空固定在腔体(1)的内侧壁上；

紫外光源设置：在腔体(1)内部设置对气敏薄膜(7)进行照射的紫外光源(8)或腔体(1)上设置的供紫外光照射气敏薄膜(7)的开口，紫外光源(8)连接直流稳压电源供能；

外部连接部分：将转轴(11)穿出腔体(1)并与机械转动驱动机构(12)相连，将引线与电极层(14)的金属电极连接，引线的另一端与数字静电计(13)相连接。

10.根据权利要求9所述基于摩擦纳米发电机的紫外一体化气体传感器的制备方法，其特征在于：所述腔体(1)表面粘贴有厚度为大于等于1mm的平整的金属薄膜，所述紫外光源(8)设置有多个，沿定子形状分布且并联，采用斜入射的方式对气敏薄膜(7)进行照射。