自供能一体化NO2气体传感器的制备及研究

摘要

如今环境问题、能源问题正日益严重地成为全人类面临的重要难题。为解决环境中有害气体污染问题，研究有害气体检测的气体传感器技术是一条重要途径，而能无需外部供能、成本低、高灵敏、无污染的自供能传感器的研究便十分具有现实意义。本文制备了两种可自主供能、成本低廉、体积小重量轻、柔性、一体化、绿色环保的自供能NO2气体传感器。主要内容如下： 结合有限元仿真分析软件Comsol，对纳米摩擦发电机的发电机理、应用于气体传感器领域的气敏响应机理进行了模拟分析，为纳米摩擦发电技术在气体传感器领域的应用阐明了理论基础。 依据收集流动气体的动能的需要，选择了伸缩性良好的乳胶膜材料及与之摩擦电极性差异较大的尼龙材料作为纳米摩擦发电机的摩擦层材料，通过喷涂的工艺在尼龙薄膜上制备气敏薄膜。设计搭建了能模拟气体流动过程，为自供能传感器提供气流动能的测试平台，详述了测试方法。 研究并制备了一种基于肺泡仿生结构的自供能NO2气体传感器，该传感器利用乳胶薄膜在气压的作用下膨胀收缩的特性，采集流动气流的动能产生纳米摩擦发电机接触-分离的过程，从而为传感器气体检测过程供能，实现无源气体检测的目标。通过实验对比四种基于WO3材料的敏感材料，最终选定了碱处理的WO3材料，传感器在测试中表现出良好的气敏性能，当NO2浓度为100ppm时，对应的响应度达到了732%。同时，在五种气体的选择性测试中，传感器对NO2气体的响应高于其它气体65倍以上，表现出良好的选择性。此外，不同温度、湿度条件下，温度、湿度条件的改变对传感器性能的影响较小。在两个月的稳定性测试中，输出-输入特性曲线依旧保持着很好的线性度。 研究并制备了一种非接触式自供能气体传感器，同样选用碱处理的WO3作为传感器的敏感材料。它由一个内侧制备有敏感薄膜的乳胶气球及一个空心镀有铜电极的正方体外壳组成，利用乳胶气球膨胀收缩过程中与铜电极距离的改变感应出交变电势差，以实现自供能气体检测。当NO2浓度为100ppm时，传感器的响应达到340%，且对NO2气体的响应高于其它测试的气体7倍以上，表现出较高的选择性。该传感器在工作过程中气敏薄膜不与摩擦层相接触，在工作过程中产生的损耗较小。在两个月的稳定性测试中，传感器表现出不错的稳定性。

目录

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2气体传感器分类及主要参数

1.2.1 气体传感器分类

1.2.2 气体传感器的主要参数

1.3 NO2气体传感器的研究意义

1.4 自供能技术在气体传感器中的应用及研究现状

1.4.1自供能技术在气体传感器中的应用

1.4.2自供能气体传感器的研究现状

1.5 论文的主要研究内容

第二章 自供能气体传感器的工作原理及材料选择

2.1引言

2.2 常见的纳米摩擦发电机结构及工作机理

2.2.1 摩擦起电效应与静电感应

2.2.2 纳米摩擦发电机的基本结构与工作原理

2.3 纳米摩擦发电机摩擦层材料的选择

2.4 NO2气敏响应机理

2.5.1 测试平台的设计与搭建

2.5.2 配气及测试方法

2.5.3 测试步骤

2.6 本章小结

第三章 基于肺泡仿生式结构自供能NO2传感器的制备与研究

3.1 传感器的结构设计

3.2 传感器的制备流程

3.3 纳米摩擦发电机的性能测试

3.3.1 纳米摩擦发电机的发电原理

3.3.2通气量对纳米摩擦发电机输出性能的影响

3.3.3 呼吸测试实验

3.4 传感器的气敏特性研究

3.4.1 NO2气体传感器的气敏响应模型

3.4.2 NO2气体传感器敏感材料的选择及响应度测试

3.4.3 传感器的选择性测试

3.4.4 传感器的环境稳定性测试

3.4.5 传感器的长期稳定性测试

3.5 本章小结

第四章 非接触式自供能NO2气体传感器的制备与研究

4.1 引言

4.2 传感器的结构设计

4.3 传感器的制备流程

4.4 纳米摩擦发电机的性能测试

4.4.1 最大进气量对纳米摩擦发电机输出性能影响

4.4.2 频率对纳米摩擦发电机输出性能影响

4.4.3 铜电极所在位置对纳米摩擦发电机输出性能的影响

4.5 传感器的气敏性能研究

4.5.1 传感器的响应度

4.5.2 传感器的选择性

4.5.3 传感器的长期稳定性

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果