【摘 要】
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在信息化时代,最先需要解决的就是对信息的掌握。相对于人体和动物的感觉器官而言,被称为“电子五官”的传感器能获取更准确、更可靠的信息。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的自驱动能量收集装置,可以为分布式的传感器和微型电子器件供电,也可以作为传感器的载体通过其输出信号的差异反映外界环境的变化。本文设计了一种以接触-分离式TENG为基础结合ZnO紫外传感特性的摩擦电紫外传感器,它是摩擦纳米发电机与紫
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在信息化时代,最先需要解决的就是对信息的掌握。相对于人体和动物的感觉器官而言,被称为“电子五官”的传感器能获取更准确、更可靠的信息。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的自驱动能量收集装置,可以为分布式的传感器和微型电子器件供电,也可以作为传感器的载体通过其输出信号的差异反映外界环境的变化。本文设计了一种以接触-分离式TENG为基础结合ZnO紫外传感特性的摩擦电紫外传感器,它是摩擦纳米发电机与紫外传感的一种结合体。其理论基础为TENG的麦克斯韦位移电流,摩擦层的电荷密度决定器件的输出性能,而电荷密度对摩擦层电阻率的变化非常敏感;另一方面是紫外辐照对ZnO体内的电阻率有降低作用,两种理论相结合,通过TENG输出信号变化,更灵敏的探测紫外光强的变化。之后,我们讨论了影响摩擦电紫外传感器性能的内部因素:摩擦层中ZnO与PVDF的质量比、摩擦层厚度以及探测极限紫外光强度。最终我们得到最优实验方案参数为:摩擦层中ZnO含量为90%;摩擦层薄膜厚度为11μm;在上述实验条件下,摩擦电紫外传感器的光响应率达到93%、响应时间为2.9 s。紫外光极限探测强度为0.1μW/cm~2。并且从原理角度解释了各因素是如何影响摩擦电紫外传感器的性能。为了进一步提升摩擦电紫外传感器的性能,在上述最佳实验条件下,我们讨论外部因素驱动频率对摩擦电紫外传感器的性能影响。设置驱动频率范围为0.5 Hz-3.0Hz,分别讨论驱动频率对紫外传感器的光、暗电压、响应率、响应时间和恢复时间的影响。得到结果:随着驱动频率从0.5 Hz增加到3.0 Hz,光电压增加5倍。纵向对比结果,在低紫外区:响应率从80%增加到91.5%,响应时间缩短7倍,恢复时间缩短8倍;在高紫外区:响应率从90%增加大98.2%,响应时间缩短9倍,恢复时间缩短5.7倍。提高了摩擦电紫外传感器的响应与恢复性能。并且从工作机理的角度解释了驱动频率对紫外传感器性能的影响。最后,我们在高驱动频率条件下测试摩擦电紫外传感器的稳定性,表现出良好的响应与恢复性能。本工作对基于ZnO的摩擦电紫外传感器的性能提升做了研究和探讨,将有助于摩擦纳米发电机与传感领域的更深层次结合,对后续的研究有积极地推动作用。
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