CN103354433A - 一种弹簧式纳米发电机及自驱动测力仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以弹簧为基底制备的压电纳米发电机，以及基于这种纳米发电机的自驱动测力仪。包括：弹簧基底，构成所述弹簧基底的弹簧丝所具有的导电外表面，与所述导电外表面外侧紧密接触的压电体层，和与所述压电体层外侧紧密接触的外电极，其中，所述压电体层能在所述弹簧基底发生形变的情况下产生压电效应，并通过所述导电外表面和外电极向外电路输出电信号。利用弹簧的压缩距离与所加外力呈线性关系的优势，实现自驱动压力传感器和测量。本发明的自驱动测力仪体积小，可以方便的置于各种机械部件中；工作时不需要外接电源，具有安全、可靠、绿色等优点，对于智能交通以及现代工业中的可持续发展具有重要意义。

Description

一种弹簧式纳米发电机及自驱动测力仪

技术领域

本发明提供了一种以弹簧为基底的压电纳米发电机，特别是一种基于这种纳米发电机的自驱动测力仪。

背景技术

“无线传感器网络”这个概念的提出和发展对于当今社会的进步和发展具有重要意义。各种不同形式的传感器，包括生物、化学、气体、压力、温度等等，都可以作为传感器网络的基础元件。但是，传统的传感器器件都需要外接一个直流电源（如电池）用于驱动这个器件，这样就给整个系统增加了很大的负担和成本，比如更换电池的成本和电池本身对系统重量的增加。

近年来，基于压电纳米发电机的自驱动压力传感器的出现，很大程度上为这个问题提出了一个可能的解决方案。这种自驱动压力传感器的原理是，当纳米发电机接收到一个加载的压力信号时，由于压电效应产生的输出电压和输出电流与所加载的压力呈正相关的关系。因此，通过分析输出电压和电流的变化即可得到加载压力的信息。但是，现有的自驱动压力传感器都是平板状的薄层器件，虽然尺寸较小，但是机械强度不高，能承受的压力源上限较低，而且总需要以一定的方式固定在某些机械部件或其他装置上，这样就有可能给这些部件的正常工作带来不便，因此在应用中受到一定的限制。另外，压力源和输出信号的稳定相关性也是制约压力传感器应用的一个关键问题。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种自驱动测力仪，主要用于工业上和交通中的压力传感和重量测试。

为了实现上述目的，本发明提供一种弹簧式压电纳米发电机，包括：

弹簧基底，

构成所述弹簧基底的弹簧丝外侧所包含的导电外表面，

与所述导电外表面外侧紧密接触的压电体层，

和，与所述压电体层外侧紧密接触的外电极，

其中，所述压电体层能在所述弹簧基底发生形变的情况下产生压电效应，并通过所述导电外表面和外电极向外电路输出电信号；

优选地，所述压电体层由压电材料构成，并且其中至少部分压电材料具有相同的晶体取向；

优选地，所述具有相同晶体取向的压电材料具有微米和/或纳米结构；

优选地，所述微米和/或纳米结构选自微米线、纳米线、微米丝、纳米丝、微米棒、纳米棒、微米柱、纳米柱、微米锥、纳米锥、微米带、纳米带、由上述微米和/或纳米结构形成的微米和/或纳米阵列、微米颗粒和纳米颗粒；

优选地，所述压电体层为薄膜或薄层，厚度为10nm-800μm；

优选地，所述压电体层的厚度为50nm-500μm；

优选地，所述压电体层由半导体压电材料、有机物压电材料和/或在有机物中掺入压电材料的复合压电材料构成；

优选地，所述半导体压电材料选自具有纤锌矿结构、闪锌矿结构、钙钛矿结构和/或铌酸锂结构的材料；

优选地，所述半导体压电材料选自ZnO、GaN、CdS、InN、GaP、GaAs、GaSb、InGaN、CdTe、CdSe、ZnSnO₃、铌酸锂和锆钛酸铅；

优选地，所述有机物压电材料为聚偏二氟乙烯；

优选地，所述压电体层是在所述导电外表面原位制备而得到；

优选地，构成所述弹簧基底的弹簧丝为导体；

优选地，所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铁、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；

优选地，所述导体为不锈钢；

优选地，构成所述弹簧基底的弹簧丝由半导体或绝缘体内芯及导电外表面构成；

优选地，所述弹簧基底选自拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧；

优选地，所述外电极选自金属、导电氧化物或导电高分子；

优选地，所述外电极为薄膜或薄层；

优选地，所述压电体层还包括第一绝缘封装层，用于填充所述微米和/或纳米结构中间的空隙；

优选地，所述第一绝缘封装层的厚度不超过所述微米和/或纳米结构的高度；

优选地，还包括第二绝缘封装层，用于将裸露的所述外电极以及弹簧丝的横截端面封闭；

优选地，所述第一绝缘封装层和/或第二绝缘封装层的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或SU8光刻胶；

优选地，所述压电体层与所述导电外表面接触的部分为种子层，并在其上进行所述微米和/或纳米结构的原位制备；

优选地，所述导电外表面由非连续导电单元构成，并且各导电单元的材料和尺寸可以相同也可以不同。

本发明还提供一种自驱动测力仪，包括如前所述的弹簧式纳米发电机和电信号测量装置；

优选地，还包括模式转换器，其中所述模式转换器用于控制所述测力仪在工作模式和待机模式之间转换，其中所述工作模式是指所述电信号测量装置处于工作状态，能够监测测力仪输出的电信号；所述待机模式是所述电信号测量装置处于关机状态，不能监测测力仪输出的电信号；

优选地，还包括与所述电信号测量装置并联连接的可充电电源，其能够在待机模式的状态下接收测力仪输出的电信号并将其存储，同时还能够在工作模式的状态下为所述电信号测量装置供电。

本发明还提供一种外力加载速度的测量方法，使用前述的自驱动测力仪，并且所述电信号测量装置包括电流测量元件。

与现有技术相比，本发明提供的压电纳米发电机及基于该纳米发电机制备的自驱动测力仪具有下列优点：

1、以弹簧为基底材料和内电极，突破了目前纳米发电机平板构型的限制，而且具有较高的机械强度和稳定的输出电压及电流，极大地扩展了纳米发电机的应用范围。

2、通过弹簧基底的使用，实现了静态压力和动态加载速率的同时测定，这在本领域中尚属首次。

3、本发明测力仪的工作具有自驱动性。本发明的测力仪以纳米发电机为核心部件，在压力源的作用下输出电信号并不需要外接电源供电，

4、通过“工作模式”和“待机模式”的设置还可以实现包括信号监测和数据分析装置的测力仪整套系统的自驱动工作：在工作模式下，纳米发电机输出开路电压和短路电流来反映器件表面的受力信息；而在“待机模式”下，纳米发电机通过收集不同的外力及震动产生的机械能，并将其转化为电能，用电容器或者电池储存起来，用于为测力仪的监测和分析设备供电，这样就能实现整个测力仪系统的自驱动工作。这样一方面可以使器件的尺寸小型化、便于携带和操作；另一方面，也节省了需要经常更换电池或其他电源的成本，有利于实现绿色化和多功能化的测力仪。

5、本发明的纳米发电机和测力仪，可以直接在弹簧部件上进行加工，整个纳米发电机的尺寸与弹簧的尺寸很相近，因此这种器件可以很方便的置于各种机械部件中间，用于测定很多平时不方便测得的机械力的大小（如汽车内部的某些部件的受力情况），并且不会影响机械部件的正常工作。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明弹簧式纳米发电机的一种典型结构示意图，其中（a）为整体结构示意图，（b）为（a）图中虚线方框所圈出的弹簧丝剖面示意图，（c）为本发明弹簧式纳米发电机的实物照片；

图2为本发明弹簧式纳米发电机的工作原理示意图，其中（a）为纳米发电机的工作过程和发电原理，（b）为纳米发电机工作过程的输出电流图；

图3为本发明弹簧式纳米发电机输出信号与外力加载速度的关系图，其中（a）为输出的短路电流图，（b）为输出的开路电压图；

图4为本发明弹簧式纳米发电机的另一种典型结构的弹簧丝剖面示意图；

图5为本发明弹簧式纳米发电机的另一种典型结构的弹簧丝剖面示意图；

图6为本发明弹簧式纳米发电机的另一种典型结构的弹簧丝剖面示意图；

图7为本发明自驱动测力仪的一种典型结构示意图；

图8为实验测得的纳米发电机的输出电压（a）和输出电流（b）；

图9为实施例4中2.5英寸长的弹簧式纳米发电机所输出的电信号；

图10为实施例4中2英寸长的弹簧式纳米发电机所输出的电信号；

图11a为弹簧式纳米发电机作为自驱动测力仪的原理示意图；

图11b为实验测得的自驱动测力仪的工作曲线，即开路电压和短路电流与加载重量的线性关系。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

压电效应是物质在应力作用下发生形变而产生内部电势的现象，这种具有压电效应的物质即为压电材料。具有非中心对称的纤锌矿构型的晶体是一种比较典型的压电材料，同时具有闪锌矿结构、钙钛矿结构和铌酸锂结构的物质也是常见的能够产生压电效应的物质。此处以氧化锌为例对其压电效应的产生原理进行说明。Zn²⁺正离子和O^2-负离子形成正四面体结构。无应力作用下，正电荷和负电荷中心重合，总偶极矩等于零。如果有应力加在正四面体的一个顶点上，正负离子的中心会相对错位，从而在晶体中引入偶极矩，晶体中所有单元产生的偶极矩叠加后会在晶体中沿应变方向形成宏观的电势差，这就是压电电势（压电势）。压电势是由非移动的不能消除的离子电荷引起的，只要应力存在，压电势就存在。这是压电纳米发电机的工作基础。

图1为本发明弹簧式纳米发电机的一种典型结构。纳米发电机10包括弹簧基底101，构成该弹簧基底101的弹簧丝具有导电外表面105，该导电外表面105同时充当发电机的内电极，从弹簧丝导电外表面105的外侧面向外依次为压电体层103和外电极104，其中压电体层103中包含具有相同晶体取向的微米和/或纳米结构102，在弹簧基底101发生形变的情况下，所述内外电极能够向外电路输出电信号。

为了方便说明，以下将结合图1所示的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。

结合附图2对本发明的弹簧式纳米发电机的工作原理进行说明。弹簧式纳米发电机10的一端被固定，另一端作为自由端用于接收由线性马达施加的力F，使其由原始状态被压缩，弹簧基底101被压缩后会引起其表面附着的压电体层103发生形变，从而产生压电效应，并在内外电极之间形成压电电势差，因此当内外电极通过导线与电流表连接时，电子会通过外电路在内外电极之间发生转移，以平衡该压电电势差（参见图2-I），因此电流表可以检测到一个电流峰值（参见下面电流图中标号为I的信号图形）；当施加的外力继续增加，使弹簧基底101被压缩至最短并保持恒定时（参见图2-Ⅱ），压电体层103的形变状态并没有发生变化，因此内外电极之间的压电电势差保持恒定，没有电信号输出，在电流图中显示为一条直线（参见电流图中标号为Ⅱ的信号图形）；随着施加的外力逐渐减小（参见图2-III），作用在压电体层103上的压缩力被释放，压电电势差逐渐消失，为保持电平衡，在上一步骤中累积在内外电极上的电子通过外部电路回流到原来的电极，从而在电流表中测定到反向的电流峰值（参见电流图中标号为III的信号图形）；当施加的外力完全撤除时，一个循环结束（参见图2-Ⅳ），此时累积的电子已完全流回，没有电信号再产生，电流表检测不到明显的电流值（参见电流图中标号为Ⅳ的信号图形）。然而，与阶段Ⅱ不同，线性马达从弹簧基底101的自由端完全除去的阶段Ⅳ中，弹簧自由端的振动会引起压电体层103的微小形变，从而形成振荡电流输出。因此，在电流图的放大框内可以看出阶段Ⅱ和阶段Ⅳ的电流信号具有明显的区别。如果向弹簧式纳米发电机10连续施加周期性的外力，通过上述I-Ⅳ过程的循环，发电机10向外不断输送交变的电子流动，从而可以实现连续的发电过程。

根据胡克定律，弹簧的形变程度与受力大小成正比，而纳米发电机的压电体层103的形变又与弹簧的形变具有相关性，因此本发明的弹簧式纳米发电机还可以作为压力传感器和测力仪，通过输出的电信号来反馈作用于其上的外力信息。

虽然，理论上纳米发电机输出的电压和电流信号仅与在其上施加的力的大小有关，但是本发明人发现实际上输出的电流信号还与外力的加载速度有明显的相关性。具体如图3所示，在保持施加外力大小不变的情况下，改变线性马达的加速度，输出的电流信号与加速度基本成线性正相关（图3-a），而电压信号则基本保持恒定（图3-b）。该性质显示本发明的纳米发电机还可以探测外力的加载速率，这是其他压力传感器所不具备的功能。

以上为本发明弹簧式纳米发电机及测力仪的工作原理，在明确这些原理的基础上，为使弹簧式纳米发电机以及基于其的测力仪正常工作，本发明给出其各部件的组成材料及结构应满足的条件，具体如下：

弹簧基底101可以选择现有技术中的各种弹簧构件，其在本发明中主要承担压电体层103的支撑体、外力接受体、对压电体层103的应力施加体和内电极等功能。因此，构成弹簧基底101的弹簧丝可以是导体，例如金属、导电氧化物或有机导体，其中金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铁、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，优选钢材，特别是不锈钢；常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO和离子掺杂型的半导体。同时，弹簧丝的内芯也可以使用半导体或绝缘材料，例如具有一定韧性和弹性的高分子聚合物及无机材料，但是为了实现作为内电极的功能，需要在其表面附着由上述导电材料构成的薄层，以形成导电外表面105，具体可以采用电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀等常规方法来制备。可见，虽然附图中将导电外表面105与弹簧丝内芯用不同的图案区分画出，但是并不意味着二者一定是异质和/或分层的，这种表达方式只是为了突出导电外表面的存在。而导电外表面105与弹簧丝的内芯可以是同种材料，也可以是不同种材料；可以是一体制备，也可以是分层制备；导电外表面105可以是连续材料，也可以是非连续的导电单元，各导电单元的材料和尺寸可以相同也可以不同；可以全部覆盖弹簧丝的外表面，也可以部分覆盖，这些情况都属于本发明所包含的范围。

改变弹簧基底101的物理特性和机械参数虽然不影响纳米发电机的正常使用，但是改变这些因素可以调控纳米发电机的信号输出和灵敏度等性能，因此可以根据实际受力强度、测量范围、应用环境等需求来选择合适的参数。此处所说的物理性能和机械参数为本领域中对弹簧本身进行调控时所包括的各种参数，例如弹簧丝的直径、弹簧外径、弹簧的自由高、弹性系数等。

弹簧基底101的具体形式可以为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧，形状可为碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧、截锥涡卷弹簧以及扭杆弹簧等，这些弹簧都能在外力的作用下发生形变、并且引起其表面的压电体层103产生形变，从而输出电信号。因此，可以根据所测力的性质、使用环境等因素来自由选择。

压电体层103由压电材料构成，并且其中至少部分压电材料具有相同的晶体取向，以确保能够形成相同方向的压电电势，从而向外电路输出强度足够的电信号。所述的压电材料可以为半导体，例如具有纤锌矿结构、闪锌矿结构、钙钛矿结构和/或铌酸锂结构的材料，包括但不限于ZnO、GaN、CdS、InN、GaP、GaAs、GaSb、InGaN、CdTe、CdSe、ZnSnO3、铌酸锂和锆钛酸铅。还有一些具有压电特性的有机物也可以用于本发明压电体层103的制备，例如聚偏二氟乙烯压电塑料，以及在有机基体中掺入上述压电材料而形成的复合压电材料。

压电体层103中具有相同晶体取向的压电材料可以为微米和/或纳米结构102，例如微米线、纳米线、微米丝、纳米丝、微米棒、纳米棒、微米柱、纳米柱、微米锥、纳米锥、微米带、纳米带、由上述微米和/或纳米结构形成的微米和/或纳米阵列、微米颗粒和纳米颗粒。当然这只是有限的例举，随着材料科学的发展，还会合成出其他构型的压电材料，将这些新材料用于本发明也会产生同样的效果，而这些调整显然都是在本发明公开内容的明显启示下完成的，都属于本发明的保护范围。

可以采用半导体领域常用的方法在导电外表面105的外侧原位制备压电体层103中的微米和/或纳米结构102，例如光刻掩膜、物理气相沉积和化学沉积技术，可以按照预先设计的图案，选择性的沉积压电体材料以获得所需的纳米结构102。也可以通过水热法或蒸镀法获得比较致密的纳米阵列。对于压电体层103的厚度没有特别限定，一般是在满足电信号输出强度的前提下尽可能薄，以保证纳米发电机的整体弹性，一般为薄膜或薄层，厚度在10nm-800μm，优选50nm-500μm，更优选100nm-100μm。

构成外电极104的材料只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜和银膜；常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO和离子掺杂型的半导体。外电极104最好与压电体层103的外表面紧密接触，以保证电荷的传输效率；导电材料具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀。外电极104可以是薄膜或薄层，厚度的可选范围为10nm-1μm，优选为50nm-800nm，优选为100nm-500nm。

导电外表面105和外电极104通过导线与外电路连接。

在实际生产和应用过程中，所述弹簧基底101的外表面可以全部覆盖有导电外表面105、压电体层103和外电极104构成的发电单元，也可以部分覆盖，这主要是根据制备条件、成本和使用需要来确定。并且对于部分覆盖的情况，如果在一个弹簧基底上覆盖有多个发电单元，那么这些发电单元之间可以根据需要进行并联或串联连接。

图4为本发明弹簧式纳米发电机的另一种典型结构，其主要结构与图1所示的实施例相同，不再赘述，此处仅描述二者的区别。相比于图1所示的实施例，图4所示的纳米发电机在压电体层103中还包括第一绝缘封装层106，用于填充压电体层103中微米和/或纳米结构102之间的空隙。所述第一绝缘封装层106可以为绝缘性能良好的高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（英文简称PMMA）、聚二甲基硅氧烷（英文简称PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（英文简称PET）、聚氯乙烯（英文简称PVC）或SU8光刻胶等；也可以是易于加工的无机绝缘材料，如氧化铝、二氧化硅等等。优选地，第一绝缘封装层106采用弹性材料，以保持纳米发电机的电信号输出强度。

第一绝缘封装层106可以采用旋涂等常规方法制备，其厚度不超过压电体层103中微米和/或纳米结构102的高度，以确保不影响纳米结构与外电极104的有效接触。该实施方式可以显著地增强纳米发电机的机械强度、延长其工作寿命。

除了在压电体层103之中填充第一绝缘封装层106，还可以将整个纳米发电机用第二绝缘材料进行封装以形成第二绝缘封装层107（参见图5），即用第二绝缘封装材料将裸露的外电极104、压电体层103和/或弹簧丝的横截端面封闭，当然在封装前需要将内电极和外电极用导线引出。经过整体封装后，纳米发电机不仅具有很好的机械强度，而且还能够防水、防腐，极大地扩展了其应用范围。第二绝缘封装层107与第一绝缘封装层可以采用相同的材料，也可以采用不同的材料。

图6所示的为本发明弹簧式纳米发电机的另一种典型结构。该实施例与图1所示的实施例主要结构相同，区别在于，图6所示的实施例中压电体层103与导电外表面105相接触的部分为种子层108。在微米和/或纳米结构102原位制备的过程中，为了有效的控制微米和/或纳米结构102的晶型和晶体取向，可以先在导电外表面105的外侧制备一种子层108，具体可以根据压电体层103的材料种类和需要形成的晶型不同而选择本领域常用的晶体种子，并通过溅射法或溶液法将其镀到导电外表面105的外侧，形成一薄层。对于种子层108的厚度没有特别限制，本领域在制备纳米阵列时使用的常规厚度即可，一般为纳米到微米的范围，优选10nm-1μm，更优选50nm-800nm。

图7为本发明基于弹簧纳米发电机的自驱动测力仪，其核心部件为弹簧纳米发电机10，因此前面对弹簧纳米发电机的各种描述均适用于本发明的测力仪20，此处不再赘述。除弹簧纳米发电机10外，所述的测力仪20还包括电信号测量装置201，用于测量外力施加后所产生的电信号，例如电压表和/或电流表。该测量装置201还可以为具有数据变换功能的集成式测量装置，直接将电信号按照一定的规则转换为施加力的大小或加载速率。

对于这种集成式的测量装置，常需要外接电源供电才能维持其正常工作。在这种情况下，本发明的测力仪20还可以包括可充电电源202和模式转换器203，其中可充电电源202并联在测量装置201的两端，以实现对测量装置201的供电；模式转换器203以双控开关的形式同时与可充电电源202的电路和电信号测量装置201的电路相连，以控制二者电路的连通与断开。当模式转换器203的档位为“工作模式”时（档位处于位置2），其所处的位置恰好使测量装置201与纳米发电机10相连的电路接通，而充电电源202与纳米发电机10相连的电路断开，在这种情况下由施加外力而产生的电信号被送到测量装置201中，测量装置201在电源的支持下完成对电信号的监测、分析和数据转换的工作，给出施加外力的大小或加载速度等参数。当模式转换器203的档位为“待机模式”时（档位处于位置1），其所处的位置恰好使测量装置201与纳米发电机10相连的电路断开，而可充电电源202与纳米发电机10相连的电路接通。在这种情况下，外力施加到纳米发电机上所产生的电信号并没有被测量装置201所消耗，而是被直接输送到可充电电源202上，对电源进行充电，以备测量装置201工作时使用。这样就可以实现整个测力仪的自驱动工作。

显然，该实施例中的测量装置201、可充电电源202和模式转换器203均可采用本领域中常规的仪器或部件，只要具有电信号测量功能、可充电性能和模式调整功能即可，连接方式也都是本领域最为常规的，在此不再赘述。

实施例1：弹簧式纳米发电机

以长3.5英寸、弹簧丝直径0.028英寸的铜质弹簧作为基底，在其表面通过原位制备的方式形成紧密排列的CdS纳米棒阵列，从而构成压电体层，通过旋涂的方式在CdS纳米棒阵列的间隙填充绝缘材料聚酰亚胺，冷却凝固之后再在压电体层的外侧通过溅射形成一层Au电极层。将Au电极层和不锈钢用导线与外电路连接，即可形成本发明的弹簧式纳米发电机。

实施例2：弹簧式纳米发电机的制备方法

虽然纳米压电材料的原位制备是本领域中的常规方法，但是仍给出一种制备纳米发电机的典型方法，以使本领域的技术人员了解制备本发明纳米发电机的一般过程，方便该技术的推广应用：1）将不锈钢弹簧的表面用0.1mol/L的稀盐酸处理5分钟，除去其表面的氧化层；2）用溅射法或溶液法在弹簧表面镀一层氧化锌种子层（100-200nm）；3）用水热法在样品表面生长致密的氧化锌纳米线阵列，溶液成分为硝酸锌和六次甲基四胺（英文简称HMTA），浓度均为0.1-0.2mol/L，反应温度为95℃，反应时间为5个小时；4）反应之后，将样品从溶液中取出，烘干，并在纳米线阵列的表面涂一层聚甲基丙烯酸甲酯的绝缘层，并加热至180℃保持90秒钟使其固化；5）用热蒸镀或者电子束蒸镀工艺在样品表面镀一层外电极；6）用导线将内电极（即为弹簧本身）和外电极引出，并用聚二甲基硅氧烷封装样品。

通过上述步骤即可获得本发明所述的一种典型弹簧式纳米发电机。其中步骤1）为预处理步骤，可以根据弹簧基底的具体情况选择是否需要该步骤以及具体的处理方法；步骤2）和3）为具有微米和/或纳米结构压电体层的原位制备过程，对于无需种子层的生长方法可以省略步骤2），并根据现有技术中已公开的各种晶体生长方法调整步骤3）的具体操作即可；步骤4）和6）均为封装程序，并不是必须的步骤，可以根据需要进行选择；步骤5）是外电极层的制备步骤，可以用本领域的其他方法替换。

实施例3：弹簧式纳米发电机的测量方法

为了测量弹簧式纳米发电机所输出的电信号，可以采用以下方法：1）在线性马达的推杆上固定一个正方形的塑料板（也可以是其他绝缘材料）；2）将弹簧式纳米发电机固定在竖直的支架上，使弹簧与塑料板方向垂直；3）用计算机控制线性马达，使其以一定的周期压缩弹簧；4）将发电机内外电极引出的引线接入测量设备中，用Stanford Research System的SR560型电压表测量开路电压，用SR570型电流表测量短路电流。

实验中测得的输出电压和电流的数据如图8-a和8-b所示，可以看出在周期性外力的作用下，本发明的纳米发电机可以连续、稳定的输出脉冲电流和电压，这是其能够作为压力传感器和测力仪工作的基本前提。当然，这只是一个实例，在实际应用中，输出电压和电流的大小可以通过调节弹簧尺寸、压缩距离及速率等多个参量调节。

实施例4：弹簧式纳米发电机的输出信号与弹簧尺寸的关系

分别使用长度为2.5英寸、弹簧丝直径0.048英寸和长度为2英寸、弹簧丝直径为0.029英寸的不锈钢弹簧作为基底、以氧化锌纳米线阵列为压电体层制备弹簧式纳米发电机。通过线性马达对二者施加相同的外力，所得的电压信号如图9（长弹簧的输出信号图）和图10（短弹簧的输出信号图）所示，其中各图上所标的5mm、7.5mm等数字是弹簧的收缩距离。对比图9和图10可以看出，弹簧尺寸的变化仅对输出电压的强度产生影响，而对输出电压的稳定性和输出电压与弹簧收缩长度之间的线性关系都没影响。

实施例5：弹簧式纳米发电机作为自驱动测力仪的应用

在本实施例中，弹簧式纳米发电机作为自驱动压力传感器或者测力仪使用。具体原理及工作方式如图11a所示。将弹簧式纳米发电机竖直的固定在一个平台上，弹簧上方固定一个水平的塑料板（或者木板）用于承载待测重物。测量时，将待测重物加载到平板上，通过开路电压的变化即可得知重物的重量信息，结合开路电压和短路电流的变化即可得知重物的加载速率的信息。

图11b为施加到弹簧式发电机上的重力与开路电压和短路电流的关系图。很明显，开路电压和短路电流均与所施加的外力呈线性正相关。这种对应关系说明本发明的测力仪能够在简单校准的情况下，即可获得较高的准确度和稳定性，在实际生产和生活中具有广阔的应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (28)

1.一种弹簧式压电纳米发电机，包括：

弹簧基底，

构成所述弹簧基底的弹簧丝外侧所包含的导电外表面，

与所述导电外表面外侧紧密接触的压电体层，

和，与所述压电体层外侧紧密接触的外电极，

其中，所述压电体层能在所述弹簧基底发生形变的情况下产生压电效应，并通过所述导电外表面和外电极向外电路输出电信号。

2.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层由压电材料构成，并且其中至少部分压电材料具有相同的晶体取向。

3.如权利要求2所述的纳米发电机，其特征在于所述具有相同晶体取向的压电材料具有微米和/或纳米结构。

4.如权利要求3所述的纳米发电机，其特征在于所述微米和/或纳米结构选自微米线、纳米线、微米丝、纳米丝、微米棒、纳米棒、微米柱、纳米柱、微米锥、纳米锥、微米带、纳米带、由上述微米和/或纳米结构形成的微米和/或纳米阵列、微米颗粒和纳米颗粒。

5.如权利要求1-4任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层为薄膜或薄层，厚度为10nm-800μm。

6.如权利要求5所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层的厚度为50nm-500μm。

7.如权利要求1-6任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层由半导体压电材料、有机物压电材料和/或在有机物中掺入压电材料的复合压电材料构成。

8.如权利要求7所述的纳米发电机，其特征在于所述半导体压电材料选自具有纤锌矿结构、闪锌矿结构、钙钛矿结构和/或铌酸锂结构的材料。

9.如权利要求7所述的纳米发电机，其特征在于所述半导体压电材料选自ZnO、GaN、CdS、InN、GaP、GaAs、GaSb、InGaN、CdTe、CdSe、ZnSnO₃、铌酸锂和锆钛酸铅。

10.如权利要求7所述的纳米发电机，其特征在于所述有机物压电材料为聚偏二氟乙烯。

11.如权利要求1-10任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层是在所述导电外表面原位制备而得到。

12.如权利要求1-11任一项所述的纳米发电机，其特征在于构成所述弹簧基底的弹簧丝为导体。

13.如权利要求12所述的纳米发电机，其特征在于所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铁、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

14.如权利要求12所述的纳米发电机，其特征在于所述导体为不锈钢。

15.如权利要求1-11任一项所述的纳米发电机，其特征在于构成所述弹簧基底的弹簧丝由半导体或绝缘体内芯及导电外表面构成。

16.如权利要求1-15任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述弹簧基底选自拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧。

17.如权利要求1-16任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述外电极选自金属、导电氧化物或导电高分子。

18.如权利要求1-17任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述外电极为薄膜或薄层。

19.如权利要求1-18任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层还包括第一绝缘封装层，用于填充所述微米和/或纳米结构中间的空隙。

20.如权利要求19所述的纳米发电机，其特征在于所述第一绝缘封装层的厚度不超过所述微米和/或纳米结构的高度。

21.如权利要求1-20任一项所述的纳米发电机，其特征在于还包括第二绝缘封装层，用于将裸露的所述外电极、压电体层和/或弹簧丝的横截端面封闭。

22.如权利要求19-21任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述第一绝缘封装层和/或第二绝缘封装层的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或SU8光刻胶。

23.如权利要求1-22任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述压电体层与所述导电外表面接触的部分为种子层，并在其上进行所述微米和/或纳米结构的原位制备。

24.如权利要求1-23任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述导电外表面由非连续导电单元构成，并且各导电单元的材料和尺寸可以相同也可以不同。

25.一种自驱动测力仪，包括权利要求1-24任一项所述的弹簧式纳米发电机，其特征在于还包括电信号测量装置。

26.如权利要求25所述的测力仪，其特征在于还包括模式转换器，其中所述模式转换器用于控制所述测力仪在工作模式和待机模式之间转换，其中所述工作模式是指所述电信号测量装置处于工作状态，能够监测测力仪输出的电信号；所述待机模式是所述电信号测量装置处于关机状态，不能监测测力仪输出的电信号。

27.如权利要求26所述的测力仪，其特征在于还包括与所述电信号测量装置并联连接的可充电电源，其能够在待机模式的状态下接收测力仪输出的电信号并将其存储，同时还能够在工作模式的状态下为所述电信号测量装置供电。

28.一种外力加载速度的测量方法，使用权利要求25-27任一项所述的自驱动测力仪，其特征在于所述电信号测量装置包括电流测量元件。

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