CN104426412B - 一种基于皮肤的电信号输出装置和电信号输出方法 - Google Patents

一种基于皮肤的电信号输出装置和电信号输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明利用人体皮肤和摩擦层材料具有不同摩擦电性质而构建出单电极的电信号输出装置和电信号输出方法。能够有效收集人体活动中所产生的机械能，并将其转化为电能储存，同时也能够通过电信号的收集来监测人体的微小活动，在医疗、健康等领域具有广泛的应用，兼具成本低、自驱动和结构简单等特点。

Description

一种基于皮肤的电信号输出装置和电信号输出方法
技术领域
本发明涉及一种电信号输出装置和电信号输出方法，特别涉及一种基于皮肤构建的单电极的电信号输出装置和电信号输出方法。
背景技术
现有摩擦电发电机的工作原理是基于两种不同摩擦电材料的相互接触和分离后能产生表面接触电荷，然后通过电极将该接触电荷输出。但是，所有已经报道的摩擦发电机都是将导电金属在摩擦电薄膜材料表面进行沉积形成所需的电极层，才能够实现对外输出电信号。然而，这种方法直接导致器件的制作成本增加。同时，我们也很难在一些摩擦材料上制作电极，比如皮肤、空气，这些限制极大的妨碍了这种摩擦电发电机的发展。
在日常生活中，人体皮肤表面和很多物体都有接触，比如床、沙发、手机、键盘等。如果可以把摩擦发电机制作在这些物体的表面，这将获取巨大的生物机械能，从而实现对某些电子设备的供电，具有广泛的应用前景。
在医疗和健康监测领域，通常需要对人体的微小动作进行监控，而这些监控设备必须在有电源供电的情况下才能正常工作。由此导致这类监控设备的体积较大，携带和使用起来不方便，同时电池的大量使用也对环境造成极大影响。
发明内容
为了克服现有摩擦发电机在应用过程中所显现的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于皮肤的电信号输出装置和电信号输出方法。为了达到上述目的，本发明首先提供一种基于皮肤的电信号输出装置，包括：摩擦层、贴合于所述摩擦层下表面的电极层和电阻，其中所述电极层通过所述电阻与等电位源电连接；所述装置在工作时，将所述摩擦层的上表面与所述皮肤面对面设置，电信号输出端分别从所述电阻的两端接出；
优选地，所述摩擦层与所述皮肤之间能够发生接触和分离；或者，所述摩擦层和所述皮肤之间能够发生滑动摩擦，并且所述皮肤与下表面贴合有所述电极层的那部分所述摩擦层之间的接触面积发生变化；
优选地，所述装置与所述皮肤之间不固定，或者，通过所述装置的边角固定在所述皮肤的表面；
优选地，所述摩擦层的材料选自以下物质：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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯；
优选地，在所述摩擦层的上表面全部或部分设置微纳结构；
优选地，所述微纳结构选自纳米线、微米线、纳米颗粒、纳米棒、微米棒、纳米管、微米管、纳米花，以及由这些结构组成的阵列；
优选地，所述微纳结构为通过光刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个微纳结构单元的尺寸在纳米到微米量级；
优选地，所述微纳结构单元的尺寸为10nm-50μm；
优选地，所述电极层材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体；
优选地，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金，所述导电氧化物为氧化铟锡ITO；所述有机物导体为自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩；
优选地，电极层由若干贴合在所述摩擦层下表面的分立的电极单元构成，每个所述电极单元均通过电阻与所述等电位源电连接；
优选地，每个所述电极单元为规则或不规则图形，并且各所述电极单元的尺寸和形状相同或不同；
优选地，所述电极单元与所述摩擦层贴合部分的面积大于1mm2；
优选地，所述摩擦层由若干摩擦单元构成，所述分立的电极单元贴合在所述摩擦单元的下表面；
优选地，各所述摩擦单元为分立的或部分连接形成图形排列，每个所述摩擦单元相同或不同；
优选地，所述摩擦单元与所述电极单元的形状和尺寸基本一致，并且每个摩擦单元的下表面对应贴合一个所述电极单元；
优选地，还包括隔离层，用于填充相邻的所述电极单元和/或相邻的所述摩擦单元之间的空隙；
优选地，所述隔离层为摩擦电中性的物质；
优选地，所述摩擦层和电极层为硬质材料或柔性材料；
优选地，所述等电位源通过接地或由外部补偿电路提供；
优选地，所述电阻的阻值为1MΩ-200MΩ，所述电阻的数量为1个或2个以上；
优选地，还包括贴合于所述电极层下表面的绝缘隔离层；
优选地，所述绝缘隔离层为绝缘材料；
本发明还提供一种基于皮肤的电信号输出方法，包括如下步骤：
（1）提供前述任一款电信号输出装置；
（2）将所述电信号输出装置的摩擦层面向皮肤放置；
（3）将所述电信号输出装置的信号输出端与电信号检测装置或电信号收集装置连接；
（4）使所述摩擦层和所述皮肤之间接触并分离；或者，使所述摩擦层和所述皮肤之间发生滑动摩擦，并且所述皮肤与下表面贴合有所述电极层的那部分摩擦层之间的接触面积发生变化；
优选地，步骤（1）通过如下步骤实现：
（1-1）提供摩擦层；
（1-2）在所述摩擦层的下表面贴合电极层；
（1-3）将所述电极层通过电阻与等电位源电连接；
优选地，当所述装置中还含有绝缘隔离层时，步骤（1）还包括：
（1-5）在所述电极层的下表面贴合绝缘隔离层。
本发明还提供一种用于触摸屏的电信号输出装置，包括前述任一款电信号输出装置，其特征在于所述摩擦层和电极层均为透明材料，并且通过所述电极层的下表面贴合在所述触摸屏的上表面，实现所述装置与触摸屏的固定；
优选地，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷，所述电极层为氧化铟锡ITO；
优选地，所述摩擦层和电极层的厚度相同或不同，并且均处于1μm-500μm范围内；
优选地，所述电极层由分立的电极单元构成，并且每个所述电极单元与摩擦层下表面的接触面积小于0.1mm2。
本发明还提供一种用于键盘的电信号输出装置，包括前述任一种电信号输出装置，其特征在于，通过所述电极层的下表面贴合在所述键盘按键的上表面，已实现所述装置与键盘的固定；
优选地，所述摩擦层和电极层均为透明的；
优选地，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷，所述电极层为氧化铟锡ITO；
优选地，所述摩擦层和电极层的尺寸和形状与其所贴合的按键表面的尺寸和形状相匹配；
优选地，所述摩擦层和电极层的形状与其所贴合的按键表面的形状相同或相似，尺寸相同或稍小。
与现有技术相比，本发明基于皮肤的电信号输出装置和电信号输出方法具有下列优点：
1、首次通过单电极实现了基于皮肤的电信号输出，并设计出具有实用价值的电信号输出装置和方法。只需借助皮肤和聚合物材料的接触-分离或滑动面积的改变，即可在电极层和等电位源之间形成电信号输出，从而在人体表面实现电信号的收集。
2、该技术具有广泛的应用前景，不仅可以实现医疗和健康领域中对人体微小动作进行监控的需求，还可以用来收集人体日常活动所产生的机械能，通过摩擦层和皮肤的接触和分离或滑动摩擦的过程，来实现发电。
3、本发明提供的电信号输出装置和方法，不仅能够安全的用于人体，还具有自驱动的特点，无需外加电源，绿色环保、体积小、方便使用，能够促进物联网和生物传感等技术的广泛应用。
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，重点在于显示出本发明的主旨。
图1为本发明电信号输出装置的典型结构示意图；
图2为本发明电信号输出装置的一种工作原理图；
图3为本发明电信号输出装置的另一种典型结构示意图；
图4为本发明电信号输出装置的另一种工作原理图；
图5为本发明电信号输出装置的另一种典型结构示意图；
图6为本发明电信号输出装置的另一种工作原理图；
图7为本发明电信号输出装置的另一种典型结构示意图；
图8为本发明实施例2电信号输出装置的实物照片；
图9为本发明实施例3用于触摸屏的电信号输出装置的实物照片，以及相应的电信号输出谱图；
图10为本发明实施例4用于键盘的电信号输出装置的实物照片，以及相应的电信号输出谱图。
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。
图1为本发明基于皮肤的电信号输出装置的一种典型结构，包括：摩擦层10、贴合于摩擦层10下表面的电极层20、贴合于电极层20下表面的绝缘隔离层30和电阻40，其中电极层20通过电阻40与等电位源50电连接；所述装置在工作时，将摩擦层10的上表面与皮肤100面对面设置，电信号的输出端60分别从电阻40的两端接出。为了方便说明，以下将结合图1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。
本发明的发电机工作原理参见图2进行说明（仅对二者实际发生接触的部分表面进行描述）。在实际工作时，皮肤100与摩擦层10的上表面呈面对面放置，当二者由于人体的活动或其他原因发生表面的接触和分离时，由于皮肤100与摩擦层10的摩擦电性质不同，二者之间存在得电子能力的差异，以皮肤100失电子能力较强为例，二者接触后接触表面的微结构之间会产生微小的切向滑动，从而形成摩擦产生表面电荷，其中皮肤100表面带有正电荷，而摩擦层10的表面则带负电荷（参见图2-a）。当二者分开后，破坏了在皮肤100和摩擦层10之间表面电荷的平衡，电子会从电极层20向等电位源50流动，电阻40上有电流通过，从其两端接出的输出端60可以监测到相应的电信号（参见图2-b）。当皮肤100与摩擦层10完全分离后，电荷达到平衡没有电子流动（参见图2-c）。当皮肤100再次向摩擦层10表面靠近时，将导致电子从等电位源50向电极层20流动，向电阻40输出相反方向的电流，从输出端60能监测到相应的电信号（参见图2-d）。当皮肤100与摩擦层10再次完全接触后，由于表面电荷呈平衡状态，并没有电子在外电路中流动，观察不到电流输出（参见图2-a）。
本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。
以下聚合物材料均可用于本发明的摩擦层10中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
通过实验发现，当摩擦层10的材料与皮肤100之间得电子能力相差越大时，摩擦电发电机输出的电信号越强，所以，可以根据上面列出的顺序选择合适的聚合物材料作为摩擦层10，以获得最佳的电信号输出性能。
为了提高电信号输出装置的输出性能，优选在摩擦层10的上表面，即与皮肤100接触的表面，全部或部分设置微纳结构，以增加摩擦层10和皮肤100的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度，该微纳结构选自纳米线、微米线、纳米颗粒、纳米棒、微米棒、纳米管、微米管、纳米花，以及由这些结构组成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。该阵列可以是通过光刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个微纳结构单元的尺寸在纳米到微米量级，优选为10nm-50μm，更优选为50nm-10μm，更优选为100nm-5μm，具体微微纳结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。
摩擦层10一般为单层的薄层或薄膜，厚度在100nm-1mm之间，优选500nm-800μm，更优选1μm-500μm。可以使用市售的薄膜，也可以通过旋涂等方法制备。
人体的皮肤100在干燥时可能呈绝缘状态，在潮湿的条件下可能为导体。但是，无论在任何状态下，与非皮肤的摩擦层10材料相比，其摩擦电特性都会具有较大差异，因此当皮肤100与摩擦层10之间发生接触和分离的动作时，都会产生明显的信号输出。
电极层20由导电材料构成，所述的导电材料可选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，电极层20可以为平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，优选为100nm-500μm，优选为1μm-500μm。电极层20与摩擦层10的形状相近或相同，最好其上表面完全被摩擦层10所覆盖，二者的厚度可以相同或不同。本领域常用的材料为：金属，包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。电极层20可通过直接贴合或沉积等常规方式贴合在摩擦层10的下表面，以形成紧密接触。常用的方法包括磁控溅射、蒸镀和印刷打印技术。
本发明并不限定摩擦层10和电极层20必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度对电信号的输出效果并没有明显影响。如需摩擦面维持平面，还可以通过其它部件的支撑来实现。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择摩擦层10和电极层20的材料硬度。对于需要固定在皮肤表面或者衣服内里上的信号输出装置，则优选柔性材料，以提高使用时的舒适度。
电极层20与等电位源50形成电连接是本发明传感器正常工作的关键，该等电位源50可以通过接地提供，也可以由外部的补偿电路来提供。本发明中所称的“接地”是指连接到能提供或接受大量电荷的物体上，其中的“地”是指任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质，例如舰船、运载工具或电子设备的金属外壳等。所述的电连接通过电阻40来实现，即电极层20通过电阻40与等电位源50实现电连接，电信号的输出端60分别从电阻40的两端接出。电阻40的阻值对输出电压具有明显的影响，如果电阻值较大，则分配在电阻40上的电压就增大，可输出的电压信号也相应增强。一般选择其电阻值为1MΩ-200MΩ，优选10MΩ-100MΩ。电阻40的数量可以根据需要进行选择，既可以如图1所示的1个，也可以使用2个以上。
本发明提供的电信号输出装置在工作时必须与皮肤100接触，这种接触可以是人体通过皮肤100主动施加的接触-分离动作，例如用手掌或手指的点按；也可以是人体在活动时导致的皮肤100与装置摩擦层10之间被动的接触和分离，例如将电信号输出装置设置在衣服的内里上或直接固定在皮肤上，当人体活动时装置的摩擦层10就会被动的与皮肤100发生接触和分离。对于这两种情况，本发明提供的电信号输出装置均能正常工作，只是装置与皮肤100与皮肤之间的固定方式可能有所不同。如果是主动施加接触-分离动作的，装置与皮肤100之间可以无需固定，当需要有电信号输出时，人体通过皮肤100向装置的摩擦层10施加接触和分离动作即可，而其他时候对二者的相对位置则没有要求，例如在电脑键盘或琴键的表面安装本发明的电信号输出装置就可以实现这种目的。而对于将人体各种活动所产生的机械能转换为电信号这种被动式电信号输出方式而言，则可以将本发明的电信号输出装置固定在皮肤100上，使摩擦层10与皮肤100呈面对面设置，这样即可随时收集人体活动所产生的机械能。优选装置通过边角固定在皮肤100的表面，固定方式可以为直接粘接或用本领域常用的其他连接件固定。而皮肤100既可以是人体各个部位的皮肤，也可以是其他动物的皮肤。
绝缘隔离层30用于将电极层20与外界环境隔离，有利于提高装置的电信号输出性能。一般由绝缘材料组成，最好是具有非摩擦电特性的材料，例如有机玻璃，通过激光进行加工和切割使其具有所需的形状和尺寸。绝缘隔离层30的厚度可以自行调整，如果需要较强的机械强度对整个装置进行支撑，可以选择厚度稍大的板材、片材；如果仅仅起隔离作用，而对硬度没有要求，则可以使用薄膜状材料。绝缘隔离层30可以是电信号输出装置本身的一个组成部件，也可以由与电信号输出装置结合的其他设备提供，例如将电信号输出装置贴合在键盘上时，键盘的上表面即可起到绝缘隔离层30的作用，因此可以不再单独另设绝缘隔离层30。
图3是本发明电信号输出装置的另一种典型结构，包括：摩擦层10、贴合于摩擦层10下表面的电极层20、贴合于电极层20下表面的绝缘隔离层30和电阻40，其中电极层20由若干贴合在摩擦层10下表面的分立的电极单元201构成，每个电极单元201均通过电阻40与等电位源50电连接；所述装置在工作时，将摩擦层10的上表面与皮肤100面对面设置，电信号的输出端60分别从电阻40的两端接出。该传感器各部件的选择原则均与图1所述的方式相同，此处不再赘述。
对于电极单元201，其材料的选择和厚度与前述的电极层20相同，优选为薄膜，最好通过沉积的方式在摩擦层10的下表面制备。每个电极单元201可以是规则图形，也可以是不规则图形，具体可根据需要进行选择。优选规则图形，特别是中心对称图形，以利于整体布图设计，例如三角形、正方形、菱形、正六边形、正八边形等规则多边形，也可以是圆形。电极单元201与摩擦层10贴合部分的尺寸和相邻电极单元201之间的间距均可自行设定，为方便制作，优选电极单元201与摩擦层10贴合部分的面积大于1mm2，如果有特殊需要，该面积也可以小于1mm2，甚至更小。
图3中示出的电阻40数目仅有1个，但在实际使用时可以使用2个以上，也可以在每个电极单元201与等电位源50之间都连接一个，即电阻40与电极单元201的数目相同。每个电阻40的阻值可以相同，也可以不同。
本实施方式除了与图1所示的方式类似，能够收集接触-分离式的动作输出电信号之外，还能够收集触摸动作所产生的机械能。其原理如图4所示：当皮肤100与摩擦层10接触后，由于接触摩擦效应，皮肤100产生正电荷，而摩擦层10与之相应的部分表面产生等量的负电荷（参见图4-a）；当皮肤100在摩擦层10的上表面沿箭头方向滑动时，由于二者接触面的变化而导致电极单元201所对应的摩擦层10表面电荷发生失配，为了平衡由此产生的电势差，负电荷由电极单元201流向等电位源50，从而在信号输出端60有电信号输出（参见图4-b）；皮肤100继续沿箭头方向滑动并完全与左侧第一个电极单元201分离后，该电极单元201上感应出等量的正电荷，以平衡所对应的摩擦层10上留下的表面电荷，而皮肤100与摩擦层10之间则又重复之前步骤a的动作，即在二者的接触表面通过滑动摩擦形成等量的表面电荷（参见图4-c）。对于左侧第一个电极单元201及其所对应的摩擦层10上的表面电荷、以及没有电极单元201对应的摩擦层10上的表面电荷，在环境条件下均会慢慢消失，最终恢复到没有摩擦的初始状态，该恢复过程产生的微弱电流可以作为噪音予以屏蔽，对传感器的正常工作不会造成任何影响。通过该原理可以看出，通过滑动摩擦来输出电信号的前提是：皮肤100与下表面贴合有电极层20的那部分摩擦层10之间的接触面积发生变化，这样才能形成有效的电荷输出。
图5是本发明电信号输出装置的另一种典型结构，包括：摩擦层10、贴合于摩擦层10下表面的电极层20、贴合于电极层20下表面的绝缘隔离层30和电阻40，其中摩擦层10由若干摩擦单元101构成，电极层20由若干贴合在触摸单元101下表面的分立的电极单元201构成，每个电极单元201均通过电阻40与等电位源50电连接；所述装置在工作时，将摩擦层10的上表面与皮肤100面对面设置，电信号的输出端60分别从电阻40的两端接出。
其中，摩擦单元101可以是分立的，也可以是部分连接形成一定图形排列的。同时，每个摩擦单元101可以相同也可以不同，本领域的技术人员可以根据实际情况对摩擦单元101进行材料、尺寸和形状的组合。
图5所示的电极单元201与摩擦单元101的形状和尺寸基本一致，并且每个摩擦单元101下表面对应贴合一个电极单元201，这只是一种具体的实施方式，实际在应用过程中并没有这种限制。电极单元201在每个摩擦单元101的下表面既可以设置1个，也可以设置多个；其形状既可以和摩擦单元101类似，也可以完全不同。与图3所示的实施方式相同，电阻40可以是1个也可以是2个以上。
这种结构电信号输出装置的工作原理如图6所示：当皮肤100与摩擦单元101接触后，由于接触摩擦效应，皮肤100产生正电荷，而摩擦单元101的上表面则产生等量的负电荷（参见图6-a）；当皮肤100沿箭头方向滑动时，由于摩擦面积的变化而导致摩擦单元101的表面电荷发生失配，为了平衡由此产生的电势差，负电荷由电极单元201流向等电位源50，从而在输出端60之间有电信号输出（参见图6-b）；皮肤100继续沿箭头方向滑动并与左侧第一个摩擦单元101完全分离后，与之相应的电极单元201上感应出等量的正电荷，以平衡摩擦单元101上留下的表面电荷，而皮肤100与第二个摩擦单元101之间则通过滑动摩擦又逐渐使第二个摩擦单元101的上表面带上部分负电荷，（参见图6-c）；当皮肤100与第二个摩擦单元101完全接触后，在第二个摩擦单元101的上表面形成的表面电荷达到最多（参见图6-d），当皮肤100继续沿箭头方向滑动时，则相当于重复步骤a-d的动作。
图7所示的实施方式与图5所示的类似，区别仅在于在相邻的电极单元201之间和相邻的摩擦单元101之间的空隙处都填充了隔离层70。该隔离层70的作用是使摩擦平面保持平整，同时增加其机械强度和寿命。最好选择摩擦电特性呈中性的材料制备，例如木材和有机玻璃。对于图2所示的实施方式中，也可以在相邻的电极单元201之间填充隔离层70。亦即，隔离层70即可单独填充在相邻的摩擦单元101或电极单元201之间，也可以将这两种空隙同时填充。
为了实现本发明的目的，本发明还提供一种基于皮肤的电信号输出方法，包括如下步骤：
（1）提供本发明前述任一款电信号输出装置；
（2）将所述电信号输出装置的摩擦层10面向皮肤100放置；
（3）将所述电信号输出装置的信号输出端60与电信号检测装置或电信号收集装置连接；
（4）使摩擦层10和皮肤100之间接触并分离；或者，使摩擦层10和皮肤100之间发生滑动摩擦，并且皮肤100与下表面贴合有电极层20的那部分摩擦层10之间的接触面积发生变化。
其中步骤（1）可以通过如下步骤实现：
（1-1）提供摩擦层10；
（1-2）在摩擦层10的下表面贴合电极层20；
（1-3）将电极层20通过电阻40与等电位源50电连接。
当电信号输出装置中还包含绝缘隔离层时，上述的步骤（1）在步骤（1-3）之后还包括：
（1-4）在电极层20的下表面贴合绝缘隔离层30。
步骤（3）中的电信号检测装置为电流或电压检测装置，电信号收集装置为可充电元件，例如充电电池。
本发明还提供一种用于触摸屏的电信号输出装置，包括透明的摩擦层10、贴合于摩擦层10下表面的透明的电极层20和电阻40，电极层20通过电阻40与等电位源50电连接，电极层20的下表面贴合在触摸屏的上表面，以实现该装置与触摸屏的固定。该装置各组成部件的选择与前述的各电信号输出装置相同，在此不再赘述。
本实施方式的特殊之处在于摩擦层10和电极层20必须为透明材料，优选摩擦层10为聚二甲基硅氧烷（PDMS），电极层20为氧化铟锡ITO。因为该装置在使用时需要附着于触摸屏的表面，考虑到对触摸屏透明度和触摸敏感度的影响，摩擦层10和电极层20的厚度要尽量薄一些，优选为1μm-500μm，二者可以相同也可以不同。
因为皮肤100在触摸屏表面不仅有点按的动作，还有滑动的动作，因此优选该装置中的电极层20由分立的电极单元201构成，即采用图3所示的实施方式。而且为了提高电流输出密度，电极单元201最好具有较小的尺寸，以减少单个电极单元201与摩擦层10下表面的接触面积，从而增加摩擦层10下表面单位面积的电极单元201的排布数量。虽然每个电极单元201与摩擦层10下表面的接触面积越小越好，但是考虑到加工技术及成本，优选小于1mm2，更优选小于0.1mm2。当然，如果加工技术不断进步使得小尺寸电极的制备成本降低，则优选使用尺寸更小的电极单元。
本发明还提供一种用于键盘的电信号输出装置，包括摩擦层10、贴合于摩擦层10下表面的电极层20和电阻40，电极层20通过电阻40与等电位源50电连接，电极层20的下表面贴合在键盘按键的上表面，以实现该装置与键盘的固定。该装置各组成部件的选择与前述的各电信号输出装置相同，在此不再赘述。
由于手指在键盘按键上的主要活动是接触和分离式的点按动作，因此用于键盘的电信号输出装置首选图1所示的结构。本实施方式的特殊之处在于直接将电极层20的下表面贴合在键盘按键的上表面进行固定。如果需要透过按键上的印刷信息，优选摩擦层10和电极层20为透明材料，更优选摩擦层10为聚二甲基硅氧烷（PDMS），电极层20为氧化铟锡ITO。另一种可以使用的方式是，将按键上需要显示的信息直接印刷到摩擦层10的上表面。因为该装置在使用时需要附着于键盘按键的表面，考虑到键盘触摸的舒适度和对键盘按键上印刷信息的影响，摩擦层10和电极层20的厚度要尽量薄一些，优选为1μm-500μm；摩擦层10和电极层20的尺寸和形状要与其所贴合的按键表面的尺寸和形状匹配，优选摩擦层10和电极层20的形状与其所贴合的按键表面的形状相同或相似，尺寸相同或稍小。
本实施方式中的键盘可以是计算机的键盘，也可以是其他仪器或设备所配备的键盘，例如琴键、打字机键盘、电话键盘等等。
实施例1：
切割一个长10cm×宽10cm×厚25μm的Al箔作为电极层，将其固定在有机玻璃的隔离层上，在电极层的上面通过旋涂的方法制作一层聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为摩擦层。用铜导线将Al箔和一个电阻相连接，电阻的另外一端接地。铜线也和一个电压表相连接，当用手触摸聚合物层PDMS时候，电压表有相应的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。当手和聚合物层PDMS分离的时候，有相反的电信号可以被观察到。
实施例2：
利用激光切割一个长10cm×宽10cm×厚1.59mm的有机玻璃作为器件的绝缘隔离层。利用磁控溅射的方法，在基底上制作16个透明的电极氧化铟锡（ITO）阵列，电极的尺寸为长1cm×宽1cm。用16根铜导线分别连接16个电极单元，并和一个电阻相连接，电阻的另外一端接地。16根铜导线也和电压测试系统相连接，在电极的上面制作一层聚合物材料聚酰亚胺，使其完全盖住整个电极阵列，图8为所制备的电信号输出装置的实物照片。当用手指接触电极单元上面的聚合物材料表面时，由于皮肤和聚合物层摩擦性质的不同，并可以对外输出电信号。
实施例3
利用微加工的方法将氧化铟锡ITO透明薄膜进行切割，制备8个长0.5cm×宽0.5cm×厚127μm的电极单元，并用绝缘胶将其贴合于手机触摸屏的表面，每个电极单元由Cu导线引出通过电阻与等电位源电连接，在贴合有电极单元的触摸屏表面再平铺一层聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，该薄膜能够覆盖所有的电极单元，并通过双面胶将该PDMS薄膜的边缘与触摸屏固定，具体见图9-a的照片。
通过图9-a可以看出，将电信号输出装置贴合在手机屏幕上之后，对于屏幕的透明度没有影响，实验也证明手机对各种手势的响应灵敏度也完全正常，说明将本发明的电信号输出装置用在触摸屏上并不影响触摸屏的正常工作。当手指在触摸屏上做各种点按、滑动的动作时，从电阻两端接出的电压和电流检测装置显示有电信号输出，参见图9-b。如果将该电信号收集，即可实现发电功能。
实施例4
制备多个1cm×1cm的ITO电极，并将其与形状和尺寸相同的PDMS薄膜正对面粘合在一起，从每个ITO电极的表面引出铜导线，分别通过电阻与等电位源电连接，从而形成多个所需的电信号输出装置。将组装好的电信号输出装置一对一固定在键盘按键的上表面，使ITO电极层与键盘按键的上表面贴合，从电阻的两端引出电信号监测装置，具体参见图10-a的照片。
当用手指敲击键盘时，电信号监测装置显示有脉冲式的电信号产生，具体参见图10-b。
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作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 (54)

1.一种用于触摸屏的电信号输出装置，其特征在于，包括：
基于皮肤的电信号输出装置，该基于皮肤的电信号输出装置包括：摩擦层、贴合于所述摩擦层下表面的电极层和电阻，其中所述电极层通过所述电阻与等电位源电连接；所述装置在工作时，将所述摩擦层的上表面与所述皮肤面对面设置，电信号输出端分别从所述电阻的两端接出，
其中，所述摩擦层和电极层均为透明材料，并且通过所述电极层的下表面贴合在所述触摸屏的上表面，实现所述装置与触摸屏的固定。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦层与所述皮肤之间能够发生接触和分离；或者，所述摩擦层和所述皮肤之间能够发生滑动摩擦，并且所述皮肤与下表面贴合有所述电极层的那部分所述摩擦层之间的接触面积发生变化。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦层的材料选自以下物质：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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述摩擦层的上表面全部或部分设置微纳结构。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微纳结构选自纳米线、微米线、纳米颗粒、纳米棒、微米棒、纳米管、微米管、纳米花，以及由这些结构组成的阵列。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微纳结构为通过光刻蚀方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个微纳结构单元的尺寸在纳米到微米量级。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述微纳结构单元的尺寸为10nm-50μm。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极层材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬；所述合金为金、银、铂、铝、镍、铜、钛和铬中的2种以上物质所形成的合金，所述铟锡氧化物为氧化铟锡ITO；所述有机物导体为自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
10.如权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述电极层由若干贴合在所述摩擦层下表面的分立的电极单元构成，每个所述电极单元均通过电阻与所述等电位源电连接。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，每个所述电极单元为规则或不规则图形，并且各所述电极单元的尺寸和形状相同或不同。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电极单元与所述摩擦层贴合部分的面积大于1mm2。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述摩擦层由若干摩擦单元构成，所述分立的电极单元贴合在所述摩擦单元的下表面。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，各所述摩擦单元为分立的或部分连接形成图形排列，每个所述摩擦单元相同或不同。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述摩擦单元与所述电极单元的形状和尺寸基本一致，并且每个摩擦单元的下表面对应贴合一个所述电极单元。
16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括隔离层，用于填充相邻的所述电极单元和/或相邻的所述摩擦单元之间的空隙。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述隔离层为摩擦电中性的物质。
18.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层和电极层为硬质材料或柔性材料。
19.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述等电位源通过接地或由外部补偿电路提供。
20.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述电阻的阻值为1MΩ-200MΩ，所述电阻的数量为1个或2个以上。
21.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于，还包括贴合于所述电极层下表面的绝缘隔离层。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述绝缘隔离层为绝缘材料。
23.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷，所述电极层为氧化铟锡ITO。
24.如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层和电极层的厚度相同或不同，并且均处于1μm-500μm范围内。
25.如权利要求1-9中任一项中任一项所述的装置，其特征在于，所述电极层由分立的电极单元构成，并且每个所述电极单元与摩擦层下表面的接触面积小于0.1mm2。
26.一种用于键盘的电信号输出装置，包括：
基于皮肤的电信号输出装置，该基于皮肤的电信号输出装置包括：摩擦层、贴合于所述摩擦层下表面的电极层和电阻，其中所述电极层通过所述电阻与等电位源电连接；所述装置在工作时，将所述摩擦层的上表面与所述皮肤面对面设置，电信号输出端分别从所述电阻的两端接出，
其中，通过所述电极层的下表面贴合在所述键盘按键的上表面，以实现所述基于皮肤的电信号输出装置与键盘的固定。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述摩擦层与所述皮肤之间能够发生接触和分离；或者，所述摩擦层和所述皮肤之间能够发生滑动摩擦，并且所述皮肤与下表面贴合有所述电极层的那部分所述摩擦层之间的接触面积发生变化。
28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述摩擦层的材料选自以下物质：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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯。
29.如权利要求26所述的装置，其特征在于，在所述摩擦层的上表面全部或部分设置微纳结构。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述微纳结构选自纳米线、微米线、纳米颗粒、纳米棒、微米棒、纳米管、微米管、纳米花，以及由这些结构组成的阵列。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述微纳结构为通过光刻蚀方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个微纳结构单元的尺寸在纳米到微米量级。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述微纳结构单元的尺寸为10nm-50μm。
33.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述电极层材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬；所述合金为金、银、铂、铝、镍、铜、钛和铬中的2种以上物质所形成的合金，所述铟锡氧化物为氧化铟锡ITO；所述有机物导体为自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
35.如权利要求26-34任一项所述的装置，其特征在于，所述电极层由若干贴合在所述摩擦层下表面的分立的电极单元构成，每个所述电极单元均通过电阻与所述等电位源电连接。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，每个所述电极单元为规则或不规则图形，并且各所述电极单元的尺寸和形状相同或不同。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述电极单元与所述摩擦层贴合部分的面积大于1mm2。
38.如权利要求35任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层由若干摩擦单元构成，所述分立的电极单元贴合在所述摩擦单元的下表面。
39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，各所述摩擦单元为分立的或部分连接形成图形排列，每个所述摩擦单元相同或不同。
40.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述摩擦单元与所述电极单元的形状和尺寸基本一致，并且每个摩擦单元的下表面对应贴合一个所述电极单元。
41.如权利要求38所述的装置，其特征在于，还包括隔离层，用于填充相邻的所述电极单元和/或相邻的所述摩擦单元之间的空隙。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，所述隔离层为摩擦电中性的物质。
43.如权利要求26-34中任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层和电极层为硬质材料或柔性材料。
44.如权利要求26-34中任一项所述的装置，其特征在于，所述等电位源通过接地或由外部补偿电路提供。
45.如权利要求26-34中任一项所述的装置，其特征在于，所述电阻的阻值为1MΩ-200MΩ，所述电阻的数量为1个或2个以上。
46.如权利要求26-34中任一项所述的装置，其特征在于，还包括贴合于所述电极层下表面的绝缘隔离层。
47.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述绝缘隔离层为绝缘材料。
48.如权利要求26-34中任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层和电极层均为透明的。
49.如权利要求48所述的装置，其特征在于，所述摩擦层为聚二甲基硅氧烷，所述电极层为氧化铟锡ITO。
50.如权利要求26-34中任一项任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层和电极层的尺寸和形状与其所贴合的按键表面的尺寸和形状相匹配。
51.如权利要求26-34中任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层和电极层的形状与其所贴合的按键表面的形状相同或相似，尺寸相同或稍小。
52.基于皮肤的电信号输出装置，其特征在于，包括：摩擦层、贴合于所述摩擦层下表面的电极层和电阻，其中所述电极层通过所述电阻与等电位源电连接；所述装置在工作时，将所述摩擦层的上表面与所述皮肤面对面设置，电信号输出端分别从所述电阻的两端接出；
其中，所述装置与所述皮肤之间通过所述装置的边角固定在所述皮肤的表面。
53.如权利要求52所述的装置，其特征在于，所述电极层由若干贴合在所述摩擦层下表面的分立的电极单元构成，每个所述电极单元均通过电阻与所述等电位源电连接。
54.如权利要求53所述的装置，其特征在于，所述摩擦层由若干摩擦单元构成，所述分立的电极单元贴合在所述摩擦单元的下表面。
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