CN103956933A - 基于摩擦纳米发电机的识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于摩擦纳米发电机的识别系统。该识别系统的钥匙部分和读取部分分别设置不同材料的发电薄层块，两发电薄层块在相对运动的过程中，形成摩擦发电机，从而输出电压，阵列中的多个发电薄层块构成识别阵列，通过测试输出电压，就可以确定钥匙部分和读取部分是否匹配。该识别系统对于工作环境要求低，制作方便，可以广泛应用于门禁卡，公交卡，银行卡等多诸多领域，具有传统磁卡无法比拟的优势。

Description

基于摩擦纳米发电机的识别系统

技术领域

本发明涉及识别系统技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的识别系统。

背景技术

识别系统是生活中常见的必需品。最早出现也是目前最为常见的识别系统为机械识别系统，代表是锁具。然而，机械识别存在容易复制的缺陷。

随着科学技术的发展，目前出现了有光、电、磁等的识别系统。其中最为典型的代表就是磁卡，然而对于磁卡来讲，其易消磁，并且识别系统的读取部分需要额外供电。此缺陷限制了此类识别系统的应用。

2013年，佐治亚理工学院王中林教授发表在《纳米快报》上的关于平板式滑动摩擦纳米发电机原理结构，就解决了这一问题。他在文章中提出了基于平板结构，利用两层高分子绝缘层和金属层之间的负电性差异，来利用摩擦导致的相对滑动从而在外部电路中产生电流。文章中，实验室是利用线性马达使得上层的平板结构发生滑动，从而使得高分子层和金属层中的摩擦电荷发生相对滑动，多余的电荷在介质层中产生电势差，推动外部电路中电子的移动而形成电流。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种不需要额外供电的基于摩擦纳米发电机的识别系统。

(二)技术方案

本发明基于摩擦纳米发电机的识别系统包括：钥匙部分100、读取部分200和控制系统。钥匙部分100包括：第一绝缘支撑件110；以及第一识别单元阵列120，包括固定于第一绝缘支撑件110上，并沿该其所在面向上凸出或向下凹入的N个发电薄层块A，该N个发电薄层块A分别通过导线130连接至控制系统，其中N≥1。读取部分200包括：第二绝缘支撑件210；第二识别单元阵列220，包括固定于第二绝缘支撑件210上，并沿该其所在面向上凸出或向下凹入的N个发电薄层块B，该N个发电薄层块B分别通过导线130连接至控制系统。其中，如果相互对应的发电薄层块A和发电薄层块B满足以下条件的全部，则两者在相互平行运动的摩擦过程中，形成摩擦纳米发电机，连接两者的一组导线向控制系统输出电压，否则，连接两者的导线向控制系统输出零电压：(1)位置相对；(2)凹凸互补；(3)两者其中之一为金属材料，其中另一为高分子材料。控制系统通过判断N组电压的状态，来决定钥匙部分100是否与读取部分200相匹配。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于摩擦纳米发电机的识别系统具有以下有益效果：

(1)由于产品所使用的材料电磁特性非常稳定，不会像磁卡一样在高电磁环境下收到损害，因此具备良好的电磁稳定性；

(2)所使用的制造材料价格低廉，工艺简单，制造起来，非常廉价；

(3)读取系统不需要像磁卡读取时，要外界供电，直接利用摩擦发电机滑动时产生的电能来识别，系统的功耗低；

(4)利用不同高度，不同材料，不同位置的发电薄层板增加破解难度，除非拿到详细拆解，否则难以复制，安全系数高。

附图说明

图1A和图1B分别为根据本发明实施例基于摩擦发电机的识别系统中钥匙部分单元的正视图和侧视图；

图2A和图2B分别为根据本发明实施例基于摩擦发电机的识别系统中读取部分的正视图和侧视图；

图3A和图3B为图1A和图1B所示钥匙部分单元中识别单元的示意图；

图4A和图4B分别为高分子材料制成的发电薄层块和金属制成的发电薄层块的示意图。

图5A和图5B为图2A和图2B所示读取部分中识别单元的正视图和侧视图。

图6A和6B分别为两个发电薄层块的位置不同而不同的钥匙部分示意图；

图6C为对应图6A和6B中所示钥匙部分的读取部分示意图；

图6D为图6A和6B中钥匙部分从图6C中读取部分划过的示意图

图7A和7B分别为两个发电薄层块的凹凸不同而不同的钥匙部分示意图；

图7C为对应图7A和B中所示钥匙部分的读取部分示意图；

图7D为图7A和7B中钥匙部分从图7C中读取部分划过的示意图

图8A和8B分别为两个发电薄层块的材质不同而不同的钥匙部分示意图；

图8C为对应图8A和8B中所示钥匙部分的读取部分示意图；

图8D为图8A和8B中钥匙部分从图8C中读取部分划过的示意图；

图9为控制系统示意图；

图10A和图10B为根据本发明另一实施例基于摩擦发电机的识别系统中钥匙部分和读取部分的剖视图。

【本发明主要元件符号说明】

100-钥匙部分；

110-第一绝缘支撑片；      121、122、128-发电薄层块A；

120-第一识别单元阵列；    130-导线；

200-读取部分；

210-第二绝缘支撑片；      221、222、228-发电薄层块B；

220-第二识别单元阵列；    230-导线；

300-控制系统；

410-高分子材料的发电薄层块；    420-金属层；

430-金属材料的发电薄层块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的识别系统，其利用摩擦过程中产生的能量进行通信，解决了现有电磁识别系统需要供电的问题，同时具有破解难度大，使用方便等优点。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的识别系统。图1A和图1B分别为根据本发明实施例基于摩擦发电机的识别系统中钥匙部分单元的正视图和侧视图。

该识别系统包括：钥匙部分100、读取部分200和控制系统300，其中：

如图1A和图1B所示，钥匙部分100包括：第一绝缘支撑片110；第一识别单元阵列120，包括固定于第一绝缘支撑片110上，并沿陔第一绝缘支撑片110所在平面向上凸出或向下凹入的N个发电薄层块A(121、122)；

如图2A和图2B所示，读取部分200包括：第二绝缘支撑片210；第二识别单元阵列220，包括固定于第二绝缘支撑片210上，并沿该第二绝缘支撑片210所在平面向上凸出或向下凹入的N个发电薄层块B(221、222)；

其中，第一识别单元阵列120中若干个发电薄层块A与第二识别单元阵列220中若干个发电薄层块B一一对应，对于相互对应的发电薄层块A和发电薄层块B而言，两者凹凸匹配，并且两者其中之一为金属材料，其中另一为高分子材料，该金属可以是常见金属如铜，铝，金，银等，该高分子材料为下列材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、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等，该发电薄层块A和发电薄层块B在相互平行运动的摩擦过程中，形成摩擦纳米发电机，产生电压，其中，N≥1；

控制系统通过导线130分别连接至钥匙部分中第一识别单元阵列中若干个发电薄层块B，通过导线230分别连接至读取部分中第二识别单元阵列中若干个发电薄层块B，通过比较钥匙部分和读取部分上若干个相互对应的发电薄层块A和发电薄层块B两者的电压情况，来判断钥匙部分100和读取部分200是否匹配。

以下分别对本实施例基于摩擦纳米发电机的识别系统的各个组成部分进行详细说明。

第一绝缘支撑片110和第二绝缘支撑片210均为刚性绝缘片。例如为硬性塑料片。导线130为金属材料，其宽度小于发电薄层块的宽度，其材料一般为铜、金、铂等电极材料。

图3A和图3B为图1A和图1B所示钥匙部分单元中识别单元的正视图和侧视图。请参照该图3A和图3B，图中120，130为发电薄层块，大小为1cm×1cm左右，材质为金属或者高分子材料。

对于金属材料的发电薄层块，其必须与图3A、图3B中的所示的导线130良好接触，保证良好的导电性，如图4A所示。该金属材料可以为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等。

对于高分子材料的发电薄层块而言，为了顺利的将电压传导至导线，高分子材料的发电薄层块的表明需要沉积一金属层420，且该金属薄层必须与图3A，图3B所示的导线130良好接触，保证良好的导电性，如图4B所示。该金属薄层的材料可以是任何导电性好的金属，例如金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等。

需要说明的是，为了增加信号可识别性，在发电薄层块A和发电薄层块B的外表面可以制备微结构修饰层，优选的，所述纳米修饰层可以为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽，以及上述纳米或者微米结构形成的阵列层。

发电薄层块A和发电薄层块B的厚度介于1μm至500μm之间。发电薄层块A和发电薄层块B在相应绝缘支撑件上向上凸出或向下凹入的高度介于0mm至5mm之间，优选为2mm-5mm之间。

图5A和图5B为图2A和图2B所示读取部分中识别单元的正视图和侧视图。参照该图5A和图5B，大小与图4A、图4B中一致。但是图5A、5B读取部分识别单元中的发电薄层块材质要与图4A、4B中钥匙部分识读单元的材料必须是一方为金属，另一方要为高分子。

如上所述，钥匙部分中若干个发电薄层块A和读取部分200中若干个发电薄层块B相互对应，此处的对应包括三层含义：

(1)位置对应

见图6A，6B，6C，其中A，B分别为两个钥匙部分，C为读取部分。当6A，6B从左侧开始，划过6C时，如图6D所示，产生的电信号见下表。

6A+6C电信号

6B+6C电信号

由以上例子可见，可以通过改变单元阵列的位置，改变电信号的输出次序。

(2)凹凸对应

见图7A，7B，7C，其中A，B分别为两个钥匙部分，C为读取部分。当7A，7B从左侧开始，划过7C时，如图7D所示，产生的电信号见下表。

7A+7C电信号

7B+7C电信号

由以上例子可见，可以通过改变单元阵列的是否凹凸，改变电信号的输出。

(3)材料对应

见图8A，8B，8C，其中A，B分别为两个钥匙部分，C为读取部分。其中A，B，C单元阵列的材质不同。材质见下表

8A材质表

	121	122	123	124	125	126	127	128
									材质	高分子	高分子	高分子	高分子	高分子	高分子	高分子	高分子

8B材质表

	121	122	123	124	125	126	127	128
									材质	高分子	金属	高分子	金属	高分子	金属	高分子	金属

8C材质表

	121	122	123	124	125	126	127	128
									材质	金属	金属	金属	金属	金属	金属	金属	金属

当8A、8B从左侧开始，划过8C时，如图8D所示。

由于只有当高分子+金属的材料组合才能产生电信号，因此，产生的电信号见下表

8A+8C电信号

8B+8C电信号

由以上例子可见，可以通过改变单元阵列的材质，改变电信号的输出。

本实施例中，控制系统经过逻辑控制模块与预先设定的数据进行对比，确定是符合要求，符合要求则输出认定钥匙部分和读取部分匹配执行开门动作，不符合则认定钥匙部分和读取部分不匹配，不执行开门等动作。该控制系统可以采用单片机、ARM、FPGA或计算机等硬件设备实现。

图9为根据本发明实施例基于摩擦发电机的识别系统中控制系统的示意图。在图9中，121-130代表与发电薄层块A121连接的导线130，221-230代表与该发电薄层块A121对应的发电薄层块B221连接的导线230，128-130代表与发电薄层块A128连接的导线130，228-230代表与该发电薄层块A128对应的发电薄层块B228连接的导线230。

请参照图9，该控制系统为包括模数转换模块与逻辑判断模块。其中，模数转换模块将N组的模拟信号转换为N个二进制数字信号，逻辑判断模块判断该N个二进制数字信号与预存的N个二进制数字信号是否一致，如果一致，则认定钥匙和读取部分为相互匹配的一对；否则，认定钥匙和读取部分不是相互匹配的一对。

当钥匙部分的阵列单元和识别部分的阵列单元由于移动，相互接触时，对于同一的识别部分的阵列单元，钥匙部分的每一个阵列单元的凹凸，材质都会影响是否有电信号产生。同时，钥匙部分的阵列单元的位置决定其电信号的次序。因此，不同的钥匙部分划过读取部分时，都会产生唯一与钥匙部分对应的电信号。这时，电信号通过导线传输到模数转换模块上，模数转换模块将其转变为数字信号，传输给逻辑控制模块(一般使用单片机，ARM，PC等)。芯片检测一段时间内是否有电信号，有信号出现，记录下时间和对应的引线，跟预先存储在芯片内的钥匙数据库进行比对。如果与数据库内存储的任意一个钥匙信号一致，则从引线发出配对成功信号。如果没有一条一致，则从引线发出配对失败信号。控制系统通过读取钥匙部分每一个阵列单元连接的导线和与之一一对应的读取部分的阵列单元连接的导线上的电信号，只有电信号的次序和控制系统预设好的次序一致时，预设系统会发出配对成功的电信号，否则发射配对失败的电信号。

以下介绍本实施例识别系统的工作过程：

当钥匙部分的阵列单元和识别部分的阵列单元由于移动，相互接触并互相滑动时，对于同一的识别部分的阵列单元，钥匙部分的每一个阵列单元的凹凸，材质都会影响是否有电信号产生。同时，钥匙部分的阵列单元的位置决定其电信号的次序。因此，不同的钥匙部分划过读取部分时，都会产生唯一与钥匙部分对应的电信号。这时，控制系统通过读取钥匙部分每一个阵列单元连接的导线和与之一一对应的读取部分的阵列单元连接的导线上的电信号，只有电信号的次序和控制系统预设好的次序一致时，预设系统会发出配对成功的电信号，否则发射配对失败的电信号。

本领域技术人员应当能够理解，对于本实施例的识别系统而言，存在以下两种情况：钥匙卡和读取部分一一配对；或若干个所述的钥匙卡和一个所述的读取部分配对。这与现有技术中的门禁卡等的原理相同，此处不再详细描述。

图10A和图10B为根据本发明另一实施例基于摩擦发电机的识别系统中钥匙部分和读取部分的剖视图。请参照图10A和图10B，本实施例与上一实施例的不同之处在于：在上一实施例中，第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件均为片状部件，N个发电薄层块在该片状部件所在的平面上凸出或凹入，而在本实施例中，第一绝缘支撑件为圆柱形部件，N个发电薄层块A在该圆柱形或圆筒形部件的外表面凸出或凹入；且第二绝缘支撑件为圆筒形部件，N个发电薄层块B在所述圆筒型部件的内表面上凸出或凹入。

本实施例的工作原理和过程与上一实施例类似，此处不再重述。

至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于摩擦纳米发电机的识别系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明提供一种可以利用不同的结构，不同的材质的摩擦发电机的组合可实现一种新型的识别设备，其对于工作环境要求低，制作方便，可以广泛应用于门禁卡，公交卡，银行卡等多诸多领域，具有传统磁卡无法比拟的优势。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于摩擦纳米发电机的识别系统，其特征在于，包括：钥匙部分(100)、读取部分(200)和控制系统(300)，其中：

钥匙部分(100)包括：

第一绝缘支撑件(110)；以及

第一识别单元阵列(120)，包括固定于所述第一绝缘支撑件(110)上，并沿该其所在面向上凸出或向下凹入的N个发电薄层块A，该N个发电薄层块A分别通过导线(130)连接至所述控制系统，其中N≥1；

读取部分(200)包括：

第二绝缘支撑件(210)；

第二识别单元阵列(220)，包括固定于所述第二绝缘支撑件(210)上，并沿该其所在面向上凸出或向下凹入的N个发电薄层块B，该N个发电薄层块B分别通过导线(130)连接至所述控制系统；

其中，如果相互对应的发电薄层块A和发电薄层块B满足以下条件的全部，则两者在相互平行运动的摩擦过程中，形成摩擦纳米发电机，连接两者的一组导线向控制系统输出电压，否则，连接两者的导线向控制系统输出零电压：

(1)位置相对；

(2)凹凸互补；

(3)两者其中之一为金属材料，其中另一为高分子材料；

所述控制系统通过判断N组电压的状态，来决定所述钥匙部分(100)是否与读取部分(200)相匹配。

2.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于：

所述高分子材料为以下材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、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；

所述金属材料为以下材料中的一种：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒。

3.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述发电薄层块A和发电薄层块B的外表面具有微结构修饰层。

4.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，在发电薄层块A和发电薄层块B中，材料为高分子材料的发电薄层块的表面沉积金属层，该金属层与连接该发电薄层块的导线接触。

5.根据权利要求4所述的识别系统，其特征在于，所述金属层的材料为铜、铝、金或银。

6.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述发电薄层块A和发电薄层块B的厚度介于1μm至500μm之间。

7.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述发电薄层块A和发电薄层块B在相应绝缘支撑件上向上凸出或向下凹入的高度介于2mm至5mm之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述控制系统包括：

模数转换模块，与N个发电薄层块A和N个发电薄层块B通过导线相连接，用于将N组的模拟信号转换为N个二进制数字信号；以及

逻辑判断模块，与所述模数转换模块相连接，用于判断所述N个二进制数字信号与预存的N个二进制数字信号是否一致，如果一致，则认定钥匙和读取部分为相互匹配的一对；否则，认定钥匙和读取部分不是相互匹配的一对。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的识别系统，其特征在于：

所述第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件均为片状部件，N个发电薄层块在该片状部件所在的平面上凸出或凹入；或

所述第一绝缘支撑件为圆柱形或圆筒形部件，N个发电薄层块A在该圆柱形或圆筒形部件的外表面凸出或凹入；且所述第二绝缘支撑件为圆筒形部件，N个发电薄层块B在所述圆筒型部件的内表面上凸出或凹入。

10.根据权利要求9所述的识别系统，其特征在于，所述第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件均为塑料材质的片状部件。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的识别系统，其特征在于，所述N≥8。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的识别系统，其特征在于：

所述钥匙部分和所述读取部分一一配对；或

若干个所述钥匙部分和一个所述读取部分配对。