CN102889925B - 基于ZnO纳米线的自供电振动传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自供电振动传感器，包括：悬臂梁；悬臂梁上的自供电振动传感器元件，其中自供电振动传感器元件包括：上电极和下电极；上电极和下电极之间的介电层；多条具有压电效应的纳米结构，位于介电层中，所述纳米结构与上电极和下电极绝缘，并与上电极或下电极大致平行。本发明还提供了一种自供电振动传感器装置和自供电振动传感器的制造方法。

Description

基于ZnO纳米线的自供电振动传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种自供电振动传感器及其制造方法，尤其涉及一种由锥状ZnO纳米线构成的自供电振动传感器及其制造方法。

背景技术

在现有技术中，有关振动传感器的种类很多，这些器件中的核心部分多为基于PZT的压电陶瓷片或薄膜，而PZT中含有的Pb(铅)严重污染环境。且现有技术中的振动传感器一般结构都比较复杂，制作精度要求高，体积和重量比较大，并且需要外部电源供电，这些缺点限制了振动传感器的广泛应用。

ZnO纳米线具有优良的环境友好性，是一种绿色的压电材料。2007年，美国佐治亚理工的王中林教授通过用AFM的针尖拨动单跟纳米线，第一次观察到了ZnO的发电现象。自此，不同结构，获取不同能量源的纳米发电机相继产生。对这些发电机的研究，不难发现，产生的电学信号与外界能量源的特征有密切关系，这包括频率、力的大小、形变量等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZnO纳米线的自供电振动传感器，以解决现有振动传感器体积和重量比较大、且需要外部电源供电的问题。

本发明是利用ZnO纳米线的压电特性而构成的。在过去的几年里，基于ZnO纳米线的不同的结构的纳米发电机被相继报道。最初，在用原子力显微镜的针尖侧向推动ZnO纳米线的过程中观察到了发电现象(Wang Z Land Song J H 2006Science 312 242)，紧接着制备了可以吸收高频超声波能量的发电机(Wang X D，Song J H，Liu J and Wang Z L 2007Science 316102)，之后又制备了横向的柔性发电机(Zhu G，Yang R S，Wang S H andWang Z L 2010Nano letter.10 3515)，可以把低频的能量转化为电能。这些改进极大地拓宽了纳米发电机将自然界浪费和闲置的能量源转化为电能的能力，同时也为监测这些能量源提供了一个全新的手段。纳米发电机能收集周围环境的振动机械能、声波和超声波产生的能量和人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。纳米发电机所产生的电学信号与其所受到的外界作用信号的特征相吻合。因此，可以通过直接测量和分析纳米发电机产生的电学信号就可获得机械振动，声波等外界作用的特征。

由此，本发明提供一种自供电振动传感器，包括：

悬臂梁；

悬臂梁上的自供电振动传感器元件，包括：

上电极和下电极；

上电极和下电极之间的介电层；

多条具有压电效应的纳米结构，位于介电层中，所述纳米结构与上电极和下电极绝缘，并与上电极或下电极大致平行。

根据本发明提供的自供电振动传感器，其中所述纳米结构为ZnO纳米线。

根据本发明提供的自供电振动传感器，其中悬臂梁由与下电极相同的材料与下电极一体形成，从而悬臂梁兼做下电极，由此可简化结构。

根据本发明提供的自供电振动传感器，其中所述介电层包括多个子介电层，每一子介电层中均包括多条锥状的ZnO纳米线。

根据本发明提供的自供电振动传感器，其中悬臂梁上具有多个自供电振动传感器元件，各自供电振动传感器元件相互串联、并联或串并联。

根据本发明提供的自供电振动传感器，其中自供电振动传感器元件设置在靠近悬臂梁固定端的一侧或设置在悬臂梁的中部。

根据本发明提供的自供电振动传感器，其中悬臂梁上设置有质量块，以增加振动的振幅。

本发明还提供一种自供电振动传感器装置，包括：

壳体；

自供电振动传感器，固定在壳体的内表面上。

根据本发明提供的自供电振动传感器装置，其包括多个自供电振动传感器，多个自供电振动传感器的固有振动频率相同或不同。

根据本发明提供的自供电振动传感器装置，多个自供电振动传感器位于壳体的同一内表面上，或位于壳体的不同的内表面上。

本发明还提供一种制备自供电振动传感器的方法，包括：

1)在下电极上沉积一介电材料层；

2)在介电材料层上滴加含有均匀分散的多条锥状ZnO纳米线的乙醇溶液；

3)再沉积一介电材料层；

4)形成上电极；

5)将步骤1-4形成的结构固定到悬臂梁上。

根据本发明提供的制备自供电振动传感器的方法，其中悬臂梁由与下电极由相同的材料与下电极一体形成，在悬臂梁上直接进行步骤1。

本发明提供的自供电振动传感器，由于采用了悬臂梁的结构，在受到外力振动时，可增大振动幅度、延长振动时间，因此无需外部供电、结构简单、体积小、质量轻、长寿命、可对被测物体进行全方位检测，且制备过成简单方便，无需复杂的工艺。不仅可以用于仪器设备的机械振动检测，声波的检测，还可用于人体中某些振动的检测，例如脉搏振动。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为本发明提供的自供电振动传感器的布置示意图；

图2为本发明提供的自供电振动传感器元件的剖面示意图；

图3为本发明第1实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；

图4为本发明第1实施例提供的自供电振动传感器当悬臂梁振动时产生的电学信号随时间变化的曲线；

图5为本发明第1实施例提供的自供电振动传感器当悬臂梁受到周期性的方波外力作用时所产生的电学信号随时间变化的曲线；

图6为本发明第2实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；

图7为本发明第3实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；

图8为本发明第4实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；

图9为本发明第5实施例提供的自供电振动传感器装置的示意图；以及

图10为本发明第6实施例提供的自供电振动传感器装置的示意图。

具体实施方式

基于ZnO纳米线的上述特征，本发明提供了一种如图1所示的自供电振动传感器，包括：

悬臂梁2，固定到固定片3上；

悬臂梁上的自供电振动传感器元件1。

其中自供电振动传感器元件1(如图2所示，为图1所示的自供电振动传感器元件1的局部放大图)，包括：

上电极15；

下电极12；

上电极、下电极之间的介电层14；

多条锥状的c轴方向生长的ZnO纳米线13(为清晰起见在图2中仅示出一条)，位于介电层中且随机分布，大致与上、下电极平行，并与上、下电极绝缘。

如图2所示，由于ZnO纳米线为锥状，因此ZnO纳米线的斜边大致与下电极平行，此时ZnO纳米线的c轴与下电极呈一角度α。当悬臂梁受到振动时，自由端产生偏离平横位置的位移，使得内部的ZnO纳米线发生应变，产生沿c轴方向([0001]方向)的电势梯度。例如，当悬臂梁向上弯曲时，位于悬臂梁上边缘的传感器元件1中的ZnO纳米线受到压应力，这时产生的电势沿c方向由正变为负；当悬臂梁向下弯曲时，ZnO纳米线受到张应力，这时产生的电势沿c方向由负变为正。

对于在基底上大量随机分布的ZnO纳米线，当其受到应力时，沿介电层平面内方向的电势分量由于ZnO纳米线的随机分布而彼此相互抵消，而沿介电层法向方向的电势分量则由于方向相同而叠加，从而宏观上仅在上下电极之间产生电势差。该电势差驱动外电路中的电子流动，从而产生电压或电流信号。得到的电学信号的频率与振动频率相同，幅值与振动幅值呈比例，从而可以得出周期、加速度和振幅等振动特征量。

下面提供几种不同的实施例，这些实施例仅为示例性的，根据本发明对下列实施例做出的改进对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此同样落入本发明的范围。

实施例1

本实施例提供一种如图3所示的自供电振动传感器，包括：

厚度约200μm的PI(聚亚酰胺)基底111；

基底111上的Cr/Au下电极112；

下电极112上的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)介电层114；

PMMA介电层114上的Cr/Au上电极115；

多条锥状的c轴方向生长的ZnO纳米线113，随机分布于介电层中，大致与上、下电极平行，并与上、下电极绝缘；

悬臂梁102，支撑上、下电极及其两者之间的介电层和ZnO纳米线，悬臂梁102的一端固定在固定片(固定片的结构与图1中相同，为清晰起见在图3中未示出)上；

两条引线116，分别与上电极和下电极电连接。

其中基底、下电极、介电层、上电极、多条锥状的ZnO纳米线共同构成传感器元件101。

本实施例提供的自供电振动传感器可通过以下方法制成：

1)在厚度约200μm的PI(聚亚酰胺)基底111上沉积Cr/Au下电极112；

2)在下电极112上旋涂一层厚度约2μm的PMMA；

3)把含有均匀分散的纳米线113的乙醇溶液滴在PMMA层上；

4)待溶液蒸发后，再旋涂一层2μm的PMMA；

5)在PMMA层上沉积Cr/Au上电极115；

6)从上、下电极分别引出引线116；

7)将步骤1-6所形成的结构固定到悬臂梁102上，并将悬臂梁102固定到固定片上。

当本实施例提供的自供电振动传感器的悬臂梁受到向下的外力冲击时，会产生如图4所示的电学信号。当本实施例提供的自供电振动传感器的悬臂梁受到周期性的方波外力作用时，会产生如图5所示的电学信号。根据获得的电学信号，就可以判断冲击外力的方向(电压值从零变为负(电场方向以从上电极指向下电极的方向为正)，表明受到向下的冲击力；反之，表明受到向上的冲击力)；根据电压信号的大小还可以得出冲击力的大小等。可应用于地震的监测，脉搏、心脏等医学应用。

不仅通过电学信号获得周期性外力的大小，周期等参数，还可对产生周期性外力的仪器或大型设备进行实时监控。如果产生的电学信号发生异常，那很可能机器出现了故障。

实施例2

本实施例提供一种如图6所示的自供电振动传感器，包括：

厚度约200μm的PI(聚亚酰胺)基底211；

基底211上的Cr/Au下电极212；

下电极212上的第一子介电层214a和第二子介电层214b，每一子介电层214a、214b中均具有多条锥状的c轴方向生长的ZnO纳米线213，ZnO纳米线213大致与上、下电极平行，并与上、下电极绝缘，第一、第二子介电层由PMMA构成；

第二子介电层214b上的Cr/Au上电极215；

悬臂梁202，支撑上、下电极及其两者之间的介电层和ZnO纳米线，悬臂梁202的一端固定在固定片(固定片的结构与图1中相同，为清晰起见图6中未示出)上。

其中基底、下电极、第一和第二子介电层、上电极、多条锥状的ZnO纳米线共同构成传感器元件201。

本实施例提供的自供电振动传感器可通过以下方法制成：

1)在厚度约200μm的PI(聚亚酰胺)基底211上沉积Cr/Au下电极212；

2)在下电极212上旋涂一层厚度约2μm的PMMA层；

3)把含有均匀分散的纳米线213的乙醇溶液滴在PMMA层上；

4)待溶液蒸发后，再旋涂一层200nm的PMMA层；

5)再一次把含有均匀分散的纳米线213的乙醇溶液滴在PMMA层上；

6)旋涂一层厚度约2μm的PMMA层；

7)沉积Cr/Au上电极215；

8)将步骤1-7所形成的结构固定到悬臂梁202上，并将悬臂梁202固定到固定片上。

根据本实施例提供的自供电振动传感器，其中含有锥状的ZnO纳米线的介电层为两层，从而可增加自供电振动传感器所产生的电学信号的强度。可根据实际应用而选择含有锥状的ZnO纳米线的介电层的层数。所述介电层之间可具有明显的分界，也可以没有明显的分界，即各个介电层结合为一体。

实施例3

本实施例提供一种如图7所示的自供电振动传感器，包括：

固定在固定片(固定片的结构与图1中相同，为清晰起见在图7中未示出)上的悬臂梁302，由导电材料制成；

悬臂梁302上的介电层314；

介电层314上的上电极315；

多条锥状的c轴方向生长的ZnO纳米线313，位于介电层中，大致与上电极和悬臂梁302平行，并与上电极和悬臂梁302绝缘。

其中介电层、上电极、多条锥状的ZnO纳米线共同构成传感器元件301。

本实施例提供的自供电振动传感器可通过以下方法制成：

1)在悬臂梁302上旋涂一层厚度约2μm的介电材料层；

2)把含有均匀分散的纳米线313的乙醇溶液滴在介电材料层上；

3)待溶液蒸发后，再旋涂一层2μm的介电材料层。

根据本实施例提供的自供电振动传感器，利用导电的悬臂梁302充当下电极，可简化结构，减少制备步骤。

实施例4

本实施例提供一种如图8所示的自供电振动传感器，包括：

固定在固定片(固定片的结构与图1中相同，为清晰起见在图7中未示出)上的悬臂梁402；

多个自供电振动传感器元件401a、401b，被相互分离地支撑在悬臂梁402上。

其中每个自供电振动传感器元件包括：

厚度约200μm的基底411；

基底411上的下电极412；

下电极412上的介电层414；

介电层414上的上电极415；

多条锥状的c轴方向生长的ZnO纳米线413，位于介电层中，大致与上、下电极平行，并与上、下电极绝缘。

其中，通过引线，可以使多个自供电振动传感器元件被相互并联或串联或者串并联，这可以视需要检测的信号是电流信号或电压信号来决定。例如，当检测的信号是电流信号时，将多个自供电振动传感器元件相互并联，以增大电流信号强度。当检测的信号是电压信号时，将多个自供电振动传感器元件相互串联，以增大电压信号强度。

多个自供电振动传感器元件可以具有相同的共振频率，也可以具有不同的共振频率，以扩大频率的检测范围。

根据本发明上述任一实施例所述的自供电振动传感器，其中基底可由聚合物或金属等材料制成。

根据本发明上述任一实施例所述的自供电振动传感器，其中介电层的材料可以为聚合物，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PI(聚亚酰胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PS(聚苯乙烯)等。

根据本发明上述任一实施例所述的自供电振动传感器，其中悬臂梁上还可固定有质量块，以增加振动的振幅，从而增大自供电振动传感器的输出信号强度，质量块可置于悬臂梁上自供电振动传感器元件以外的任何位置，可以根据所需的频率和振幅来决定。另外，为了增加传感器的敏感度，可将传感器元件设置在悬臂梁的受弯较大的部位，即悬臂梁的中部或靠近固定端的一侧。

根据本发明上述任一实施例所述的自供电振动传感器，其中除引线外，也可以用其它的互联方式将电流引出，如利用印刷在悬梁臂上的印刷电路等。也可使悬臂梁由导电材料制成，并使悬臂梁直接与下电极接触，从而导出电信号。

实施例5

本实施例提供一种如图9所示的自供电振动传感器装置，包括：

立方体状的壳体4；

四个自供电振动传感器a、b、c、d，分别通过固定片3固定在壳体的上、下、左、右四个内表面。

根据本实施例提供的自供电振动传感器装置，各自供电振动传感器a、b、c、d固有振动频率可以相同也可以不同。

通过在壳体的不同位置固定自供电振动传感器，可以对振动进行全方位的检测。

实施例6

本实施例提供一种如图10所示的自供电振动传感器装置，包括：

立方体状的壳体4；

多个自供电振动传感器e、f、g、h、i、j，分别通过固定片3固定在壳体的上、下、左、右四个内表面，其中自供电振动传感器e、f、g位于壳体的同一个内表面上，且它们的固有振动频率不同，自供电振动传感器e、f、g可以通过引线16串联或并联或者串并联在一起。

例如，当检测的信号是电流信号时，将多个自供电振动传感器相互并联，以增大信号强度。当检测的信号是电压信号时，将多个自供电振动传感器相互串联，以增大信号强度。

根据本发明的一个实施例提供的自供电振动传感器装置，其中壳体可以由金属、玻璃或塑料等任何材料构成，形状可以是球形、方形等任何形状，材料和形状的选择的前提为保证整个传感器不受检测环境的干扰。

根据本发明的一个实施例提供的自供电振动传感器装置，其中自供电振动传感器的数量和位置不限于本实施例提供的位置，可以根据实际应用决定各个自供电振动传感器的各自的位置。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种自供电振动传感器，包括：

悬臂梁；

悬臂梁上的自供电振动传感器元件，包括：

上电极和下电极；

上电极和下电极之间的介电层；

多条c轴方向生长的锥状ZnO纳米线，均匀分散地位于介电层中，所述锥状ZnO纳米线与上电极和下电极绝缘，且锥状ZnO纳米线的斜边与上电极或下电极大致平行，使锥状ZnO纳米线的c轴与上电极或下电极呈一角度。

2.根据权利要求1所述的自供电振动传感器，其中悬臂梁由与下电极相同的材料与下电极一体形成。

3.根据权利要求1所述的自供电振动传感器，其中悬臂梁上具有多个自供电振动传感器元件，各自供电振动传感器元件相互串联、并联或串并联。

4.根据权利要求1-3之一所述的自供电振动传感器，其中自供电振动传感器元件设置在靠近悬臂梁固定端的一侧或设置在悬臂梁的中部。

5.根据权利要求1-3之一所述的自供电振动传感器，悬臂梁上设置有质量块，以增加振动的振幅。

6.一种自供电振动传感器装置，包括：

壳体；

如权利要求1-5中任一权利要求所述的自供电振动传感器，固定在壳体的内表面上。

7.根据权利要求6所述的自供电振动传感器装置，包括多个自供电振动传感器，多个自供电振动传感器的固有振动频率相同或不同，多个自供电振动传感器位于壳体的同一内表面上，或位于壳体的不同的内表面上。

8.制备如权利要求1所述的自供电振动传感器的方法，包括：

1)在下电极上沉积一介电层；

2)在介电层上滴加含有均匀分散的多条c轴方向生长的锥状ZnO纳米线的溶液；

3)再沉积一介电层；

4)形成上电极；

5)将步骤1)-4)形成的结构固定到悬臂梁上。