自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法。該自驅(qū)動光電傳感器將光電傳感器融入到摩擦納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)中，利用摩擦納米發(fā)電機的輸出信號來驅(qū)動光電傳感器。
【專利說明】自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子和材料技術(shù)高速發(fā)展的今日，大量具有多種功能和高度集成化的新型微型電子器件不斷被開發(fā)出來，并在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。
[0003]自然界和人類生命存續(xù)過程中會不斷產(chǎn)生各種動能和勢能，如何將這些微小的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯璧尿?qū)動力來源，是人們在不斷探尋的方向。2006年，美國佐治亞理工學院的王中林研究組提出了納米發(fā)電機的理念，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的一個新的范疇。在此基礎(chǔ)上，王中林教授所領(lǐng)導的研究組通過合理的設(shè)計器件結(jié)構(gòu)，使得摩擦起電這一古老的現(xiàn)象展現(xiàn)出新的應(yīng)用價值和潛力。整個摩擦電發(fā)電機則依靠摩擦電電勢的充電泵效應(yīng)，將兩種鍍有金屬電極的第二摩擦層和第一摩擦層貼合在一起組成器件，在外力作用下器件產(chǎn)生機械形變，導致兩層聚合物膜之間發(fā)生相互摩擦，從而產(chǎn)生電荷分離并形成電勢差。兩個金屬極板作為發(fā)電機的電能輸出端，通過靜電感應(yīng)可以在表面生成感應(yīng)電荷。感應(yīng)電荷在摩擦電電勢驅(qū)動下流經(jīng)外電路即可形成電流。
[0004]傳感網(wǎng)絡(luò)將是未來驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展的根本動力。傳統(tǒng)傳感器包括機械傳感器，化學傳感器，生物傳感器，光電傳感器和氣體傳感器等多種類型。光電傳感器是將環(huán)境中值得注意的信息(如光線強度，風速，重金屬含量或人體中特定生物分子的改變量)轉(zhuǎn)換成電信號以便紀錄分析的一種裝置。隨著科技不斷的進步，其應(yīng)用也越來越廣，包括在化學分析、醫(yī)療診斷、食品工業(yè)或環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域上，都可以見到光電傳感器的運用。
[0005]然而，目前的納米傳感器皆須外接電源來驅(qū)動其工作，不僅耗費能源，而且由于電源以可充電或一次性電池為主，這些電源的體積較大，從而使納米傳感器的應(yīng)用范圍受到了嚴重的制約，同時電池廢棄后對環(huán)境產(chǎn)生的惡劣影響也促使人們努力的尋找更為環(huán)保的動力來源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法，以使光電傳感器擺脫外接電源造成的種種不便。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種自驅(qū)動光電傳感器。該自驅(qū)動光電傳感器包括:第一導電元件；第一摩擦層，位于第一導電元件的下表面；第二導電元件，與第一導電元件相對設(shè)置；第二摩擦層，位于第二導電元件上方絕緣層的上表面，其材料與第一摩擦層的材料位于摩擦電極序的不同位置，并且為光致阻變材料，用于接收待測光；以及第一電極和第二電極，形成于第二摩擦層的隔開預(yù)設(shè)距離的不同位置，并與相應(yīng)位置的第二摩擦層形成電性接觸，其中，第一電極連接至第一導電元件，第二電極連接至第二導電元件；其中，第一摩擦層和第二摩擦層能夠在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換，從而在第一導電元件和第二導電元件之間形成振幅隨照射至第二摩擦層的待探測光強度和/或波長而變化的交流脈沖信號。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種自驅(qū)動光電傳感器的制備方法。該制備方法包括:步驟A，制備第一導電元件和第一摩擦層；步驟B，制備第二導電元件、絕緣層和第二摩擦層，并在第二摩擦層的不同位置制備第一電極和第二電極；步驟C，將第一電極與第一導電元件電性連接；第二電極與第二導電元件電性連接；步驟D，將第一導電元件、第一摩擦層、第二導電元件、絕緣層、第二摩擦層組成的器件按照預(yù)設(shè)位置配置后封裝，并使第一摩擦層和第二摩擦層所組成的摩擦發(fā)電機可在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換。
[0011](三)有益效果
[0012]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法具有以下有益效果:
[0013](I)利用摩擦納米發(fā)電機的原理結(jié)合光電傳感器實現(xiàn)了自驅(qū)動光電傳感技術(shù)，將光電傳感器完全融入到摩擦納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)中，利用摩擦納米發(fā)電機的輸出信號來判別外界光線的強度；
[0014](2)將納米結(jié)構(gòu)物直接長在絕緣層上當作摩擦層，能夠顯著提高電信號的輸出性能，打破了以往需要先制備摩擦層再在摩擦層表面形成納米結(jié)構(gòu)的限制，大大簡化了制備方法、降低了成本，同時還為電信號的優(yōu)化輸出提供了一條新的途徑；
[0015](3)通過調(diào)控納米結(jié)構(gòu)物，來適應(yīng)待探測光波長范圍，具有靈活的可調(diào)控性；此夕卜，不僅能夠高選擇性的與待探測光波長范圍發(fā)生相互作用，而且僅需要光電傳感器感知到光線強度的大小產(chǎn)生電阻的變化，即可使電信號產(chǎn)生變化，因而具有極高的探測靈敏度
[0016](4)具有體積小、自驅(qū)動的特性，能夠廣泛用于各種領(lǐng)域；制作方便，成本低，易于產(chǎn)業(yè)推廣和應(yīng)用；節(jié)約能源，是一種綠色的傳感器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例自驅(qū)動光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為圖1所示自驅(qū)動光電傳感器受到外力作用時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為圖1所示自驅(qū)動光電傳感器中摩擦納米發(fā)電機工作原理示意圖；
[0021]圖4為使用外接電源測量圖1所示自驅(qū)動光電傳感器所得到的光電流響應(yīng)圖；
[0022]圖5為圖1所示自驅(qū)動光電傳感器輸出及其外接不同大小電阻時的測試曲線；
[0023]圖6為根據(jù)本發(fā)明第二實施例自驅(qū)動光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為本發(fā)明自驅(qū)動光電傳感器一種典型結(jié)構(gòu)的橫截面剖視圖；
[0025]圖8為根據(jù)本發(fā)明第三實施例自驅(qū)動光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖9為本發(fā)明實施例圖1所示自驅(qū)動光電傳感器的制備方法的流程圖；
[0027]圖10為以手指按壓作為驅(qū)動力，在紫外光強隨時間逐漸增加的情況下，由該紫外光光電傳感器輸出的光響應(yīng)電流圖；
[0028]圖1lA至圖1lD為本發(fā)明實施例自驅(qū)動光電傳感器對于不同紫外光光線強度所造成的電壓及電流輸出的曲線。
[0029]【本發(fā)明主要元件符號說明】
[0030]10-第一絕緣支撐件；11-第一導電元件；
[0031]12-第一摩擦層；
[0032]20-第二絕緣支撐件；21-第二導電元件；
[0033]22-絕緣層；23-第二摩擦層；
[0034]30-空間保持件。
【具體實施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0036]本發(fā)明中的自驅(qū)動光電傳感器利用摩擦納米發(fā)電機作為光電傳感器的供電裝置，并且摩擦納米發(fā)電機的摩擦層同`時還作為光電傳感器的一個光感應(yīng)部件，這種部件的共用將二者有機地結(jié)合在一起。當外界光線有所變化時，作為光感應(yīng)部件的摩擦層的電阻產(chǎn)生變化，因此當摩擦納米發(fā)電機工作后產(chǎn)生的電信號向光電傳感器進行輸入時，通過光電傳感器的電流和其上分得的電壓就會發(fā)生變化，從而達到偵測外界光線的目的。
[0037]本發(fā)明的第一個示例性實施例中，提供了一種自驅(qū)動光電傳感器。如圖1所示，該光電傳感器包括:第一導電元件11 ;第一摩擦層12，設(shè)置于第一導電元件11的下表面；第二導電元件21，與第一導電元件11相對設(shè)置且隔開預(yù)設(shè)距離；絕緣層22，形成于第二導電元件21的上表面；第二摩擦層23，形成于絕緣層22的上表面，其材料與第一摩擦層12的材料存在摩擦電極序差異，并且其阻值可隨入射光強的變換而變化，用于接收待測光；第一電極和第二電極，形成于第二摩擦層23上隔開預(yù)設(shè)距離的不同位置，并與相應(yīng)位置的第二摩擦層形成肖特基接觸，其中，第一電極與第一導電元件11電性連接；第二電極與第二導電元件21電性連接。空間保持件30，由絕緣材料制備，設(shè)置于第一導電元件11和第二導電元件21之間，第一摩擦層和第二摩擦層的外圍，所述待探測光從空間保持件之間的空隙照射至第二摩擦層上。
[0038]本實施例中，空間保持件30包括多個分離的彈性柱。第一導電元件11連接至第一信號輸出端(由虛線表示電性連接關(guān)系)，第二導電元件21連接至第二信號輸出端(由虛線表示電性連接關(guān)系)。第一摩擦層12和第二摩擦層23在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換，從而在第一信號輸出端和第二信號輸出端之間形成交流脈沖，具體來說:
[0039](I)請參照圖1和圖3，空間保持件30在沒有外力施加時正常打開，第一摩擦層12與第二摩擦層23處于分離狀態(tài)，面對面并保持一定的間隙，見圖3中a圖；
[0040](2)請參照圖2和圖3，在如箭頭所示的外力的作用下，空間保持件30在外力作用下壓縮，第一摩擦層12與第二摩擦層23接觸并有微小切向滑動。由于第一摩擦層12與第二摩擦層23之間的材料在摩擦電極序中的位置不同，在接觸的瞬間發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移，形成一層表面接觸電荷，其中:第一摩擦層12表面產(chǎn)生負電荷，而第二摩擦層23表面產(chǎn)生正電荷，兩種電荷的電量大小相同，見圖3中b圖。
[0041]其中，產(chǎn)生電荷分離并形成電勢差的原理在于構(gòu)成第一摩擦層與第二摩擦層的材料之間存在摩擦電極序差異而引起的摩擦起電現(xiàn)象。這里的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對電荷的吸引程度將其進行的排序，兩種材料在相互接觸的瞬間，在接觸面上正電荷從摩擦電極序中極性較負的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較正的材料表面。迄今為止，還沒有一種統(tǒng)一的理論能夠完整的解釋電荷轉(zhuǎn)移的機制，一般認為，這種電荷轉(zhuǎn)移和材料的表面功函數(shù)相關(guān)，通過電子或者離子在接觸面上的轉(zhuǎn)移而實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。需要進一步說明是，電荷的轉(zhuǎn)移并不需要兩種材料之間的相對摩擦，只要存在相互接觸即可。其中，上述的“接觸電荷”，是指在兩種摩擦電極序極性存在差異的材料在接觸摩擦并分離后其表面所帶有的電荷，一般認為，該電荷只分布在材料的表面，分布最大深度不過約為10納米。需要說明的是，接觸電荷的符號是凈電荷的符號，即在帶有正接觸電荷的材料表面的局部地區(qū)可能存在負電荷的聚集區(qū)域，但整個表面凈電荷的符號為正。
[0042](3)當外力消失時，由于空間保持件30的彈性作用，第一摩擦層12與第二摩擦層23重新分離，產(chǎn)生間隙。由于間隙的存在，第一摩擦層12表面的負電荷對第一導電元件11上電子的排斥作用力大于第二摩擦層23表面的正電荷對第一導電元件11上電子的吸引作用，第二摩擦層23表面的正電荷對第二導電元件21上電子的吸引力大于第一摩擦層12表面的負電荷的排斥作用。因此，電子將從第一導電元件11經(jīng)過外電路流向第二導電元件
21,并在第一導電兀件11上產(chǎn)生正電荷，在第二導電兀件21上產(chǎn)生負電荷。該過程即產(chǎn)生了通過外電路/負載的瞬時脈沖電流，見圖3中c圖。
[0043](4)當外力再度施加時，在第一摩擦層12表面的負電荷的排斥力作用下，第二導電元件21上的電子又再度流回第一導電元件12，形成方向相反的瞬時電流，見圖3中d圖。
[0044]可見，當?shù)谝荒Σ翆?2和第二摩擦層23在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換時，產(chǎn)生的上述交流脈沖由第一信號輸出端和第二信號輸出端進行輸出，從而形成載波信號。
[0045]本實施例中，第二摩擦層的材料為光致阻變材料。當由空間保持件之間的空隙照射的待探測光發(fā)生變化時，第二摩擦層的阻值也會發(fā)生變化，進而由第一信號輸出端和第二信號輸出端輸出的交流脈沖的幅度也會產(chǎn)生變化，即由待探測光的變化來調(diào)制摩擦發(fā)電機所產(chǎn)生的交流脈沖，這就是本發(fā)明自驅(qū)動光電傳感器的基本工作原理。其中，待探測光發(fā)生變化，不僅包括待探測光的光強發(fā)生變化，還包括待探測光的波長發(fā)生變化。
[0046]需要注意的是，交流脈沖信號的變化應(yīng)當與待探測光的波長范圍及強度具有“高選擇性的相互作用”。該“高選擇性的相互作用”是指第二摩擦層23的材料與待探測光波長的范圍及強度作用效果具有統(tǒng)計學意義的顯著性，即:待探測光作用前后此自驅(qū)動光電傳感器輸出信號的變化值至少是背景值或其他波長范圍的光作用前后變化值的3倍。為此應(yīng)該選擇對待探測光響應(yīng)敏感度較高的光致阻變材料，這屬于光響應(yīng)材料領(lǐng)域的一般常識，在此不多敘述。需要強調(diào)的是由于該光致阻變材料同時作為第二摩擦層而存在，其材料的調(diào)整必然會影響到本發(fā)明光電傳感器的輸出性能。因此，本發(fā)明自驅(qū)動光電傳感器在設(shè)計和制備過程中主要考慮以下兩個方面的因素:[0047]第一方面是光電傳感器的光響應(yīng)范圍與待探測光的匹配,此光響應(yīng)范圍包括了待探測光的波長及強度。
[0048]以第二摩擦層23為三維的二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)物、第一電極和第二電極為在該三維的二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)物上沉積的Ni金屬薄膜的自驅(qū)動光電傳感器為例，其在紫外光照射下的光電流響應(yīng)如圖4所示:
[0049](I)圖4中子圖a為所制備的光電傳感器在一外加電壓為5V,紫外光強度為70 μ Wcm-2的條件下所測得的光電流響應(yīng)圖，可看出在光照和黑暗的情況下，響應(yīng)的重復(fù)性極佳，表示穩(wěn)定度很好；
[0050](2)由圖4中子圖b來看，可觀察到光響應(yīng)速度極為快速，這些都是一極佳的光電傳感器需具備的性質(zhì)；
[0051](3)圖4中子圖c為此光電傳感器在外加電壓為-1OV?IOV間，在不同光照強度下的光響應(yīng)電流輸出，代表可量測光強度范圍廣；
[0052](4)圖4中子圖d為光照強度從I μ W cm_2?IOOmW cm_2的范圍，其光響應(yīng)電流輸出都有變化，且呈一線性，代表此光電傳感器偵測紫外光強度的范圍至少達5個量級，再進一步將其響應(yīng)換算成A/W，如子圖e所示可發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)在此范圍內(nèi)皆大于10。
[0053]第二方面是光電傳感器的輸出隨電阻的可變化范圍，應(yīng)要與待探測光照射下光電傳感器電阻的變化范圍相匹配，如此一來組裝而成的自驅(qū)動光電傳感器對于光線強度的變化范圍才會最大，表示可偵測的光線強度范圍方會廣。
[0054]以第一摩擦層12為聚二甲基硅氧烷，第二摩擦層23為三維的二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)物的自驅(qū)動光電傳感器為例，其輸出及連接電阻后輸出的測試曲線如圖5A和圖5B所示。由圖5A和5B可以看出其電阻變化范圍與上述光電傳感器電阻的變化范圍有匹配到。
[0055]本實施例中，利用第二摩擦層23與待探測光線波長范圍的高選擇性相互作用，再配合第二摩擦層23本身所建構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機輸出特性，從而實現(xiàn)對待探測光的高靈敏度偵測。
[0056]以下將結(jié)合圖1，對本實施例自驅(qū)動光電傳感器的各組成部分進行詳細的說明。
[0057]本實施例自驅(qū)動光電傳感器中對第一摩擦層12和第二摩擦層23的硬度、厚度、形狀、間距和材料等方面的要求介紹如下:
[0058](I)本發(fā)明并不限定第一摩擦層12和第二摩擦層23必須是硬質(zhì)材料，也可以選擇柔性材料，因為材料的硬度并不影響二者之間的摩擦效果，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況進行選擇。
[0059](2)第一摩擦層12和第二摩擦層23的厚度對本發(fā)明的實施沒有顯著影響，只是在制備的過程中需要綜合考慮摩擦層強度與發(fā)電效率等因素。本發(fā)明優(yōu)選摩擦層為薄層，厚度為50nm?2cm,優(yōu)選IOOnm?Icm,更優(yōu)選500nm?5mm,更優(yōu)選I μ m?2mm,這些厚度對本發(fā)明中所有的技術(shù)方案都適用。第一摩擦層12的厚度越薄越好，但由于現(xiàn)有技術(shù)局限，最優(yōu)選為I μ m?100 μ m ;第二摩擦層23厚度無局限,但從經(jīng)濟方面考慮,最優(yōu)選為50nm?200nmo
[0060](3)本發(fā)明對第一摩擦層12和第二摩擦層23的形狀沒有特殊限制，只要保證在外力的作用下第一摩擦層12下表面與第二摩擦層23的上表面至少有部分接觸即可。但是，為了獲得更好的交流脈沖信號輸出性能，第一摩擦層12下表面和第二摩擦層23上表面形狀最好相同或互補，使得在有外力施加時，第一摩擦層12下表面與所述第二摩擦層的上表面完全接觸，以產(chǎn)生最大的接觸電荷密度。
[0061](4)本發(fā)明對第一摩擦層12的下表面與第二摩擦層23上表面的間距沒有特殊要求，但是為了使在摩擦過程中產(chǎn)生的接觸電荷盡量完全地轉(zhuǎn)移到導電元件上，優(yōu)選該間距比第一摩擦層12和/或第二摩擦層23的厚度大，最好能大一個數(shù)量級以上。
[0062](5)第一摩擦層12和第二摩擦層23分別由在摩擦電極序中處于不同的位置的材料組成，從而使得二者在發(fā)生摩擦的過程中能夠在表面產(chǎn)生接觸電荷。當?shù)谝荒Σ翆?2和第二摩擦層23材料的得電子能力相差越大(即在摩擦電極序中的位置相差越遠)時，發(fā)電機輸出的交流脈沖信號越強。所以，可以根據(jù)實際需要，選擇合適的材料來制備第一摩擦層12和第二摩擦層23，以獲得更好的輸出效果。
[0063]本實施例中，第一摩擦層的材料可以為絕緣材料、導體等等。
[0064]常規(guī)的絕緣材料都具有摩擦電特性，均可以作為制備第一摩擦層12的材料，此處列舉一些常用的絕緣材料并按照摩擦電極序由正極性到負極性排序:苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其編織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(滌綸)、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進行窮舉，此處僅列出幾種具體的材料供人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護范圍的限制性因素，因為在發(fā)明的啟示下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0065]相對于絕緣體，導體均具有容易失去電子的摩擦電特性，在摩擦電極序的列表中常位于末尾處。因此，導體也可以作為制備第一摩擦層12的原料。常用的導體包括金屬、導電氧化物或?qū)щ姼叻肿?，其中金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；導電氧化物常用的如銦錫氧化物ITO等。由于導電材料本身就可以作為導電元件使用，因此當摩擦層使用導電材料時，可以將導電元件和相應(yīng)的摩擦層合二為一。
[0066]為了進一步增加第一摩擦層12與第二摩擦層23之間的接觸面積，從而增大接觸電荷量，還可以對第一摩擦層12下表面進行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)陣列。具體的改性方法包括光刻蝕、化學刻蝕和離子體刻蝕等。所述微結(jié)構(gòu)選自納米線，納米棒，納米管，納米錐，納米顆粒，納米溝槽，微米線，微米棒，微米管，微米錐，微米顆粒，微米溝槽。
[0067]此外，為了達到上述目的，還可以在第一摩擦層的下表面點綴或涂覆納米材料。該納米材料可以選自納米顆粒，納米管，納米線和納米棒。根據(jù)實際需要可以具體選擇金納米顆粒，金納米線，金納米棒，金納米管，銀納米顆粒，銀納米線，銀納米棒，銀納米管，銅納米顆粒，銅納米線，銅納米棒，銅納米管，二氧化娃納米顆粒，二氧化娃納米線，二氧化娃納米棒，二氧化硅納米管，聚二甲基硅氧烷納米顆粒，聚二甲基硅氧烷納米線或聚二甲基硅氧烷納米棒，聚二甲基硅氧烷納米管，聚四氟乙烯納米顆粒，聚四氟乙烯納米線，聚四氟乙烯納米棒，聚四氟乙烯納米管。
[0068]此外，為了達到上述目的，也可以對第一摩擦層12下表面行化學改性，能夠進一步提高電荷在接觸瞬間的轉(zhuǎn)移量，從而提高接觸電荷密度和發(fā)電機的輸出功率?；瘜W改性又分為如下兩種類型:一種方法是對第一摩擦層12，在極性為正的材料表面引入更易失電子的官能團(即強給電子基團)，或者在極性為負的材料表面引入更易得電子的官能團(強吸電子基團)，都能夠進一步提高電荷在相互滑動時的轉(zhuǎn)移量，從而提高摩擦電荷密度和發(fā)電機的輸出功率。強給電子基團包括:氨基、羥基、烷氧基等；強吸電子基團包括:?；Ⅳ然?、硝基、磺酸基等。官能團的引入可以采用等離子體表面改性等常規(guī)方法。例如可以使氧氣和氮氣的混合氣在一定功率下產(chǎn)生等離子體，從而在材料表面引入氨基。另外一種方法是在極性為正的基板材料表面引入正電荷，而在極性為負的材料表面引入負電荷。具體可以通過化學鍵合的方式實現(xiàn)。例如，可以在聚二甲基硅氧烷基板表面利用溶膠-凝膠的方法修飾上正硅酸乙酯，而使其帶負電。也可以在金屬金薄膜層上利用金-硫的鍵結(jié)修飾上表面含十六烷基三甲基溴化銨的金納米粒子，由于十六烷基三甲基溴化銨為陽離子，故會使整個基板變成帶正電性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)基板材料的得失電子性質(zhì)和表面化學鍵的種類，選擇合適的修飾材料與其鍵合，以達到本發(fā)明的目的，因此這樣的變形都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0069]第二摩擦層同時承擔摩擦層和光感應(yīng)層的兩個功能，因此需要同時具有在摩擦過程中能夠產(chǎn)生表面電荷的性質(zhì)和在光照下電阻能夠發(fā)生變化的性能，一般選擇本領(lǐng)域常用的光致阻變材料，例如半導體。該半導體材料可以為以下材料:Sn02，ZnO, TiO2, In2O3, ZnS,ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si, Ge, PbS, InGaAs, PbSe, InSb,PbTe, HgCdTe, PbSn，HgS, HgSe, HgTe和Te。為了提高光響應(yīng)的靈敏度和摩擦發(fā)電的效率，最好將上述材料形成納米結(jié)構(gòu)，例如納米棒，納米管，納米錐，納米溝槽，以及由這些結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0070]現(xiàn)有的摩擦納米發(fā)電機都是采用薄膜狀的摩擦層，或者是在該薄膜狀的摩擦層表面通過刻蝕等技術(shù)形成微結(jié)構(gòu)以增大摩擦面積,然而此舉極難形成規(guī)律的納米結(jié)構(gòu)物,而納米結(jié)構(gòu)物則具有較佳的光感測效果及較大的摩擦面積等優(yōu)勢。
[0071]當采用在絕緣層上直接生長或化學鍵連納米結(jié)構(gòu)物形成第二摩擦層23時，摩擦納米發(fā)電機的輸出性能大幅增加，且其所制備而成的光電傳感器也具有高靈敏性及偵測范圍廣的優(yōu)點，如圖4所示。所謂的直接生長是指納米結(jié)構(gòu)物在絕緣層表面原位形成?；瘜W鍵連是指納米結(jié)構(gòu)物與絕緣層表面通過化學鍵相連，這種連接可以是納米結(jié)構(gòu)物在絕緣層表面原位生長的過程中形成，也可以是在后續(xù)加工的過程中形成的，例如將納米結(jié)構(gòu)物附著在絕緣層表面后，通過加熱或化學反應(yīng)等方式，使納米結(jié)構(gòu)物與絕緣層之間形成化學鍵連。
[0072]交流脈沖信號輸出性能增加的原因可能是增大了摩擦面積，所以，雖然本實施例僅有一個摩擦層采用了直接生長的納米結(jié)構(gòu)物，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以預(yù)測得至IJ，當兩個摩擦層均采用類似的結(jié)構(gòu)，甚至是可以完全互補的結(jié)構(gòu)，摩擦面積的影響會進一步提升，從而獲得更好的輸出效果。因此，在實際應(yīng)用過程中，可以綜合成本和輸出性能的要求來選擇使用單一摩擦層或2個摩擦層表面皆具有納米結(jié)構(gòu)物。納米結(jié)構(gòu)物原位生長的方法可以采用水熱法、外延生長法、電化學刻蝕法等等。[0073]在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，第一摩擦層12為聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷；第二摩擦層23的考慮需以待探測光的波長范圍為主來選擇材料組成，優(yōu)選為當待測光屬于紫外波段時，第二摩擦層的材料為Ti02;當待測光屬于可見光波段時，第二摩擦層的材料為CdS ;當待測光屬于紅外線波段時，第二摩擦層的材料為HgTe。
[0074]第一導電元件11和第二導電元件21作為發(fā)電機的兩個電極，需要具備能夠?qū)щ姷奶匦?，可選自金屬、導電氧化物或?qū)щ姼叻肿?，常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；常用的導電氧化物包括銦錫氧化物ITO和離子摻雜型的半導體。優(yōu)選地，第一導電元件11和第二導電元件21的材料為金、銀或鉬。
[0075]第一導電元件11應(yīng)當與第一摩擦層12表面緊密接觸，第二導電元件應(yīng)當與第二摩擦層表面緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率；可以采用沉積的方法在摩擦層表面制備相應(yīng)的導電元件，例如電子束蒸發(fā)、等離子體濺射、磁控濺射或蒸鍍等方法。此外，還可以直接利用金屬板作為導電元件，用導電膠將其與摩擦層電連接。
[0076]為了提高電荷傳輸效率，優(yōu)選第二摩擦層23在絕緣層22上表面進行外延生長，同時在絕緣層22的下表面沉積第二導電元件，以使三者形成一個整體。例如絕緣層22為玻璃，可以在其表面通過水熱法形成所需的二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)物作為第二摩擦層23，在玻璃下表面生成ITO薄膜作為第二導電元件21，從而使ITO薄膜，玻璃和二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)物成為緊密結(jié)合的一體結(jié)構(gòu)。
[0077]第一導電元件11和第二導電元件21可以是薄膜或薄層，厚度的可選范圍為IOnm?2cm,優(yōu)選為50nm?5mm,更優(yōu)選為IOOnm?1_，更優(yōu)選為500nm?500 μ m,更優(yōu)選為I μ m?100 μ m。導電元件并不必須限定是硬質(zhì)的，也可以是柔性的，因為柔性導電元件同樣可以起到對摩擦層的支撐和導電作用。第一導電元件11和第二導電元件21通過導線或金屬薄層與外電路連接。
[0078]請參照圖1、圖2和圖6，第一電極和第二電極形成于第二摩擦層的隔開預(yù)設(shè)距離的不同位置，與相應(yīng)位置的第二摩擦層形成電性接觸。其中，該電性接觸可以為歐姆接觸或者肖特基接觸。優(yōu)選地，第一電極和第二電極與相應(yīng)位置的第二摩擦層形成肖特基接觸。其中，第一電極和第二電極選自于:金屬、導電氧化物或?qū)щ姼叻肿?。?yōu)選地，第一電極和第二電極選自于:金、銀或鉬。
[0079]本實施例中，所述絕緣層的厚度介于IOnm?5mm之間，其材料為有機玻璃、二氧化硅或選自于以下材料其中之一:苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6_二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，所述絕緣層為厚度二氧化硅層或有機玻璃。其中，如果采用二氧化硅層作為絕緣層，其厚度應(yīng)當介于Inm?1000 μ m之間，優(yōu)選地介于IOnm?100 μ m之間，最佳地介于IOOnm?10 μ m之間。如果米用有機玻璃作為絕緣層，其厚度應(yīng)當介于IOOnm?1000 μ m之間，優(yōu)選地基于Ium?IOOOym之間，最佳地介于IOum?1000 μ m之間。
[0080]空間保持件30用于保持第一摩擦層12和第二摩擦層23之間在有外力的作用下能夠相互接觸，而在沒有外力的作用下形成空隙?？臻g保持件30可以采用具有絕緣特性的彈性材料，例如彈性橡膠、彈簧或彈片。
[0081]本實施例中，空間保持件30可以為包括多個分離的彈性支撐體，待測光從相鄰彈性支撐體之間的空隙照射至第二摩擦層。此外，空間保持件30還可以為一體的彈性支撐體，只要具有讓待探測光信號照射至第二摩擦層23的空隙即可。
[0082]根據(jù)第一導電元件11、第一摩擦層12、第二導電元件21、第二摩擦層23的形狀、尺寸及相對位置，可以決定空間保持件30的形狀和位置。例如可以在第二導電元件21上圍繞第二摩擦層23周圍粘貼一圈空間保持件，也可以直接將空間保持件粘結(jié)在摩擦層的表面，還可以將空間保持件連在導電元件的外側(cè)，其中空間保持件30為U形彈性片，可以僅在傳感器的一側(cè)設(shè)置，也可以兩側(cè)都設(shè)置。當空間保持件30連接在絕緣支撐體上時，還可以使用導電材料制備，例如金屬彈片或彈簧等。
[0083]進一步來講，雖然本實施例的自驅(qū)動光電傳感器具有空間保持件，然而本發(fā)明并不以此為限。不論何種手段，只要能夠?qū)崿F(xiàn)光電傳感器的第一摩擦層和第二摩擦層在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換，就可以產(chǎn)生交流脈沖電流，進而實現(xiàn)本發(fā)明自驅(qū)動光電傳感器的功能。
[0084]至此，本發(fā)明第一實施例自驅(qū)動光電傳感器介紹完畢。
[0085]在本發(fā)明的第二個示例性實施例中，還提供了另外一種自驅(qū)動光電傳感器。該自驅(qū)動光電傳感器與第一實施例的自驅(qū)動光電傳感器的構(gòu)造類似，區(qū)別僅在于使用了絕緣支撐層，空間保持件30的粘貼位置由導電元件改在絕緣支撐層。
[0086]請參照圖6,本實施例自驅(qū)動光電傳感器包括:第一絕緣支撐件10 ;第一導電兀件11，固定于第一絕緣支撐件10的下表面；第一摩擦層12，形成于第一導電元件11的下表面；第二絕緣支撐件20 ;第二導電元件21，固定于第二絕緣支撐件的上表面；絕緣層22，形成于第二導電元件21的上表面；第二摩擦層，形成于絕緣層22的上表面；空間保持件，連接于第一絕緣支撐件和第二絕緣支撐件之間，并且與第一導電元件和第二導電元件絕緣。
[0087]當空間保持件未受力時，第一摩擦層12下表面與第二摩擦層23上表面面對面，保持一定的間隙。在有外力施加時，所述第一摩擦層12下表面與第二摩擦層23接觸并有微小切向滑動，由于摩擦起電效應(yīng)，在所述第一摩擦層12與所述第二摩擦層23之間發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移。
[0088]第一絕緣支撐件10和第二絕緣支撐件20可以為硬性材料，也可以為柔性材料。優(yōu)選采用不可變形的硬性材料，例如有機玻璃板材、聚乙烯板材、聚氯乙烯板材等。其厚度沒有特別限制，可以根據(jù)強度需要自由選擇。
[0089]本實施例中，該空間保持件可以直接固定在支撐件的表面，如圖7所示。由于支撐層的絕緣特性使得空間保持件30可以由導電材料制備。并且，由于具有第一絕緣支撐件10和第二絕緣支撐件20，本實施例自驅(qū)動傳感器整體的機械強度得到增加。
[0090]在本發(fā)明的第三個示例性實施例中，還提供了另外一種自驅(qū)動光電傳感器。圖8為根據(jù)本發(fā)明第三實施例自驅(qū)動光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。請參照圖8，該自驅(qū)動光電傳感器與圖6所示的自驅(qū)動光電傳感器結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別僅在于第一摩擦層由所述第一導電元件的下表面形成。優(yōu)選地，第一摩擦層由所述第一導電元件的下表面經(jīng)過粗糙化處理而形成。
[0091]本實施例自驅(qū)動光電傳感器大大簡化了摩擦電納米傳感器的結(jié)構(gòu)和制備過程，更利于在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用，而且導電材料的失電子能力相對較強，更利于改善交流脈沖信號的輸出性能。
[0092]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了上述各實施例自驅(qū)動光電傳感器的制備方法。
[0093]請參照圖9，以下對于上述本發(fā)明第一實施例自驅(qū)動光電傳感器的制備方法為例進行說明。該制備方法包括:
[0094]步驟A，在第一摩擦層上表面沉積第一導電元件；
[0095]步驟B，制備第二導電元件、絕緣層和第二摩擦層，并在第二摩擦層的不同位置制備第一電極和第二電極；
[0096]該步驟B又可以包括:
[0097]子步驟BI，在絕緣層的上表面生長納米結(jié)構(gòu)物，以形成第二摩擦層，其中，該第二摩擦層的材料為光致阻變材料；
[0098]本步驟中，采用原位生長的方法來生長納米結(jié)構(gòu)物。原位生長方法可以根據(jù)絕緣層和納米結(jié)構(gòu)物的種類不同而有針對性的選擇。優(yōu)選使用玻璃，并使用易在其上成長的半導體納米結(jié)構(gòu)物陣列，原位生長方法可以采用水熱反應(yīng)法、外延生長法和電化學刻蝕法等等；優(yōu)選采用水熱反應(yīng)法和外延生長法，并且對原位生長的納米結(jié)構(gòu)物陣列進行超聲清洗，優(yōu)選水熱反應(yīng)溫度為0°c?250°C，更優(yōu)選50°C?100°C，更優(yōu)選80°C ;其中80°C適合片狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三維納米球；反應(yīng)時間為10?30小時，優(yōu)選15?25小時，優(yōu)選16小時；
[0099]為了更好的進行原位生長，在進行原位生長之前，還可以清洗絕緣層，可以用有機溶劑和/或水清洗，例如丙酮、乙醚、乙醇等常用清洗劑。
[0100]子步驟B2，在絕緣層下表面沉積第二導電元件；
[0101]沉積方法可以采用半導體領(lǐng)域的常規(guī)方法，例如電子束蒸發(fā)、真空濺射、蒸鍍、磁控離子派射等。
[0102]此外，為了提高光電傳感器的靈敏度，生長完后可能需要高溫退火使納米結(jié)構(gòu)物的晶格轉(zhuǎn)變成更適合的型態(tài)，提高導電元件和摩擦層之間的電荷轉(zhuǎn)移效率，
[0103]子步驟B3，在第二摩擦層上表面沉積金屬薄膜制備間隔預(yù)設(shè)距離的第一電極和第二電極；
[0104]第一電極和第二電極的制備方法和第一導電元件的制備方法類似，不再重復(fù)描述。
[0105]步驟C，將第一電極與第一導電元件電性連接；第二電極與第二導電元件電性連接；
[0106]本步驟中，具體的連接方式可以采用導線或?qū)щ姳∧ぶ苯舆B接。，第一導電元件與測量器件外電路的第一信號輸入端相連接，第二導電元件與測量器件外電路的第二信號輸入端相連接。
[0107]步驟D，在第一導電元件和第二導電元件之間安裝若干空間保持件，以使第一摩擦層和第二摩擦層面對面并保持一定間隙，從而制備出第一實施例的自驅(qū)動光電傳感器。
[0108]對于圖6所述的本發(fā)明第二實施例的自驅(qū)動光電傳感器，其制備方法與圖1所示自驅(qū)動光電傳感器的制備方法類似，不同之處僅在于，步驟D包括:
[0109]子步驟Dl，在第一導電元件的外側(cè)加裝第一絕緣支撐件10 ；
[0110]子步驟D2，在第二導電元件的外側(cè)加裝第二絕緣支撐件20 ；
[0111]子步驟D3，在第一絕緣支撐件和第二絕緣支撐件之間增加空間保持件，并且該空間保持件與第一導電元件和第二導電元件絕緣。
[0112]對于圖8所述的本發(fā)明第三實施例的自驅(qū)動光電傳感器，其制備方法與圖6所示自驅(qū)動光電傳感器的制備方法類似，不同之處僅在于:步驟A包括:對第一導電層的下表面進行處理，以形成第一摩擦層。
[0113]以下給出依照本發(fā)明所制備的三個光電傳感器的詳細情況。需要說明的是，該三個光電傳感器僅用于說明本發(fā)明，但不對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和參數(shù)產(chǎn)生任何限制。
[0114]一、紫外光傳感器
[0115]米用厚度為50nm、尺寸為2.5cmX 2.0cm的金屬鎳薄膜層作為第一導電兀件，厚度為25 μ m的聚四氟乙烯薄膜層作為第一摩擦層，采用厚度同樣為50nm、尺寸為
2.5cmX2.0cm的金屬鎳薄膜層作為第二導電元件，通過水熱法在絕緣層玻璃上原位生長由寬為28nm、長為160nm的片狀二氧化鈦組成的2 μ m大小的三維納米球陣列作為第二摩擦層，此三維納米球陣列不只可作為摩擦層，更可在上沉積厚度為200nm、尺寸為100 μ mX 100 μ m、距離為20 μ m的金屬鎳薄膜層作為光電傳感器電極,如此一來也具備了光電傳感器功能，進而變成自驅(qū)動的紫外光光電傳感器。
[0116]在實驗室中，以手指按壓作為驅(qū)動力來驅(qū)動該紫外光光電傳感器，在紫外光強隨時間逐漸增加的情況下，由該紫外光光電傳感器輸出的光響應(yīng)電流如圖10所示。由圖10可知，輸出電流的振動幅度和紫外光照射強度能夠有非常好的線性關(guān)系，可用來對紫外光照射強度做檢測。
[0117]第一絕緣支撐件和第二絕緣支撐件均為有機玻璃板材，二者之間通過彈簧連接。未在第一支撐層或第二支撐層上施加外力時，第二摩擦層和第一摩擦層分離，互相之間留有Icm的間隙。由于聚四氟乙烯在摩擦電極序中具有極負的極性，而二氧化鈦相比較之下在摩擦電極序中的極性較正，本實施例的材料組合也有利于提高摩擦納米發(fā)電機的輸出。
[0118]通過上述光電傳感器與第一導電元件、第二導電元件連接后，再由第一導電元件和第二導電元件引出導線與外接電路連接，便可得到一自驅(qū)動且可攜式的紫外光光電傳感器。
[0119]本實施例的自驅(qū)動光電傳感器為使用有機玻璃作為絕緣支撐層架構(gòu)而成的一體性裝置，其在不同光線強度照射下使用人體力量驅(qū)動此裝置的光響應(yīng)如圖1lA至圖1lD所示。以固定外力施加在此紫外光光電傳感器上，在光波長為275?375nm，強度為20 μ Wcm_2?7mW cm_2的紫外光的照射下，可得到輸出電流從5nA?0.7 μ A，且為一線性，如圖1lA和圖1lB所示；至于輸出電壓則從17V變化到4V，也為一線性，如圖1lC所示。每平方厘米能量密度相對應(yīng)的電流相應(yīng)基本恒定，如圖1lD所示。由圖1lA至圖1lD可以看出，本實施例自驅(qū)動光電傳感器易于對照射光線的定量，且極為靈敏，定量范圍也廣，極具應(yīng)用價值。
[0120]二、紅外線傳感器[0121]以聚乙烯板材作為2個絕緣支撐，彈性膠作為空間保持件，直接在其中一塊聚乙烯板材鍍上金薄膜作為第一導電元件及組裝金納米顆粒作為第一摩擦層，作法為先蒸鍍50nm、尺寸為IcmX Icm的金薄膜,再利用1,6-己二硫醇(I, 6-Hexanedithiol)組裝上尺寸為56nm的金納米顆粒；在另一塊聚乙烯板材下表面鍍上厚度為IOOnm的金屬鋁作為第二導電元件，上表面使用水熱法成長50nm厚的HgTe薄膜作為第二摩擦層，再鍍上IOOnm的金方塊作為光電傳感器電極，以實現(xiàn)對紅外線的高選擇性偵測。
[0122]該紅外線傳感器中，采用表面具有金納米顆粒的金薄膜作為第一摩擦層，使其與第二摩擦層的接觸面積明顯增加，改善了傳感器的交流脈沖信號輸出性能。
[0123]三、可見光傳感器
[0124]米用厚度為0.5mm、尺寸為2cmX2cm的金屬招薄板作為第一導電兀件，厚度為100 μ m，且具金字塔形的聚二甲基硅氧烷薄膜作為第一摩擦層，此制作方式為首先在硅片上旋轉(zhuǎn)涂覆上一層光刻膠，利用光刻的方法在光刻膠上形成邊長在微米或次微米量級的正方形窗口陣列，然后再經(jīng)過熱氫氧化鉀的化學刻蝕，即可形成金字塔形凹陷結(jié)構(gòu)陣列的模板；之后利用倒入聚二甲基硅氧烷溷合液，在60°C的條件下烘烤12小時，之后再取下即可得到具金字塔形的聚二甲基硅氧烷薄膜。采用厚度為1_、尺寸為2cmX2cm的有機玻璃作為絕緣層，在其下表面鍍上50nm的銀薄膜當作第二導電元件，后在上表面原位生長長度為5 μ m的CdS納米線陣列作為第二摩擦層，再鍍上200nm的銀長條作為光電傳感器電極。用彈性橡膠作為空間保持件將金屬鋁薄板和有機玻璃連接，使得聚二甲基硅氧烷層與CdS納米線陣列面對面，并且無外力施加時保持二者的間距為0.5cm，從而形成可見光傳感器。
[0125]該可見光傳感器中，當表面有微米結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷與CdS納米線陣列在外力作用下接觸并發(fā)生擠壓時，由于聚二甲基硅氧烷具彈性，其能夠進入并填充CdS納米線陣列表面的凹陷結(jié)構(gòu)，較水平面接觸增大了接觸面積，因而具有很好的交流脈沖信號輸出性能。
[0126]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明多個實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當對本發(fā)明自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法有了清楚的認識。
[0127]此外，附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。并且上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進行簡單地熟知地替換。
[0128]綜上所述，本發(fā)明提供一種自驅(qū)動光電傳感器及其制備方法。該自驅(qū)動光電傳感器利用摩擦納米發(fā)電機所產(chǎn)生的脈沖電流作為傳感信號的載體，實現(xiàn)了光電傳感器的自驅(qū)動，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。
[0129]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，包括: 第一導電兀件； 第一摩擦層，位于所述第一導電元件的下表面； 第二導電元件，與所述第一導電元件相對設(shè)置； 第二摩擦層，位于所述第二導電元件上方絕緣層的上表面，其材料與所述第一摩擦層的材料位于摩擦電極序的不同位置，并且為光致阻變材料，用于接收待測光；以及 第一電極和第二電極，形成于所述第二摩擦層的隔開預(yù)設(shè)距離的不同位置，并與相應(yīng)位置的第二摩擦層形成電性接觸，其中，所述第一電極連接至所述第一導電元件，所述第二電極連接至所述第二導電元件；
其中，所述第一摩擦層和第二摩擦層能夠在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換，從而在所述第一導電元件和第二導電元件之間形成振幅隨照射至所述第二摩擦層的待探測光強度和/或波長而變化的交流脈沖信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第二摩擦層的材料選自于以下半導體材料:Sn02, ZnO, TiO2, In2O3, ZnS, ZnSe, ZnTe, GaN, Se, CdS, CdSe, CdTe, Si,Ge, PbS, InGaAs, PbSe, InSb, PbTe, HgCdTe, PbSn, HgS, HgSe, HgTe 和 Te。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第二摩擦層為直接生長或化學鍵連在所述絕緣層上的納米結(jié)構(gòu)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述待測光屬于紫外波段、可見光波段、紅外光波段時，所述第二摩擦層的材料分別為Ti02、CdS和HgTe。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第二摩擦層在所述第二導電元件上外延生長制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層的材料選自于絕緣材料或金屬材料，其中: 所述金屬材料包括:金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或上述金屬形成的合金； 所述絕緣材料包括:苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6_二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于:所述第一摩擦層的下表面經(jīng)過物理改性而形成微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)陣列。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述物理改性為:光刻蝕、化學刻蝕或離子體刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)選自于以下方式:納米線、納米棒、納米管、納米錐、納米顆粒、納米溝槽、微米線、微米棒、微米管、微米錐、微米顆粒和微米溝槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于:所述第一摩擦層的下表面點綴或涂覆納米材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層的下表面進行化學改性，該化學改性選自于以下兩種方式: 第一種方法是對第一摩擦層，在極性為正的材料表面引入強給電子基團，或者在極性為負的材料表面引入強吸電子基團； 第二種方法是在極性為正的材料表面引入正電荷，而在極性為負的材料表面引入負電荷。
12.根據(jù)權(quán)利要求ι-ll任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層的材料為聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一導電元件為金屬板，所述第一摩擦層通過導電膠與其電性連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層由所述第一導電元件的下表面形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層由所述第一導電元件的下表面經(jīng)過粗糙化處理而形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15任一項所述`的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層下表面和第二摩擦層上表面的形狀相同或互補。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一摩擦層和第二摩擦層為硬質(zhì)材料或柔性材料，其厚度介于50nm~2cm之間，且第一摩擦層和第二摩擦層的間距大于第一摩擦層厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，第一摩擦層的厚度介于Iμ m~2mm之間,第二摩擦層的厚度介于50nm~200nm之間，且第一摩擦層和第二摩擦層的間距大于第一摩擦層厚度一個數(shù)量級。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，還包括: 空間保持件，用于保持第一摩擦層和第二摩擦層之間在有外力的作用下相互接觸，而在沒有外力的作用下相互分開。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述空間保持件由絕緣材料制備，設(shè)置于所述第一導電元件和第二導電元件之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，還包括: 第一絕緣支撐件，用于固定所述第一導電元件；以及 第二絕緣支撐件，用于固定所述第二導電元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述空間保持件由絕緣材料或?qū)щ姴牧现苽?，設(shè)置于所述第一絕緣支撐件和第二絕緣支撐件之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一絕緣支撐件和/或第二絕緣支撐件的材料為有機玻璃板材、聚乙烯板材或聚氯乙烯板材。
24.根據(jù)權(quán)利要求19-23任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述空間保持件為:多個分離的彈性支撐體或一體的彈性支撐體。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述空間保持件為彈性橡膠、彈簧或彈片。
26.根據(jù)權(quán)利要求1-25中任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器,其特征在于,所述第一導電兀件和第二導電兀件的材料選自于:金屬、導電氧化物或?qū)щ姼叻肿印?br> 27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一導電元件和第二導電元件的材料選自于:銦錫氧化物、金、銀或鉬。
28.根據(jù)權(quán)利要求1-27任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于:所述第一導電元件和第二導電元件為硬質(zhì)材料或柔性材料，其厚度介于IOnm~2cm之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求1-28中任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述絕緣層的厚度介于IOnm至5mm之間，其材料為相異于第二摩擦層的材料,選自于以下材料其中之一:有機玻璃、二氧化硅、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6_二甲基聚亞苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述絕緣層為二氧化硅層或有機玻璃。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述`的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述二氧化硅層的厚度介于Inm~1000 μ m之間,優(yōu)選地介于IOnm~100 μ m之間,最佳地介于IOOnm~10 μ m之間；或 所述有機玻璃的厚度介于IOOnm~1000 μ m之間,優(yōu)選地基于Ium~1000 μ m之間,最佳地介于IOum~1000 μ m之間。
32.根據(jù)權(quán)利要求1-31中任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一電極和第二電極選自于:金屬、導電氧化物或?qū)щ姼叻肿印?br> 33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一電極和第二電極選自于:金、銀或鉬。
34.根據(jù)權(quán)利要求1-33任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器，其特征在于，所述第一電極和第二電極與相應(yīng)位置的第二摩擦層形成肖特基接觸。
35.一種制備方法,用于制備權(quán)利要求1-34中任一項所述的自驅(qū)動光電傳感器,其特征在于，包括: 步驟A，制備第一導電元件和第一摩擦層； 步驟B，制備第二導電元件、絕緣層和第二摩擦層，并在第二摩擦層的不同位置制備第一電極和第二電極； 步驟C，將第一電極與第一導電元件電性連接；第二電極與第二導電元件電性連接； 步驟D，將第一導電元件、第一摩擦層、第二導電元件、絕緣層、第二摩擦層組成的器件按照預(yù)設(shè)位置配置后封裝，并使所述第一摩擦層和第二摩擦層所組成的摩擦發(fā)電機可在分離狀態(tài)和接觸狀態(tài)之間往復(fù)切換。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的制備方法，其特征在于，所述步驟D還包括: 在第一導電元件和第二導電元件之間安裝空間保持件，以使第一摩擦層和第二摩擦層面對面并保持一定間隙。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的制備方法，其特征在于，所述步驟D還包括: 子步驟Dl，在第一導電元件的外側(cè)加裝第一絕緣支撐件； 子步驟D2，在第二導電元件的外側(cè)加裝第二絕緣支撐件； 子步驟D3，在第一絕緣支撐件和第二絕緣支撐件之間增加空間保持件，并且該空間保持件與第一導電元件和第二導電元件絕緣。
38.根據(jù)權(quán)利要求35-37任一項所述的制備方法，其特征在于，所述步驟A包括:對第一導電層的下表 面進行處理，以形成第一摩擦層。
【文檔編號】H02N1/04GK103780134SQ201310355924
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】林宗宏, 程綱, 王中林 申請人:國家納米科學中心