CN104374498A - 基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统。其中基于摩擦发电的压力传感器包括：承压部件；设置在承压部件的第一侧表面上的第一弹性基体，其具有规则的凸起结构；覆盖在第一弹性基体上、与第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构的第一结构层；底座；以及设置在底座的第一侧表面上的第二结构层；当压力作用在承压部件上时，第一弹性基体和第一结构层发生形变使得摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。该基于摩擦发电的压力传感器克服了传统压力传感器易受静电、电磁干扰的缺点，并且具有精度高、测量范围广、适用环境广泛的优点。

Description

基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

目前常用的压力传感器主要为电容式压力传感器和电阻应变式压力传感器。电容式压力传感器主要是静电容量型，例如将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。但是，这种压力传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，输出特性非线性，寄生电容影响大的缺点。电阻应变式压力传感器是利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理进行工作，它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。所以目前需要一种精度高，测量范围广，结构简单，抗干扰性能好的压力传感器。

采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米系统中起关键作用。并且，由于其环保、节能、自驱动性质，受到了广泛关注。随着王中林教授研究组研发的压电摩擦发电机首次将机械能转换为电能以来，以压电和摩擦电为基础的不同结构和材料的摩擦发电机相继问世。但目前，将摩擦发电机应用于压力传感器的报道还没有出现。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种精度高、结构简单和抗干扰性能良好的基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统。

本发明提供了一种基于摩擦发电的压力传感器，包括：

承压部件；

设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一弹性基体，所述第一弹性基体具有规则的凸起结构；

覆盖在所述第一弹性基体上、与所述第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构的第一结构层；

底座；

以及设置在所述底座的第一侧表面上的第二结构层，所述第二结构层与所述第一结构层相对设置；

其中，所述压力传感器具有摩擦界面，当压力作用在所述承压部件上时，所述第一弹性基体和所述第一结构层发生形变使得所述摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，所述第一结构层和/或所述第二结构层形成所述压力传感器的信号输出端。

本发明提供了一种压力传感系统，包括上述本发明提供的一种基于摩擦发电的压力传感器，还包括：

与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

本发明提供了另一种基于摩擦发电的压力传感器，包括：

承压部件；

设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一结构层；

底座；

设置在所述底座的第一侧表面上的第二结构层；

位于所述第一结构层和所述第二结构层之间的居间层；

所述居间层包括：居间衬底层、设置在所述居间衬底层的第一侧表面上的第一弹性基体以及覆盖在所述第一弹性基体上的第一居间摩擦层；其中，所述第一弹性基体具有规则的凸起结构，所述第一居间摩擦层与所述第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构；

其中，所述压力传感器具有摩擦界面，当压力作用在所述承压部件上时，所述第一弹性基体和所述第一居间摩擦层发生形变使得所述摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，所述第一结构层、第二结构层和第一居间摩擦层中的两者或三者形成所述压力传感器的信号输出端。

本发明提供了另一种压力传感系统，包括上述本发明提供的另一种基于摩擦发电的压力传感器，还包括：

与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统，其中设置具有规则的凸起结构的弹性基体，该弹性基体的一个作用是能使摩擦发电机形成具有凸起结构的摩擦界面，另一个作用是将压力变化转换为摩擦发电机的摩擦界面的接触面积变化，利用摩擦发电机的接触面积与输出信号的对应关系，使摩擦发电机的输出信号表征出压力的大小。由此克服了传统压力传感器易受静电、电磁干扰的缺点，并且具有精度高、测量范围广、适用环境广泛的优点；并且，该基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统具有自供电的特性，无需外部电源即可正常工作。

附图说明

图1a和图1b分别为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例一的立体结构示意图和截面结构示意图；

图2a和图2b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成第一弹性基体的立体结构示意图和截面结构示意图；

图3a和图3b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈条状分布且横截面为半圆形的凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图4a和图4b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈条状分布且横截面为梯形的凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图5a和图5b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈条状分布且横截面为半椭圆形的凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图6a和图6b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈矩阵分布的半球体作为凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图7a和图7b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈矩阵分布的圆锥体作为凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图8a和图8b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈矩阵分布的半圆锥体作为凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图9a和图9b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈矩阵分布的正四面体作为凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图10a和图10b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈矩阵分布的水珠型结构作为凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图11a和图11b分别为本发明一实施例中在承压部件上形成呈矩阵分布的墨西哥金字塔型结构作为凸起单元的立体结构示意图和截面结构示意图；

图12为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的一实施例的电路示意图；

图13为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例二的截面结构示意图；

图14为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例三的截面结构示意图；

图15为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例四的截面结构示意图；

图16为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例五的截面结构示意图；

图17为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例六的截面结构示意图；

图18为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例七的截面结构示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于摩擦发电的压力传感器，该压力传感器至少包括承压部件、弹性基体、底座以及位于弹性基体和底座之间的摩擦发电机。在本发明提供的一种结构中，承压部件和/或底座的一侧表面上设置有具有规则的凸起结构的弹性基体；在本发明的另一种结构中，在摩擦发电机的居间层中形成具有规则的凸起结构的弹性基体。该弹性基体的一个作用是能使摩擦发电机形成具有凸起结构的摩擦界面，另一个作用是将压力变化转换为摩擦发电机的摩擦界面的接触面积变化，利用摩擦发电机的接触面积与输出信号的对应关系，使摩擦发电机的输出信号表征出压力的大小。基于本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器，克服了传统压力传感器易受静电、电磁干扰的缺点，并且具有精度高、测量范围广、适用环境广泛的优点；并且，该基于摩擦发电的压力传感器具有自供电的特性，无需外部电源即可正常工作。下面将通过几个具体的实施例对基于摩擦发电的压力传感器的结构进行详细介绍。

图1a为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例一的立体结构示意图，图1b为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例一的截面结构示意图。如图1a和图1b所示，该压力传感器包括承压部件10、第一弹性基体11、第一电极层12、第一高分子聚合物绝缘层13、第二电极层14和底座15。其中第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13组成第一结构层，第二电极层14为第二结构层。

其中，第一弹性基体11设置在承压部件10朝向底座15的第一侧表面上，第一弹性基体11具有规则的凸起结构，第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13依次层叠覆盖在第一弹性基体11上，可选地，采用喷涂的方法依次将第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13涂覆在第一弹性基体11上，喷涂时保证它们的厚度是均匀的，使得第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13与第一弹性基体11的凸起结构相匹配而形成对应的结构。如图1a所示，第一弹性基体11的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形。图1a中凸起单元之间有一定间隔。第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13依次层叠覆盖在第一弹性基体11上，由此形成三角条状的凸起结构。第二电极层14设置在底座15朝向承压部件10的第一侧表面上。在这种结构中，第一高分子聚合物绝缘层13与第二电极层14之间形成摩擦界面，第一电极层12和第二电极层14分别为压力传感器的两个信号输出端。

承压部件10的材料为在压力传感器量程内形变可忽略的材料，例如铝合金、合金钢或不锈钢，其中不锈钢可以为304不锈钢或316不锈钢，但本发明不仅限于此。

底座15的材料为在压力传感器量程内形变可忽略的材料，例如铝合金、合金钢或不锈钢，其中不锈钢可以为304不锈钢或316不锈钢，但本发明不仅限于此。

第一弹性基体11的材料为软质PVC、发泡聚氨酯、热塑性弹性体（TPE）、硅橡胶、氟橡胶或聚二甲基硅氧烷（PDMS）等交联聚合物，但本发明不仅限于此。

通常具有导电性的材料层均可用作第一电极层12和第二电极层14，例如：铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

第一高分子聚合物绝缘层13可以选自聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的任意一种。

在图1a和图1b所示的结构中，第一弹性基体11就是直接在承压部件10的第一侧表面上形成的凸起结构，覆盖在第一弹性基体11上的第一电极层12在凸起单元之间的间隔部位以及四周与承压部件10直接接触；同时第二电极层14也与底座15直接接触。由于承压部件10和底座15采用的都是导电的材料，它们会向外界导出电荷。为了避免承压部件10和底座15向外界导电，一种可选的方式是在承压部件10没有形成凸起结构的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座15没有设置第二电极层14的第二侧表面上设置第二绝缘层，使得承压部件10和底座15与外界隔离，避免了承压部件10和底座15向外界导电，在这种结构中，承压部件10和底座15也可以作为压力传感器的信号输出端；另一种可选的方式是在承压部件10和第一弹性基体11之间设置第一绝缘层，在底座15与第二电极层14之间设置第二绝缘层，也避免了承压部件10和底座15导电。

第一弹性基体的结构也不仅限于图1a和图1b所示。图2a为本发明一实施例中在承压部件上形成第一弹性基体的立体结构示意图，图2b为本发明一实施例中在承压部件上形成第一弹性基体的截面结构示意图。如图2a和图2b所示，与图1a和图1b所示的结构不同的是，第一弹性基体包括一体成型的弹性基层21和在弹性基层21上形成的凸起结构22。在这种结构中，覆盖在第一弹性基体上的第一电极层不再与承压部件20直接接触，弹性基层21起到绝缘的作用，使得承压部件20不再向外界导电，因此也就无需设置上述第一绝缘层。

在上述图1a、图1b和图2a、图2b所示的结构中，凸起单元呈条状分布，且横截面为三角形，但本发明不仅限于此，凸起单元的分布和形状可以是各式各样的，下面通过几个具体的例子来说明。

如图3a和图3b所示，凸起单元呈条状分布，凸起单元的横截面为半圆形。在图中，由凸起单元形成的凸起结构30与弹性基层31一体成型。当然也可以在承压部件上直接形成呈条状分布且横截面为半圆形的若干个凸起单元。

如图4a和图4b所示，凸起单元呈条状分布，凸起单元的横截面为梯形。在图中，由凸起单元形成的凸起结构40与弹性基层41一体成型。当然也可以在承压部件上直接形成呈条状分布且横截面为梯形的若干个凸起单元。

如图5a和图5b所示，凸起单元呈条状分布，凸起单元的横截面为半椭圆形。在图中，由凸起单元形成的凸起结构50与弹性基层51一体成型。当然也可以在承压部件上直接形成呈条状分布且横截面为半椭圆形的若干个凸起单元。

如图6a和图6b所示，凸起单元60呈矩阵分布，凸起单元为半球体。在图中，在承压部件上直接形成呈矩阵分布的若干个半球体。当然也可以首先制作一体成型的弹性基层以及在弹性基层上形成的呈矩阵分布的若干个半球体，然后将弹性基层固设在承压部件的第一侧表面上。

如图7a和图7b所示，凸起单元70呈矩阵分布，凸起单元为圆锥体。在图中，在承压部件上直接形成呈矩阵分布的圆锥体。当然也可以首先制作一体成型的弹性基层以及在弹性基层上形成的呈矩阵分布的若干个圆锥体，然后将弹性基层固设在承压部件的第一侧表面上。

如图8a和图8b所示，凸起单元80呈矩阵分布，凸起单元为半圆锥体。在图中，在承压部件上直接形成呈矩阵分布的半圆锥体。当然也可以首先制作一体成型的弹性基层以及在弹性基层上形成的呈矩阵分布的若干个半圆锥体，然后将弹性基层固设在承压部件的第一侧表面上。

如图9a和图9b所示，凸起单元90呈矩阵分布，凸起单元为正四面体。在图中，在承压部件上直接形成呈矩阵分布的正四面体。当然也可以首先制作一体成型的弹性基层以及在弹性基层上形成的呈矩阵分布的若干个正四面体，然后将弹性基层固设在承压部件的第一侧表面上。

如图10a和图10b所示，凸起单元100呈矩阵分布，凸起单元为水珠型结构。在图中，在承压部件上直接形成呈矩阵分布的水珠型结构。当然也可以首先制作一体成型的弹性基层以及在弹性基层上形成的呈矩阵分布的若干个水珠型结构，然后将弹性基层固设在承压部件的第一侧表面上。

如图11a和图11b所示，凸起单元110呈矩阵分布，凸起单元为墨西哥金字塔型结构。在图中，在承压部件上直接形成呈矩阵分布的墨西哥金字塔型结构。当然也可以首先制作一体成型的弹性基层以及在弹性基层上形成的呈矩阵分布的若干个墨西哥金字塔型结构，然后将弹性基层固设在承压部件的第一侧表面上。

上述图中所示的凸起结构的分布和形状仅为示例，不能作为对本发明的限制。另外还需说明的是根据实际应用环境的不同，凸起结构的尺寸是不同的。当实际应用环境中需要配置尺寸很大的压力传感器时，每个凸起单元的凸起高度可高达1m，凸起宽度可高达1m，凸起单元之间的间距可高达1m；当实际应用环境中需要配置尺寸很小的压力传感器时，每个凸起单元的凸起高度可低至1mm，凸起宽度可低至1mm，凸起单元之间的间距可低至1mm。因此，本发明凸起单元的尺寸设定范围大概为：每个凸起单元的凸起高度为1mm-1m，凸起宽度为1mm-1m；凸起单元之间的间距为1mm-1m。对于不同形状的凸起单元，凸起高度和凸起宽度指代不同，这里凸起高度可以理解为一个凸起单元纵向长度的最大值，凸起宽度可以理解为一个凸起单元横向长度的最大值。例如，对于条状分布的横截面为三角形的凸起单元，凸起高度指代三角形的高，凸起宽度指代三角形的底边。

基于上述本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压第一弹性基体和摩擦发电机的第一结构层（即依次层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）使它们发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的第二结构层（即第二电极层）相互接触，从而使摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层和第二电极层相互摩擦产生静电荷，从而导致两个电极层之间出现电势差。由于两个电极层之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此，当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下第一高分子聚合物绝缘层和第二电极层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大会持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一高分子聚合物绝缘层和第二电极层达到基本平行状态。

进一步的，本实施例提供的压力传感器还包括后续的处理电路。图12为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的一实施例的电路示意图。如图12所示，该后续的处理电路包括：电容器120、模数（A/D）转换器121、微处理器122和输出接口123。其中，电容器120与压力传感器1的信号输出端连接，用于收集电量。A/D转换器121与电容器120的输出端连接，用于将电容器120输出的模拟电信号转换为数字电信号。微处理器122与A/D转换器121的输出端连接，用于对A/D转换器121输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值。输出接口123与微处理器122连接，用于将电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

可选地，该后续的处理电路还包括显示设备124，显示设备124与微处理器122连接，用于显示电压输出值和压力输出值。

上述电容器120可以为聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等高聚物电容，但本发明不仅限于此。

微处理器122可以为MSP430、AVR、PIC、ARM7、Cortex M0、CortexM3、MSC51，但本发明不仅限于此。

输出接口123可以包括各种不同电压档位（0～5V、0～10V、-5～+5V）的接口电路、和/或各种不同电流档位（0～10mA、4～20mA）的接口电路、和/或数字信号接口（如I2C、SPI、UART或USB）、和/或无线接口（如WIFI、Bluetooth、RF或Zigbee），但本发明不仅限于此。

图13为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例二的截面结构示意图。如图13所示，该压力传感器包括承压部件130、第一弹性基体131、第一电极层132、第二高分子聚合物绝缘层133、第二电极层134和底座135。其中第一电极层132为第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层133和第二电极层134组成第二结构层。

其中，第一弹性基体131设置在承压部件130朝向底座135的第一侧表面上，第一弹性基体131具有规则的凸起结构，第一电极层132覆盖在第一弹性基体131上，可选地，采用喷涂的方法将第一电极层132涂覆在第一弹性基体131上，喷涂时保证它的厚度是均匀的，使得第一电极层132与第一弹性基体131的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图13所示的第一弹性基体131的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，第一弹性基体131的具体结构和尺寸可参见上述实施例一的相关描述。第二电极层134和第二高分子聚合物绝缘层133依次层叠设置在底座135朝向承压部件130的第一侧表面上。在这种结构中，第一电极层132和第二高分子聚合物绝缘层133之间形成摩擦界面，第一电极层132和第二电极层134分别为压力传感器的两个信号输出端。

有关承压部件、底座、第一弹性基体、第一电极层和第二电极层的材料可参见上述实施例一的相关描述，在此不再赘述。

第二高分子聚合物绝缘层可以选自聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的任意一种。

在图13所示的结构中，为了避免承压部件130和底座135向外界导电，可以在承压部件130没有形成凸起结构的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座135没有设置第二电极层134的第二侧表面上设置第二绝缘层，在这种结构中，承压部件130和底座135也可以作为压力传感器的信号输出端。也可以在承压部件130和第一弹性基体131之间设置第一绝缘层，在底座135和第二电极层134之间设置第二绝缘层。如果将图13中的第一弹性基体替换为包括一体成型的弹性基层和在弹性基层上形成的凸起结构的结构，那么则无需设置上述第一绝缘层。

基于本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压第一弹性基体和摩擦发电机的第一结构层（即第一电极层）使它们发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的第二结构层（即依次层叠设置的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）相互接触，从而使摩擦发电机的第二高分子聚合物绝缘层和第一电极层相互摩擦产生静电荷，从而导致两个电极层之间出现电势差。由于两个电极层之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下，第一电极层和第二高分子聚合物绝缘层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大会持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一电极层和第二高分子聚合物绝缘层达到基本平行状态。

本实施例提供的压力传感器还可包括后续的处理电路，关于该电路可参见上述实施例一的描述。

图14为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例三的截面结构示意图。如图14所示，该压力传感器包括承压部件140、第一弹性基体141、第一电极层142、第一高分子聚合物绝缘层143、第二高分子聚合物绝缘层144、第二电极层145和底座146。其中第一电极层142和第一高分子聚合物绝缘层143组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层144和第二电极层145组成第二结构层。

其中，第一弹性基体141设置在承压部件140朝向底座146的第一侧表面上，第一弹性基体141具有规则的凸起结构，第一电极层142和第一高分子聚合物绝缘层143依次层叠覆盖在第一弹性基体141上，可选地，采用喷涂的方法依次将第一电极层142和第一高分子聚合物绝缘层143涂覆在第一弹性基体141上，喷涂时保证它们的厚度是均匀的，使得第一电极层142和第一高分子聚合物绝缘层143与第一弹性基体141的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图14所示的第一弹性基体141的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，第一弹性基体141的具体结构和尺寸可参见上述实施例一的相关描述。第二电极层145和第二高分子聚合物绝缘层144依次层叠设置在底座146朝向承压部件140的第一侧表面上。在这种结构中，第一高分子聚合物绝缘层143和第二高分子聚合物绝缘层144之间形成摩擦界面，第一电极层142和第二电极层145分别为压力传感器的两个信号输出端。

有关承压部件、底座、第一弹性基体、第一高分子聚合物绝缘层、第一电极层和第二电极层的材料可参见上述实施例一的相关描述，在此不再赘述。有关第二高分子聚合物绝缘层的材料可参见上述实施例二的相关描述。

在图14所示的结构中，为了避免承压部件140和底座146向外界导电，可以在承压部件140没有形成凸起结构的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座146没有设置第二电极层145的第二侧表面上设置第二绝缘层，在这种结构中，承压部件140和底座146也可以作为压力传感器的信号输出端。也可以在承压部件140和第一弹性基体141之间设置第一绝缘层，在底座146和第二电极层145之间设置第二绝缘层。如果将图14中的第一弹性基体替换为包括一体成型的弹性基层和在弹性基层上形成的凸起结构的结构，那么则无需设置上述第一绝缘层。

基于本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压第一弹性基体和摩擦发电机的第一结构层（即依次层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）使它们发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的第二结构层（即依次层叠设置的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）相互接触，从而使摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相互摩擦产生静电荷，从而导致两个电极层之间出现电势差。由于两个电极层之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大会持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层达到基本平行状态。

本实施例提供的压力传感器还可包括后续的处理电路，关于该电路可参见上述实施例一的描述。

图15为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例四的截面结构示意图。如图15所示，该压力传感器包括承压部件150、第一弹性基体151、第一电极层152、第一高分子聚合物绝缘层153、居间层154、第二高分子聚合物绝缘层155、第二电极层156和底座157。其中，第一电极层152和第一高分子聚合物绝缘层153组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层155和第二电极层156组成第二结构层。

其中，第一弹性基体151设置在承压部件150朝向底座157的第一侧表面上，第一弹性基体151具有规则的凸起结构，第一电极层152和第一高分子聚合物绝缘层153依次层叠覆盖在第一弹性基体151上，可选地，采用喷涂的方法依次将第一电极层152和第一高分子聚合物绝缘层153涂覆在第一弹性基体151上，喷涂时保证它们的厚度是均匀的，使得第一电极层152和第一高分子聚合物绝缘层153与第一弹性基体151的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图15所示的第一弹性基体151的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，第一弹性基体151的具体结构和尺寸可参见上述实施例一的相关描述。第二电极层156和第二高分子聚合物绝缘层155依次层叠设置在底座157朝向承压部件150的第一侧表面上。居间层154设置在第一高分子聚合物绝缘层153和第二高分子聚合物绝缘层155之间。一种可选的实施方式是居间层154直接固设在第二高分子聚合物绝缘层155上，这样居间层154和第一高分子聚合物绝缘层153之间形成摩擦界面；另一种可选的实施方式是在没有压力作用时，居间层154与第二高分子聚合物绝缘层155之间具有一定空隙，当压力作用于承压部件上时，居间层154与第二高分子聚合物绝缘层155可以接触并摩擦，这样居间层154和第一高分子聚合物绝缘层153之间、居间层154和第二高分子聚合物绝缘层155之间都形成摩擦界面。

在上述结构中，居间层154可以为高分子聚合物薄膜层，也可以为电极层。如果居间层154为高分子聚合物薄膜层，居间层154仅用作摩擦层，第一电极层152和第二电极层156分别为压力传感器的两个信号输出端；如果居间层154为电极层，居间层154同时用作摩擦层和电极层，第一电极层152、第二电极层156和居间层154中的任两者或三者形成压力传感器的信号输出端。例如，第一电极层152和第二电极层156分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层152和第二电极层156中任一层与居间层154分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层152和第二电极层156相连后与居间层154一起作为压力传感器的两个信号输出端。

有关承压部件、底座、第一弹性基体、第一高分子聚合物绝缘层、第一电极层和第二电极层的材料可参见上述实施例一的相关描述，在此不再赘述。有关第二高分子聚合物绝缘层的材料可参见上述实施例二的相关描述。

如果居间层为高分子聚合物薄膜层，其材料可以在上述第一高分子聚合物绝缘层所选自的材料中选取。第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果三层材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小，因此，为了提高摩擦效果，居间层的材质不同于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层，而第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质则优选相同，这样，能减少材料种类，使本发明的制作更加方便。

如果居间层为电极层，可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒等，合金可以选自轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）。

在图15所示的结构中，为了避免承压部件150和底座157向外界导电，可以在承压部件150没有形成凸起结构的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座157没有设置第二电极层156的第二侧表面上设置第二绝缘层，在这种结构中，承压部件150和底座157也可以作为压力传感器的信号输出端。也可以在承压部件150和第一弹性基体151之间设置第一绝缘层，在底座157和第二电极层156之间设置第二绝缘层。如果将图15中的第一弹性基体替换为包括一体成型的弹性基层和在弹性基层上形成的凸起结构的结构，那么则无需设置上述第一绝缘层。

基于本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压第一弹性基体和摩擦发电机的第一结构层（即依次层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）使它们发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的居间层相互接触，从而使摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层和居间层相互摩擦产生静电荷；如果居间层与第二高分子聚合物绝缘层之间也形成摩擦界面，那么同时第二高分子聚合物绝缘层和居间层也相互摩擦产生静电荷。静电荷的产生会导致两个电极层之间出现电势差。如果居间层为电极层，那么第一电极层和居间层之间、居间层和第二电极层之间都会出现电势差。将具有电势差的电极层与外电路连接，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下，第一高分子聚合物绝缘层和居间层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大会持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一高分子聚合物绝缘层和居间层达到基本平行状态。

本实施例提供的压力传感器还可包括后续的处理电路，关于该电路可参见上述实施例一的描述。

图16为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例五的截面结构示意图。如图16所示，该压力传感器包括承压部件160、第一弹性基体161、第一电极层162、第一高分子聚合物绝缘层163、居间层164、第二高分子聚合物绝缘层165、第二电极层166、第二弹性基体167和底座168。其中，第一电极层162和第一高分子聚合物绝缘层163组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层165和第二电极层166组成第二结构层。

其中，第一弹性基体161设置在承压部件160朝向底座168的第一侧表面上，第一弹性基体161具有规则的凸起结构，第一电极层162和第一高分子聚合物绝缘层163依次层叠覆盖在第一弹性基体161上，可选地，采用喷涂的方法依次将第一电极层162和第一高分子聚合物绝缘层163涂覆在第一弹性基体161上，喷涂时保证它们的厚度是均匀的，使得第一电极层162和第一高分子聚合物绝缘层163与第一弹性基体161的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图16所示的第一弹性基体161的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，第一弹性基体161的具体结构和尺寸可参见上述实施例一的相关描述。第二弹性基体167设置在底座168朝向承压部件160的第一侧表面上，第二弹性基体167具有规则的凸起结构，第二电极层166和第二高分子聚合物绝缘层165依次层叠覆盖在第二弹性基体167上，可选地，采用喷涂的方法依次将第二电极层166和第二高分子聚合物绝缘层165涂覆在第二弹性基体167上，喷涂时保证它们的厚度是均匀的，使得第二电极层166和第二高分子聚合物绝缘层165与第二弹性基体167的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图16所示的第二弹性基体167的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，在底座168上形成第二弹性基体167与在承压部件上形成第一弹性基体是相同的，具体描述可参见上述实施例一。居间层164设置在第一高分子聚合物绝缘层163和第二高分子聚合物绝缘层165之间。在这种结构中，居间层164和第一高分子聚合物绝缘层163之间、居间层164和第二高分子聚合物绝缘层165之间都形成摩擦界面。

在上述结构中，居间层164可以为高分子聚合物薄膜层，也可以为电极层。如果居间层164为高分子聚合物薄膜层，居间层164仅用作摩擦层，第一电极层162和第二电极层166分别为压力传感器的两个信号输出端；如果居间层164为电极层，居间层164同时用作摩擦层和电极层，第一电极层162、第二电极层166和居间层164中的任两者或三者形成压力传感器的信号输出端。例如，第一电极层162和第二电极层166分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层162和第二电极层166中任一层与居间层164分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层162和第二电极层166相连后与居间层164一起作为压力传感器的两个信号输出端。

有关承压部件、底座、第一弹性基体、第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间层、第一电极层和第二电极层的材料可参见上述实施例四的相关描述。第二弹性基体可选用的材料与第一弹性基体可选用的材料相同。

在图16所示的结构中，为了避免承压部件160和底座168向外界导电，可以在承压部件160没有形成凸起结构的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座168没有形成凸起结构的第二侧表面上设置第二绝缘层，在这种结构中，承压部件160和底座168也可以作为压力传感器的信号输出端。也可以在承压部件160和第一弹性基体161之间设置第一绝缘层，在底座168和第二弹性基体167之间设置第二绝缘层。如果将图16中的第一弹性基体替换为包括一体成型的弹性基层和在弹性基层上形成的凸起结构的结构，那么则无需设置上述第一绝缘层。同理，如果将图16中的第二弹性基体替换为包括一体成型的弹性基层和在弹性基层上形成的凸起结构的结构，那么则无需设置上述第二绝缘层。

基于本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压第一弹性基体和摩擦发电机的第一结构层（即依次层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）使它们发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的居间层相互接触，从而使摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层和居间层相互摩擦产生静电荷；同时，居间层垂直向下挤压摩擦发电机的第二结构层（即依次层叠设置的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）和第二弹性基体使它们也发生形变，居间层也逐渐与第二结构层相互接触，从而使摩擦发电机的第二高分子聚合物绝缘层和居间层相互摩擦产生静电荷。静电荷的产生会导致两个电极层之间出现电势差。如果居间层为电极层，那么第一电极层和居间层之间、居间层和第二电极层之间都会出现电势差。将具有电势差的电极层与外电路连接，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体和第二弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下，第一高分子聚合物绝缘层和居间层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大会持续增大，同时居间层和第二高分子聚合物绝缘层之间的摩擦界面的接触面积也会随着压力的增大而持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一高分子聚合物绝缘层、居间层和第二高分子聚合物绝缘层达到基本平行状态。

本实施例提供的压力传感器还可包括后续的处理电路，关于该电路可参见上述实施例一的描述。

上述实施例一至实施例四所提供的基于摩擦发电的压力传感器均是在承压部件的一侧表面上设置弹性基体。作为一种变型，可在底座的一侧表面上设置弹性基体，即上述实施例一至实施例四的对称结构也是可行的。如果承压部件和底座的材料是相同的，这种对称结构实质上是相同的结构。

在上述实施例一至实施例五所提供的基于摩擦发电的压力传感器中，在承压部件和/底座的一侧表面上设置具有规则的凸起结构的弹性基体，该弹性基体的一个作用是能使摩擦发电机形成具有凸起结构的摩擦界面，另一个作用是发生形变将压力的变化转换为摩擦发电机的接触面积变化，利用摩擦发电机的接触面积与输出信号的对应关系，使摩擦发电机的输出信号表征出压力的大小。上述结构的基于摩擦发电的压力传感器克服了传统压力传感器的易受静电、电磁干扰的缺点，并且具有精度高、测量范围广、适用环境广泛的优点；并且，该基于摩擦发电的压力传感器具有自供电的特性，无需外部电源即可正常工作。上述结构的基于摩擦发电的压力传感器具有制作工艺简单、成本低、易于大规模工业化生产的特点。

图17为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例六的截面结构示意图。如图17所示，该压力传感器包括承压部件170、第一电极层171、第一高分子聚合物绝缘层172、居间层173、第二高分子聚合物绝缘层174、第二电极层175和底座176。其中第一电极层171和第一高分子聚合物绝缘层172组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层174和第二电极层175组成第二结构层。

其中，第一电极层171和第一高分子聚合物绝缘层172依次层叠设置在承压部件170朝向底座176的第一侧表面上，第二电极层175和第二高分子聚合物绝缘层174依次层叠设置在底座176朝向承压部件170的第一侧表面上。居间层173位于第一高分子聚合物绝缘层172和第二高分子聚合物绝缘层174之间。居间层173包括居间衬底层173a、设置在居间衬底层173a朝向第一高分子聚合物绝缘层172的第一侧表面上的第一弹性基体173b以及覆盖在第一弹性基体173b上的第一居间摩擦层173c。第一弹性基体173b具有规则的凸起结构，第一居间摩擦层173c以均匀的厚度覆盖在第一弹性基体173b上，可选地，采用喷涂的方法将第一居间摩擦层173c涂覆在第一弹性基体173b上，使得第一居间摩擦层173c与第一弹性基体173b的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图17中第一弹性基体173b的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，第一弹性基体173b的具体结构和尺寸可参见实施例一的相关描述。一种可选的实施方式是居间衬底层173a直接固设在第二高分子聚合物绝缘层174上，这样第一居间摩擦层173c和第一高分子聚合物绝缘层172之间形成摩擦界面；另一种可选的实施方式是在没有压力作用时，居间衬底层173a与第二高分子聚合物绝缘层174之间具有一定空隙，当压力作用于承压部件上时，居间衬底层173a与第二高分子聚合物绝缘层174可以接触并摩擦，这样第一居间摩擦层173c和第一高分子聚合物绝缘层172之间、居间衬底层173a与第二高分子聚合物绝缘层174之间都形成摩擦界面。

在上述结构中，第一居间摩擦层173c可以为高分子聚合物绝缘层，也可以为电极层。如果第一居间摩擦层173c为高分子聚合物绝缘层，第一居间摩擦层173c仅用作摩擦层，第一电极层171和第二电极层175分别为压力传感器的两个信号输出端；如果第一居间摩擦层173c为电极层，第一居间摩擦层173c同时用作摩擦层和电极层，第一电极层171、第二电极层175和第一居间摩擦层173c中的任两者或三者形成压力传感器的信号输出端。例如，第一电极层171和第二电极层175分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层171和第二电极层175中任一层与第一居间摩擦层173c分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层171和第二电极层175相连后与第一居间摩擦层173c一起作为压力传感器的两个信号输出端。

有关承压部件、底座、第一电极层、第二电极层、第一高分子聚合物绝缘层、第一弹性基体的材料可参见上述实施例一的相关描述，在此不再赘述。有关第二高分子聚合物绝缘层的材料可参见上述实施例二的相关描述。居间衬底层可以为高分子聚合物薄膜层，其材料可以在上述第一高分子聚合物绝缘层所选自的材料中选取。如果居间衬底层与第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面，居间衬底层与第二高分子聚合物绝缘层的材料优选不同。

如果第一居间摩擦层为高分子聚合物绝缘层，其材料可以在上述第一高分子聚合物绝缘层所选自的材料中选取。但第一居间摩擦层与第一高分子聚合物绝缘层所选取的材料优选不同。

如果第一居间摩擦层为电极层，可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒等，合金可以选自轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）。

在图17所示的结构中，为了避免承压部件170和底座176向外界导电，可以在承压部件170没有设置第一电极层171的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座176没有设置第二电极层175的第二侧表面上设置第二绝缘层，在这种结构中，承压部件170和底座176也可以作为压力传感器的信号输出端。也可以在承压部件170和第一电极层171之间设置第一绝缘层，在底座176和第二电极层175之间设置第二绝缘层。

基于本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压摩擦发电机的第一结构层（即依次层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）和第一弹性基体，使第一弹性基体和第一居间摩擦层发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的第一居间摩擦层相互接触，从而使摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层和第一居间摩擦层相互摩擦产生静电荷；如果居间衬底层和第二高分子聚合物绝缘层之间也形成摩擦界面，那么同时第二高分子聚合物绝缘层和居间衬底层也相互摩擦产生静电荷。静电荷的产生会导致两个电极层之间出现电势差。如果第一居间摩擦层为电极层，那么第一电极层和第一居间摩擦层之间、第一居间摩擦层和第二电极层之间都会出现电势差。将具有电势差的电极层与外电路连接，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下，第一高分子聚合物绝缘层和第一居间摩擦层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大会持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一高分子聚合物绝缘层和第一居间摩擦层达到基本平行状态。

本实施例提供的压力传感器还可包括后续的处理电路，关于该电路可参见上述实施例一的描述。

作为实施例五的变型，可以在居间衬底层朝向第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面上设置第一弹性基体以及覆盖在第一弹性基体上的第一居间摩擦层，居间衬底层朝向第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面固设在第一高分子聚合物绝缘层上，或者在没有压力作用时与第一高分子聚合物绝缘层之间具有一定空隙。这种结构与实施例五的结构是对称的。如果承压部件和底座的材料是相同的，这种对称结构实质上是相同的结构。

图18为本发明提供的基于摩擦发电的压力传感器的实施例七的截面结构示意图。如图18所示，该压力传感器包括承压部件180、第一电极层181、第一高分子聚合物绝缘层182、居间层183、第二高分子聚合物绝缘层184、第二电极层185和底座186。其中第一电极层181和第一高分子聚合物绝缘层182组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层184和第二电极层185组成第二结构层。

其中，第一电极层181和第一高分子聚合物绝缘层182依次层叠设置在承压部件180朝向底座186的第一侧表面上，第二电极层185和第二高分子聚合物绝缘层184依次层叠设置在底座186朝向承压部件180的第一侧表面上。居间层183位于第一高分子聚合物绝缘层182和第二高分子聚合物绝缘层184之间。居间层183包括层间衬底层183a、设置在居间衬底层183a朝向第一高分子聚合物绝缘层182的第一侧表面上的第一弹性基体183b、覆盖在第一弹性基体183b上的第一居间摩擦层183c、设置在居间衬底层183a朝向第二高分子聚合物绝缘层184的第二侧表面上的第二弹性基体183d、覆盖在第二弹性基体183d上的第二居间摩擦层183e。第一弹性基体183b具有规则的凸起结构，第一居间摩擦层183c以均匀的厚度覆盖在第一弹性基体183b上，可选地，采用喷涂的方法将第一居间摩擦层183c均匀涂覆在第一弹性基体183b上，使得第一居间摩擦层183c与第一弹性基体183b的凸起结构相匹配而形成对应的结构。第二弹性基体183d具有规则的凸起结构，第二居间摩擦层183e以均匀的厚度覆盖在第二弹性基体183d上，可选地采用喷涂的方法将第二居间摩擦层183e均匀涂覆在第二弹性基体183d上，使得第二居间摩擦层183e与第二弹性基体183d的凸起结构相匹配而形成对应的结构。图18中第一弹性基体183b和第二弹性基体183d的凸起结构由呈条状分布的若干个凸起单元形成，凸起单元的横截面为三角形，本发明不仅限于此，第一弹性基体183b和第二弹性基体183d的具体结构和尺寸可参见实施例一的相关描述。在这种结构中，第一居间摩擦层183c和第一高分子聚合物绝缘层182之间、第二居间摩擦层183e和第二高分子聚合物绝缘层184之间都形成摩擦界面。

在上述结构中，第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e可以为高分子聚合物绝缘层，也可以为电极层。

如果第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e均为高分子聚合物薄膜层，两者均用作摩擦层，第一电极层181和第二电极层185分别为压力传感器的信号输出端。

如果第一居间摩擦层183c为高分子聚合物薄膜层，第二居间摩擦层183e为电极层，第一居间摩擦层183c用作摩擦层，第二居间摩擦层183e同时用作摩擦层和电极层，那么第一电极层181、第二电极层185和第二居间摩擦层183e中的任两者或三者形成压力传感器的信号输出端；例如，第一电极层181和第二电极层185分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层181和第二电极层185中任一层与第二居间摩擦层183e分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层181和第二电极层185相连后与第二居间摩擦层183e一起作为压力传感器的两个信号输出端。

如果第一居间摩擦层183c为电极层，第二居间摩擦层183e为高分子聚合物薄膜，第一居间摩擦层183c同时用作摩擦层和电极层，第二居间摩擦层183e用作摩擦层，那么第一电极层181、第二电极层185和第一居间摩擦层183c中的任两者或三者形成压力传感器的信号输出端；例如，第一电极层181和第二电极层185分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层181和第二电极层185中任一层与第一居间摩擦层183c分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层181和第二电极层185相连后与第一居间摩擦层183c一起作为压力传感器的两个信号输出端。

如果第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e均为电极层，两者均用作摩擦层和电极层，那么第一电极层181、第二电极层185、第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e中的任两者或任三者或四者形成压力传感器的信号输出端。例如，第一电极层181和第二电极层185分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层181和第二电极层185中的任一层与第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e中的任一层分别为压力传感器的两个信号输出端；或者，第一电极层181、第二电极层185、第一居间摩擦层183c和第二居间摩擦层183e中的任两层相连后与剩余两层中的一层或剩余两层相连后一起作为压力传感器的两个信号输出端。

有关承压部件、底座、第一电极层、第二电极层、第一高分子聚合物绝缘层、第一弹性基体和第二弹性基体的材料可参见上述实施例一的相关描述，在此不再赘述。有关第二高分子聚合物绝缘层的材料可参见上述实施例二的相关描述。居间衬底层可以为高分子聚合物薄膜层，其材料可以在上述第一高分子聚合物绝缘层所选自的材料中选取。

如果第一居间摩擦层和/或第二居间摩擦层为高分子聚合物绝缘层，其材料可以在上述第一高分子聚合物绝缘层所选自的材料中选取。但第一居间摩擦层与第一高分子聚合物绝缘层的所选取的材料优选不同，第二居间摩擦层与第二高分子聚合物绝缘层所选取的材料优选不同。

如果第一居间摩擦层和/或第二居间摩擦层为电极层，可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒等，合金可以选自轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）。

在图18所示的结构中，为了避免承压部件180和底座186向外界导电，可以在承压部件180没有设置第一电极层181的第二侧表面上设置第一绝缘层，在底座186没有设置第二电极层185的第二侧表面上设置第二绝缘层，在这种结构中，承压部件180和底座186也可以作为压力传感器的信号输出端。也可以在承压部件180和第一电极层181之间设置第一绝缘层，在底座186和第二电极层185之间设置第二绝缘层。

基于本实施例提供的压力传感器，当压力作用于承压部件时，承压部件垂直向下挤压摩擦发电机的第一结构层（即依次层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）和第一弹性基体，使第一弹性基体和第一居间摩擦层发生形变，摩擦发电机的第一结构层逐渐与摩擦发电机的第一居间摩擦层相互接触，从而使摩擦发电机的第一高分子聚合物绝缘层和第一居间摩擦层相互摩擦产生静电荷；同时，居间衬底层垂直向下挤压第二弹性基体和第二结构层（即依次层叠设置的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层），使第二弹性基体和第二居间摩擦层发生形变，第二居间摩擦层也逐渐与第二结构层相互接触，从而使摩擦发电机的第二高分子聚合物绝缘层和第二居间摩擦层相互摩擦产生静电荷。静电荷的产生会导致两个电极层之间出现电势差。如果第一居间摩擦层和/或第二居间摩擦层为电极层，这几个电极层之间都会出现电势差。将具有电势差的电极层与外电路连接，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。其中，由于第一弹性基体和第二弹性基体为柔软性材料，摩擦发电机本身也是柔性材料，因此当承压部件受到压力不断挤压摩擦发电机时，在压力的作用下，第一高分子聚合物绝缘层和居间层之间的摩擦界面的接触面积随着压力的增大而持续增大，同时居间层和第二高分子聚合物绝缘层之间的摩擦界面的接触面积也会随着压力的增大而持续增大，利用接触面积与输出信号的对应关系，使得信号输出端的输出信号表征出压力的大小。随着压力的增大，能使第一高分子聚合物绝缘层、居间层和第二高分子聚合物绝缘层达到基本平行状态。

本实施例提供的压力传感器还可包括后续的处理电路，关于该电路可参见上述实施例一的描述。

在上述实施例六或实施例七所提供的基于摩擦发电的压力传感器中，在摩擦发电机的居间层中形成具有规则的凸起结构的弹性基体，该弹性基体的一个作用是能使摩擦发电机形成具有凸起结构的摩擦界面，另一个作用是发生形变将压力的变化转换为摩擦发电机的接触面积变化，利用摩擦发电机的接触面积与输出信号的对应关系，使摩擦发电机的输出信号表征出压力的大小。上述结构的基于摩擦发电的压力传感器克服了传统压力传感器的易受静电、电磁干扰的缺点，并且具有精度高、测量范围广、适用环境广泛的优点；并且，该基于摩擦发电的压力传感器具有自供电的特性，无需外部电源即可正常工作。上述结构的基于摩擦发电的压力传感器具有制作工艺简单、成本低、易于大规模工业化生产的特点。

本发明还提供了一种压力传感系统，该压力传感系统包括上述任一实施例所提供的基于摩擦发电的压力传感器，还包括：与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (37)

1.一种基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，包括：

承压部件；

设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一弹性基体，所述第一弹性基体具有规则的凸起结构；

覆盖在所述第一弹性基体上、与所述第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构的第一结构层；

底座；

以及设置在所述底座的第一侧表面上的第二结构层，所述第二结构层与所述第一结构层相对设置；

其中，所述压力传感器具有摩擦界面，当压力作用在所述承压部件上时，所述第一弹性基体和所述第一结构层发生形变使得所述摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，所述第一结构层和/或所述第二结构层形成所述压力传感器的信号输出端。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一结构层包括依次层叠覆盖在所述第一弹性基体上的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，所述第二结构层为第二电极层；所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二电极层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述压力传感器的信号输出端。

3.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一结构层为第一电极层，所述第二结构层包括依次层叠设置在所述底座的第一侧表面上的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层；所述第一电极层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述压力传感器的信号输出端。

4.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一结构层包括依次层叠覆盖在所述第一弹性基体上的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，所述第二结构层包括依次层叠设置在所述底座的第一侧表面上的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层；所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述压力传感器的信号输出端。

5.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：设置在所述第一结构层与所述第二结构层之间的居间层；

所述第一结构层包括依次层叠覆盖在所述第一弹性基体上的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，所述居间层与所述第一高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面。

6.根据权利要求5所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第二结构层包括依次层叠设置在所述底座的第一侧表面的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层；

在没有压力作用时所述居间层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间具有一定空隙，所述居间层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间也形成摩擦界面；或者，所述居间层直接固设在所述第二高分子聚合物绝缘层上。

7.根据权利要求5所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：设置在所述底座的第一侧表面上的第二弹性基体，所述第二弹性基体具有规则的凸起结构，所述第二结构层覆盖在所述第二弹性基体上，与所述第二弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构；

所述第二结构层包括依次层叠覆盖在所述第二弹性基体上的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层，所述居间层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间也形成摩擦界面。

8.根据权利要求6或7所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述居间层为高分子聚合物薄膜层，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述压力传感器的信号输出端；或者，所述居间层为电极层，所述第一电极层、所述第二电极层和所述居间层中的任两者或三者形成所述压力传感器的信号输出端。

9.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一弹性基体包括一体成型的弹性基层和在所述弹性基层上形成的所述凸起结构。

10.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：设置在所述承压部件的第二侧表面的第一绝缘层以及设置在所述底座的第二侧表面的第二绝缘层。

11.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：设置在所述承压部件和所述第一弹性基体之间的第一绝缘层以及设置在所述第二结构层和所述底座之间的第二绝缘层。

12.根据权利要求1-11任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述凸起结构由多个凸起单元形成；每个凸起单元的凸起高度为1mm-1m，凸起宽度为1mm-1m；凸起单元之间的间距为1mm-1m。

13.根据权利要求12所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述多个凸起单元呈条状分布，所述凸起单元的横截面为三角形、半圆形、梯形或半椭圆形；或者，所述多个凸起单元呈矩阵分布，所述凸起单元为半球体、圆锥体、半圆锥体、正四面体、水珠型结构或墨西哥金字塔型结构。

14.根据权利要求1-11任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述承压部件的材料为铝合金、合金钢或不锈钢；所述底座的材料为铝合金、合金钢或不锈钢。

15.根据权利要求1-11任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一弹性基体的材料为软质PVC、发泡聚氨酯、热塑性弹性体、硅橡胶、氟橡胶或聚二甲基硅氧烷。

16.根据权利要求1-11任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：与所述信号输出端连接的电容器，用于收集电量。

17.根据权利要求16所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

18.根据权利要求17所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：与所述微处理器连接的显示设备，用于显示所述电压输出值和压力输出值。

19.根据权利要求17所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述输出接口包括各种电压档位的接口电路、和/或各种电流档位的接口电路、和/或数字信号接口、和/或无线接口。

20.一种基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，包括：

承压部件；

设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一结构层；

底座；

设置在所述底座的第一侧表面上的第二结构层；

位于所述第一结构层和所述第二结构层之间的居间层；

所述居间层包括：居间衬底层、设置在所述居间衬底层的第一侧表面上的第一弹性基体以及覆盖在所述第一弹性基体上的第一居间摩擦层；其中，所述第一弹性基体具有规则的凸起结构，所述第一居间摩擦层与所述第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构；

其中，所述压力传感器具有摩擦界面，当压力作用在所述承压部件上时，所述第一弹性基体和所述第一居间摩擦层发生形变使得所述摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，所述第一结构层、第二结构层和第一居间摩擦层中的两者或三者形成所述压力传感器的信号输出端。

21.根据权利要求20所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一结构层包括依次层叠设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层；所述第二结构层包括依次层叠设置在所述底座的第一侧表面上的第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层。

22.根据权利要求21所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，设置所述第一弹性基体的所述居间衬底层的第一侧表面朝向所述第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第一居间摩擦层之间形成摩擦界面；

在没有压力作用时居间衬底层朝向所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层之间具有一定空隙，所述居间衬底层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间也形成摩擦界面；或者，所述居间衬底层直接固设在所述第二高分子聚合物绝缘层上。

23.根据权利要求22所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一居间摩擦层为高分子聚合物薄膜层，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述压力传感器的信号输出端；或者，所述第一居间摩擦层为电极层，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第一居间摩擦层中的任两者或三者形成所述压力传感器的信号输出端。

24.根据权利要求21所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述居间层还包括：设置在所述居间衬底层的第二侧表面上的第二弹性基体以及覆盖在所述第二弹性基体上的第二居间摩擦层；其中，所述第二弹性基体具有规则的凸起结构，所述第二居间摩擦层与所述第二弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构；所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第一居间摩擦层之间形成摩擦界面，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述第二居间摩擦层之间形成摩擦界面。

25.根据权利要求24所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于：

所述第一居间摩擦层和所述第二居间摩擦层均为高分子聚合物薄膜层，所述第一电极层和所述第二电极层形成所述压力传感器的信号输出端；

或者，所述第一居间摩擦层为高分子聚合物薄膜层，所述第二居间摩擦层为电极层，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第二居间摩擦层中的任两者或三者形成所述压力传感器的信号输出端；

或者，所述第一居间摩擦层和所述第二居间摩擦层均为电极层，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第一居间摩擦层和所述第二居间摩擦层中的任两者或任三者或四者形成所述压力传感器的信号输出端。

26.根据权利要求20所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：设置在所述承压部件的第二侧表面的第一绝缘层以及设置在所述底座的第二侧表面的第二绝缘层。

27.根据权利要求20所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：设置在所述承压部件和所述第一结构层之间的第一绝缘层以及设置在所述第二结构层和所述底座之间的第二绝缘层。

28.根据权利要求20-27任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述凸起结构由多个凸起单元形成；每个凸起单元的凸起高度为1mm-1m，凸起宽度为1mm-1m；凸起单元之间的间距为1mm-1m。

29.根据权利要求28所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述多个凸起单元呈条状分布，所述凸起单元的横截面为三角形、半圆形、梯形或半椭圆形；或者，所述多个凸起单元呈矩阵分布，所述凸起单元为半球体、圆锥体、半圆锥体、正四面体、水珠型结构或墨西哥金字塔型结构。

30.根据权利要求20-27任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述承压部件的材料为铝合金、合金钢或不锈钢；所述底座的材料为铝合金、合金钢或不锈钢。

31.根据权利要求20-27任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述第一弹性基体的材料为软质PVC、发泡聚氨酯、热塑性弹性体、硅橡胶、氟橡胶或聚二甲基硅氧烷。

32.根据权利要求20-27任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：与所述信号输出端连接的电容器，用于收集电量。

33.根据权利要求32所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

34.根据权利要求33所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，还包括：与所述微处理器连接的显示设备，用于显示所述电压输出值和压力输出值。

35.根据权利要求33所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，所述输出接口包括各种电压档位的接口电路、和/或各种电流档位的接口电路、和/或数字信号接口、和/或无线接口。

36.一种包括权利要求1-15任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器的压力传感系统，其特征在于，还包括：

与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

37.一种包括权利要求20-31任一项所述的基于摩擦发电的压力传感器的压力传感系统，其特征在于，还包括：

与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。