物联网是信息时代的发展要求,我国的物联网行业在国家的相关政策推动下迅速发展,物联网中最基本也是最重要的组成部分是不同功能的传感器。传感器作为物联网的最底层,担负着感知周围环境和外界变量的作用,稳定高性能的传感器就成为物联网中技术的关键。半导体气体传感器作为传感器网络的重要组成部分,受到广泛关注。然而商业化半导体气体传感器的性能和环境稳定性均有待提高,因此高性能的半导体气体敏感材料的研究十分重要。同时,现有的传感器大部分基于有源电子器件来设计,无论在进行信号采集还是信号处理方面都需要有额外的能量供给。为了可以实时捕捉周围环境中的变量情况,如温湿度、声、光、震动等信号,传感器需要实时在线监控,这样就需要持续的能量供应。不仅降低了传感器的工作寿命,同时也影响了传感器的续航能力,甚至限制了在偏远地域或者有潜在危险的地区布置传感器的可能性。自驱动传感器系统为解决上述问题提供了一个有效的方案,基于摩擦纳米发电机原理的自驱动传感器系统可以收集周围环境中如震动,波浪,雨滴等各种机械能量,然后将其转化为电能为电子元件供电,可以实现器件的长期稳定运行。本文的主要研究内容包括:1、利用水热合成方法制备p型Co3O4半导体敏感材料,通过改变反应物,即磷酸钠(Na3PO4·12H2O)和硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)的离子浓度和比例,可以得到不同结构形貌的Co3O4纳米材料,当离子浓度较低时得到表面光滑的实心Co3O4棒状结构,而当离子过量时可以得到具有更大比表面积的梳子状分等级结构Co3O4。不同的表面形貌对气体的选择性,灵敏度和响应恢复时间方面都不同。根据其良好的敏感性能我们制作出可以实时监测一氧化碳泄漏的高灵敏传感器。2、通过静电纺丝和水热合成相结合的方法将p型Cu O和n型Ti O2进行了组装,制备了Cu O/Ti O2异质结构纳米纤维,这种新型结构的敏感材料性能较单独两种纯相材料都有了较大的改善,同时新材料的最佳工作温度下降了120oC,变相提高了器件的寿命,降低了其功耗。通过调节工作温度,Cu O/Ti O2异质结构纳米纤维所制备的传感器可以同时用来检测甲醛和乙醇,拓宽了该气体传感器的用途。3、以银纳米线做为导电材料,硅橡胶为封装介质材料,制备了具有超强拉伸能力的全柔性摩擦纳米发电机,并以其为基础开发出了柔性电子触觉皮肤。器件具有极强的拉伸和形变能力,即使遭受严重的外部撕裂依然可以保持完整的结构性和功能性,在伸长率为300%,转移电荷密度可以达到70μC/m2。同时器件也具有良好的表面贴附性,可以附着在各种不规则物体表面进行能量收集和触觉感知。若将多个敏感单元组成阵列,也可以应用于电子皮肤领域精确感知外部接触。4、通过将vitrimer弹性体与银纳米线导电网络相结合,开发出具有自愈合功能的柔性摩擦纳米发电机。器件在经历损坏后给予一定的外界刺激,可以自我修复,并保持输出性能基本不变。同时受乐高拼图玩具的启发,我们设计了一种梯田状器件结构单元,其可以自由拼接拓展,使柔性电子器件在用户端的组装变得极其容易,可以根据自己的需求设计和制作柔性器件。拼接拓展后的纳米发电机的能量转化效率会随面积增加而增大,所转化的电能足以驱动一块商用智能手表。同时还利用其结构设计了柔性触觉压力传感器和自驱动羽毛球场地感应、计分系统。