一種自驅動紫外光與風速傳感集成系統的製作方法
2024-01-24 13:50:15
本發明屬於納米功能器件製備領域，具體涉及一種自驅動紫外光與風速傳感集成系統。
背景技術：
自驅動納米器件具有體積小，性能穩定，能耗低等優勢，被廣泛應用於環境檢測，健康監控等領域,如紫外探測，風探測，體內酶濃度探測，人體溫度探測等。但是單一功能的器件只能探測一種類型的信號，不適應於日益複雜的探測環境，所以多功能探測器件變得十分需要。
紫外探測器在軍事和民用等領域有著非常重要的作用，在民用上，其可用來監測海洋石油汙染，火焰探測等；在軍事上，可用於紫外製導，光通訊等。進年來，由於能源危機，人們越來越關注自驅動的納米器件。自驅動的紫外光探測器主要分位兩大類：一類是基於異質結，一類是構築一種自驅動納米系統。氧化鋅作為一種直接帶隙寬禁帶半導體，禁帶寬度達3.37ev，其激子束縛能達60mev，是一種用於紫外探測的良好材料。基於zno異質結的自驅動紫外光探測器可以分為肖特基型，pn型等。
構築力或運動的傳感器可基於以下機理：壓電效應，壓阻效應和摩擦起電效應。其中基於摩擦起電效應的運動傳感器具有製作成本低，使用壽命長，功率密度高等優勢。基於摩擦起電效應構築的運動傳感器可用於探測人體的脈搏，自然界中的風，環境中的溼度，重離子等。
信號的可視化在傳感器的應用領域起著重要作用。將信號進行可視化可以提高人們對環境中信號的監測效率，人們將信號可視化應用於機器人學，人機界面，觸覺的模擬顯示等。
基於以上研究背景，我們設計構建了一種自驅動可視化紫外光和風的探測系統，該自驅動探測系統能夠實現自驅動的紫外光探測，風速探測，並且能將這兩種信號可視化。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供一種自驅動紫外光與風速傳感集成系統，所述系統在同一個基底上同時製備出兩個自驅動的器件，分別是自驅動紫外光探測器與風速探測器，並將這兩個自驅動的器件集成到一體，構築出一個自驅動多功能探測器件，通過labview軟體界面對器件產生的電流值進行分析，從而完成紫外光探測和風速探測；
進一步地，所述系統包括自驅動探測紫外光探測器、自驅動風速探測器和集成分析單元，所述自驅動探測紫外光探測器和自驅動風速探測器均連接集成分析單元；
自驅動探測紫外光探測器，所述自驅動探測紫外光探測器能自驅動探測紫外光信號；
自驅動風速探測器，所述自驅動風速探測器能自驅動探測風信號；
集成分析單元，所述集成分析單元對自驅動探測紫外光探測器和自驅動風速探測器採集到的信號進行集成和分析，並進行信號的區分可視化；
進一步地，所述自驅動探測紫外光探測器中自驅動紫外光探測功能部分是基於氧化鋅薄膜和氧化鎳薄膜形成的異質結，異質結區的內建電場驅使光生載流子空穴對分離，從而實現自驅動的紫外光探測；
進一步地，所述自驅動風速探測器中自驅動探測風信號功能是基於一種接觸分離式的摩擦納米發電機，通過將聚四氟乙烯和鋁箔分別設置在摩擦序列的兩端，在有空氣流動時二者接觸分離產生電流，當空氣流動速度不一樣時，產生的電流值不同，從而測定風速；
進一步地，所述集成分析單元通過labview軟體界面對器件產生的電流值進行分析，對採集到的電流值的大小與設定的電流閾值進行大小比較，當電流值處於不同的電流閾值的範圍時，觸發並點亮軟體界面不同顏色的燈泡；
進一步地，所述自驅動探測紫外光探測器構建方法如下：
s11：將導電玻璃fto基底在丙酮，乙醇，去離子水中依次超聲清洗10分鐘，用氮氣吹乾備用；
s12:遮擋一部分基底導電面，在磁控濺射儀器中設置濺射氧化鋅，氧化鎳，ito濺射功率分別為80w，150w，75w，工作壓強設置為1pa，進行濺射；
s13:撕掉基底上粘貼的絕緣膠帶，在fto露出的區域點上銀漿，引出導線；
s14:在濺射的ito導電電極上點上銀漿，引出導線，即得到自驅動紫外探測器；
進一步地，所述自驅動風速探測器的構建方法如下：
s21：在步驟s12中所用的同一基底的不導電面粘貼一層鋁箔，作為風速探測器的一個電極；
s22:另取相同尺寸的玻璃板，並於玻璃板上粘貼一層鋁箔，作為風速探測器的另一個電極；
s23:裁取出0.5cm×0.5cm×8cm大小的亞克力板，共計4根，作為器件的支撐體，並用所述4根亞克力條支撐起兩塊玻璃板；
s24：在支撐起來的兩塊玻璃板之間中段處，固定聚四氟乙烯片的一端，並從兩個鋁片上分別引出導線，連接到整流橋上，即得到自驅動風速探測器；
進一步地，所述集成分析單元的集成、分析和信號的區分可視化方法如下：
s31:首先測試器件在一定紫外光強的電流值，一定風速下的電流值，以及紫外光和風速均存在時的電流值；
s32:在labview軟體中設置3個電流閾值，分別記為i1，i2,i3；其中i1為僅有紫外光時的電流值，i2為僅有風作用於器件的電流值，i2為當一定風速和一定光強的紫外光同時作用到器件上時，器件產生的電流值；
s33：編輯程序使達到以下要求，電流處於小於i1時，紅色燈泡亮起，電流值處於i1與i2之間時綠色燈泡亮起，電流值大於i3時藍色燈泡亮起；
本發明的有益效果如下：
1）異質結區的內建電場可以驅使光生載流子空穴對分離，從而實現自驅動的紫外光探測;
2）自驅動風速探測功能部分是基於一種接觸分離式的摩擦納米發電機，基於聚四氟乙烯和鋁箔分別處於摩擦序列的兩端，在有空氣流動時二者接觸分離產生電流，且當空氣流動速度不一樣時，產生的電流值不同；
3）根據採集到的電流值與預設的電流閾值進行大小對比，點亮不同軟體界面上的不同顏色的燈泡，以此來可視化探測環境中的紫外光和風；
4）能自驅動探測環境中的紫外光和空氣流動；
5）能夠實現紫外光和風二者信號的可視化。
附圖說明
圖1為本發明所構築的自驅動多功能探測系統的結構示意圖；
圖2為本發明對紫外光（365nm）的周期響應圖；
圖3為本發明在不同風速下的響應電流；
圖4為本發明可視化信號燈對應的外界條件圖示。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。下面為本發明的舉出最佳實施例：
如圖1-圖4所示，本發明提供一種自驅動紫外光與風速傳感集成系統，所述系統在同一個基底上同時製備出兩個自驅動的器件，分別是自驅動紫外光探測器與風速探測器，並將這兩個自驅動的器件集成到一體，構築出一個自驅動多功能探測器件，通過labview軟體界面對器件產生的電流值進行分析，從而完成紫外光探測和風速探測，所述系統包括自驅動探測紫外光探測器、自驅動風速探測器和集成分析單元，所述自驅動探測紫外光探測器和自驅動風速探測器均連接集成分析單元；
自驅動探測紫外光探測器，所述自驅動探測紫外光探測器能自驅動探測紫外光信號；
自驅動風速探測器，所述自驅動風速探測器能自驅動探測風信號；
集成分析單元，所述集成分析單元對自驅動探測紫外光探測器和自驅動風速探測器採集到的信號進行集成和分析，並進行信號的區分可視化。
所述自驅動探測紫外光探測器中自驅動紫外光探測功能部分是基於氧化鋅薄膜和氧化鎳薄膜形成的異質結，異質結區的內建電場驅使光生載流子空穴對分離，從而實現自驅動的紫外光探測。
所述自驅動風速探測器中自驅動探測風信號功能是基於一種接觸分離式的摩擦納米發電機，通過將聚四氟乙烯和鋁箔分別設置在摩擦序列的兩端，在有空氣流動時二者接觸分離產生電流，當空氣流動速度不一樣時，產生的電流值不同，從而測定風速。
所述集成分析單元通過labview軟體界面對器件產生的電流值進行分析，對採集到的電流值的大小與設定的電流閾值進行大小比較，當電流值處於不同的電流閾值的範圍時，觸發並點亮軟體界面不同顏色的燈泡。
所述自驅動探測紫外光探測器構建方法如下：
s11：將導電玻璃fto基底在丙酮，乙醇，去離子水中依次超聲清洗10分鐘，用氮氣吹乾備用；
s12:遮擋一部分基底導電面，在磁控濺射儀器中設置濺射氧化鋅，氧化鎳，ito濺射功率分別為80w，150w，75w，工作壓強設置為1pa，進行濺射；
s13:撕掉基底上粘貼的絕緣膠帶，在fto露出的區域點上銀漿，引出導線；
s14:在濺射的ito導電電極上點上銀漿，引出導線，即得到自驅動紫外探測器。
所述自驅動風速探測器的構建方法如下：
s21：在步驟s12中所用的同一基底的不導電面粘貼一層鋁箔，作為風速探測器的一個電極；
s22:另取相同尺寸的玻璃板，並於玻璃板上粘貼一層鋁箔，作為風速探測器的另一個電極；
s23:裁取出0.5cm×0.5cm×8cm大小的亞克力板，共計4根，作為器件的支撐體，並用所述4根亞克力條支撐起兩塊玻璃板；
s24：在支撐起來的兩塊玻璃板之間中段處，固定聚四氟乙烯片的一端，並從兩個鋁片上分別引出導線，連接到整流橋上，即得到自驅動風速探測器。
所述集成分析單元的集成、分析和信號的區分可視化方法如下：
s31:首先測試器件在一定紫外光強的電流值，一定風速下的電流值，以及紫外光和風速均存在時的電流值；
s32:在labview軟體中設置3個電流閾值，分別記為i1，i2,i3；其中i1為僅有紫外光時的電流值，i2為僅有風作用於器件的電流值，i2為當一定風速和一定光強的紫外光同時作用到器件上時，器件產生的電流值；
s33：編輯程序使達到以下要求，電流處於小於i1時，紅色燈泡亮起，電流值處於i1與i2之間時綠色燈泡亮起，電流值大於i3時藍色燈泡亮起。
實施例1
（1）自驅動紫外光探測器的構建：a.將導電玻璃fto基底在丙酮，乙醇，去離子水中依次超聲清洗10分鐘，用氮氣吹乾備用；b.遮擋一部分基底導電面，在磁控濺射儀器中設置濺射氧化鋅，氧化鎳，ito濺射功率分別為80w，150w，75w，工作壓強設置為1pa，進行濺射；c.撕掉基底上粘貼的絕緣膠帶，在fto露出的區域點上銀漿，引出導線；d.在濺射的ito導電電極上點上銀漿，引出導線，即得到自驅動紫外探測器。
（2）自驅動風速探測器的構建：a.在步驟（1）中所用的同一基底的不導電面粘貼一層鋁箔，作為風速探測器的一個電極；b.另取相同尺寸的玻璃板，並於玻璃板上粘貼一層鋁箔，作為風速探測器的另一個電極；c.裁取出0.5cm×0.5cm×8cm大小的亞克力板，共計4根，作為器件的支撐體，並用這4根一定尺寸的亞克力條支撐起兩塊玻璃板；d.在支撐起來的兩塊玻璃板之間中段處，固定聚四氟乙烯片的一端，並從兩個鋁片上分別引出導線，連接到整流橋上，即得到自驅動風速探測器。
（3）可視化界面的設計與應用：a.首先測試器件在一定紫外光強的電流值，一定風速下的電流值，以及紫外光和風速均存在時的電流值；b.在labview軟體中設置3個電流閾值，分別記為i1，i2,i3。其中i1為僅有紫外光時的電流值，i2為僅有風作用於器件的電流值，i2為當一定風速和一定光強的紫外光同時作用到器件上時，器件產生的電流值；c.編輯程序使達到以下要求，電流處於小於i1時，紅色燈泡亮起，電流值處於i1與i2之間時綠色燈泡亮起，電流值大於i3時藍色燈泡亮起。
實施例2：
（1）自驅動紫外光探測器的構建：a.將導電玻璃ito基底在丙酮，乙醇，去離子水中依次超聲清洗10分鐘，用氮氣吹乾備用；b.遮擋一部分基底導電面，在磁控濺射儀器中設置濺射氧化鋅，氧化鎳，ito濺射功率分別為80w，120w，75w，工作壓強設置為1pa，進行濺射；c.撕掉基底上粘貼的絕緣膠帶，在fto露出的區域點上銀漿，引出導線；d.在濺射的ito導電電極上點上銀漿，引出導線，即得到自驅動紫外探測器。
（2）自驅動風速探測器的構建：a.在步驟（1）中所用的同一基底的不導電面粘貼一層銅箔，作為風速探測器的一個電極；b.另取相同尺寸的玻璃板，並於玻璃板上粘貼一層銅箔，作為風速探測器的另一個電極；c.裁取出0.5cm×0.5cm×8cm大小的亞克力板，共計4根，作為器件的支撐體，並用這4根一定尺寸的亞克力條支撐起兩塊玻璃板；d.在支撐起來的兩塊玻璃板之間中段處，固定聚乙烯亞胺的一端，並從兩個鋁片上分別引出導線，連接到整流橋上，即得到自驅動風速探測器。
（3）可視化界面的設計與應用：a.首先測試器件在另一光強強度下的紫外光強的電流值，另一風速大小下的電流值，以及紫外光和風速均存在時的電流值；b.在labview軟體中設置3個電流閾值，分別記為i1，i2,i3。其中i1為僅有紫外光時的電流值，i2為僅有風作用於器件的電流值，i2為當一定風速和一定光強的紫外光同時作用到器件上時，器件產生的電流值；c.編輯程序使達到以下要求，電流處於小於i1時，紅色燈泡亮起，電流值處於i1與i2之間時綠色燈泡亮起，電流值大於i3時藍色燈泡亮起。
實施例3：
（1）自驅動紫外光探測器的構建：a.將導電玻璃ito基底在丙酮，乙醇，去離子水中依次超聲清洗10分鐘，用氮氣吹乾備用；b.遮擋一部分基底導電面，在磁控濺射儀器中設置濺射氧化鋅，氧化鎳，ito濺射功率分別為80w，120w，75w，工作壓強設置為1pa，進行濺射；c.撕掉基底上粘貼的絕緣膠帶，在fto露出的區域點上金漿，引出導線；d.在濺射的ito導電電極上點上金漿，引出導線，即得到自驅動紫外探測器。
（2）自驅動風速探測器的構建：a.在步驟（1）中所用的同一基底的不導電面粘貼一層銅箔，作為風速探測器的一個電極；b.另取相同尺寸的玻璃板，並於玻璃板上粘貼一層銅箔，作為風速探測器的另一個電極；c.裁取出0.5cm×0.5cm×8cm大小的亞克力板，共計4根，作為器件的支撐體，並用這4根一定尺寸的亞克力條支撐起兩塊玻璃板；d.在支撐起來的兩塊玻璃板之間中段處，固定聚乙烯亞胺的一端，並從兩個鋁片上分別引出導線，連接到整流橋上，即得到自驅動風速探測器。
（3）可視化界面的設計與應用：a.首先測試器件在另一光強強度下的紫外光強的電流值，另一風速大小下的電流值，以及紫外光和風速均存在時的電流值；b.在labview軟體中設置3個電流閾值，分別記為i1，i2,i3。其中i1為僅有紫外光時的電流值，i2為僅有風作用於器件的電流值，i2為當一定風速和一定光強的紫外光同時作用到器件上時，器件產生的電流值；c.編輯程序使達到以下要求，電流處於小於i1時，紅色燈泡亮起，電流值處於i1與i2之間時綠色燈泡亮起，電流值大於i3時藍色燈泡亮起。
以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案範圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護範圍內。