CN104578892A - 一体式摩擦发电机及振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种一体式摩擦发电机及振动传感器。该一体式摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层，振动摩擦层，和第二电极层；其中，振动摩擦层包括一体设置的第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框形成的阵列，使得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形成多个空腔；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构。该一体式摩擦发电机能够用作振动传感器，通过一体化振动摩擦层进行振动摩擦获得电压信号，适用于0HZ-55HZ低频振动的检测。

Description

一体式摩擦发电机及振动传感器

技术领域

本发明涉及一体式摩擦发电机及振动传感器领域，尤其是涉及一种利用振动、低频响应优良的摩擦发电机及振动传感器。

背景技术

目前，能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大课题之一。各种围绕新能源开发、可重复利用再生能源的研究正在世界各地如火如荼地进行着。

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，由于其具备环保、成本低、自驱动等特性，受到了广泛关注。现有压电传感器是利用压电材料受力后产生的压电效应制成的传感器，已经广泛用于声学、医疗、工业、交通、安防等众多领域，正逐步改变人们的生活和工作方式，成为社会发展的趋势。压电材料在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷。压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，现有技术通常采用极化聚偏氟乙烯（PVDF）、聚二氟乙烯和聚三氟乙烯共聚物作为压电材料。然而，现有技术中，没有将摩擦发电机用于检测物体振动状态的振动传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供了一种一体式摩擦发电机，能够用作振动传感器，其利用振源产生的振动，通过一体设置的振动摩擦层进行共振摩擦获得电压信号，适用于0HZ-55HZ低频振动的检测。

为了解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案，一种一体式摩擦发电机，该一体式摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层，振动摩擦层，和第二电极层；其中，振动摩擦层包括第一高分子聚合物绝缘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第二高分子聚合物绝缘层进行一体设置呈一体式；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框形成的阵列，使得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形成多个空腔；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框的高度高于微纳结构的凸起高度。

前述的一体式摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层所用材料是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、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、纤维素海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、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、聚四氟乙烯（PTFE）、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。

前述的一体式摩擦发电机，所述振动摩擦层进一步包括第三高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层进行一体设置呈一体式；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微框形成的阵列，使得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形成多个空腔，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层之间形成多个空腔；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构；第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框的高度高于微纳结构的凸起高度。

前述的一体式摩擦发电机，所述第三高分子聚合物绝缘层所用材料是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、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、纤维素海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、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、聚四氟乙烯（PTFE）、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。

前述的一体式摩擦发电机，每个微框为方框形或中空的圆柱形。

一体式摩擦发电机前述的一体式摩擦发电机，每个微框的高度比微纳结构的凸起高度高10μm-500μm。

前述的一体式摩擦发电机，每个微框的边长尺寸或直径尺寸为0.1cm-3cm，其高度为20μm-510μm。

前述的一体式摩擦发电机，所述微纳结构凸起高度为10μm-500μm。

前述的一体式摩擦发电机，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、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、锡、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。

本发明提供的第二技术方案，一种一体式摩擦发电机在振动传感器中的应用。

本发明一体式摩擦发电机，利用一体设置的振动摩擦层进行振动摩擦获得电压信号，能够用做振动传感器，适用于0Hz-55Hz低频振动的检测。本发明一体式摩擦发电机频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间，因此对于心跳和呼吸振动（5Hz以下）而言，具有较强的响应能力。

附图说明

图1为本发明一体式摩擦发电机的一种具体实施方式的结构示意图。

图2为本发明一体式摩擦发电机的振动摩擦层12的剖面图。

图3为本发明一体式摩擦发电机的另一种具体实施方式的结构示意图。

图4（a）为本发明激光刻蚀模板图案。

图4（b）所示是同时带有微框形成的阵列与微纳结构的聚合物薄膜示意图。

图5为聚偏氟乙烯传感器与本发明图1一体式摩擦发电机用作振动传感器的声学性能测试示意图。

图6（a）为聚偏氟乙烯传感器探测声波性能测量信号图。

图6（b）为聚偏氟乙烯传感器探测声波性能滤波信号图。

图7（a）为本发明振动传感器探测声波性能测量信号图。

图7（b）为本发明振动传感器探测声波性能滤波信号图。

图8为聚偏氟乙烯传感器频谱信号图。

图9为本发明振动传感器频谱信号图。

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。

本发明一体式摩擦发电机，利用一体设置的振动摩擦层进行振动摩擦获得电压信号，能够用做振动传感器，适用于0HZ-55HZ低频振动的检测。

如图1所示，本发明的一种具体实施方式的一体式摩擦发电机1，该一体式摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，振动摩擦层12，和第二电极层13；其中，振动摩擦层12包括第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122，所述第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置呈一体式。第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置采用常规方法完成，例如采用胶布将第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122周边粘贴固定。

第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框123阵列，使得第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124；第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有多个凸起的微纳结构125；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框123的高度高于微纳结构125。微纳结构125可以在全部的或部分的空腔区域内设置，然而为了增加高分子聚合物绝缘层间的摩擦接触点，需要在至少一个空腔区域内设置凸起的微纳结构125。

图2所示是振动摩擦层12的剖面图，可以看出每个微框123的凸起高度高于微纳结构125。本发明所述微纳结构是指突出于高分子聚合物绝缘层表面平面的微米或纳米级别的凸起结构。

本发明所述微框123是指由外周边围成的凸起高度为微米级别的方框或圆柱。该外周边围成的区域对应第一高分子聚合物绝缘层和/或第二高分子聚合物绝缘层表面的空腔区域。本发明微框形成的阵列由多个方框形或中空的圆柱形微框构成，每个微框123的平面尺寸为0.1cm-3cm（直径或边长），优选0.5cm。该微框形成的阵列中每个微框123的凸起高度为20μm-510μm，能够保证第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124，确保该一体式摩擦发电机结构的稳定性。

当振动引发一体式摩擦发电机1结构形变或微小位移，由于第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置，使第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122发生振动，从而第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间产生摩擦，进一步获得电压信号。

由于第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有微纳结构125，且每个微框123的高度高于微纳结构125，当振动产生时，微纳结构125成为第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间的摩擦接触点，从而保证了电压信号的获得。

优选的，每个微框123的高度比微纳结构125的凸起高度高10μm-500μm，更优选高度差为50μm。每个微框123高度为20μm-510μm，微纳结构125为凸起高度为10μm-500μm。

所述第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122所用材料优选不同，可以是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、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、纤维素海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、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、聚四氟乙烯（PTFE）、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种，厚度为100-500μm。

优选的，第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122所用材料优选为：聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二醇酯，丁腈橡胶薄膜和聚酰亚胺薄膜，天然橡胶薄膜和苯乙烯丙烯共聚物薄膜，以及聚甲醛薄膜和聚酰胺薄膜。

在该实施方式中，第一电极层11和第二电极层13对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、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、锡、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。

如图3所示，本发明的一种具体实施方式的一体式摩擦发电机2，该一体式摩擦发电机2包括层叠设置的第一电极层21，振动摩擦层22，和第二电极层23；其中，所述振动摩擦层21包括第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223，所述第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223进行一体设置呈一体式。第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223进行一体设置采用常规方法完成，例如采用胶布将第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223周边粘贴固定。

第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置的两个面中的至少一个面上，和/或第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框224（图3仅示出第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间的微框224）阵列，使得第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间形成多个空腔225，和/或第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223之间形成多个空腔（图3仅示出第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间的空腔225）；第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构226，以及第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构（图3仅示出第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间的微纳结构226）；每个微框224的凸起高度高于微纳结构226。微纳结构可以在全部的或部分的空腔区域内设置，然而为了增加高分子聚合物绝缘层间的摩擦接触点，需要在至少一个空腔区域内设置凸起的微纳结构。

本发明所述微框224是指由外周边围成的凸起高度为微米级别的方框或圆柱。该外周边围成的区域对应第一高分子聚合物绝缘层，第二高分子聚合物绝缘层，和/或第三高分子聚合物绝缘层表面的空腔区域。上述微框形成的阵列由多个方框形或中空的圆柱形微框构成，每个微框224的平面尺寸为0.1cm-3cm，优选0.5cm。该微框形成的阵列中每个微框224的凸起高度为20μm-510μm，能够保证第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间，和/或第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223之间形成多个空腔225，确保该一体式摩擦发电机结构的稳定性。

当振动引发一体式摩擦发电机2结构形变或微小位移，由于第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223呈一体化，使第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223发生振动，从而第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间，和/或第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223之间产生摩擦，进一步获得电压信号。

由于第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置的两个面中的至少一个面上，和/或第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223相对设置的两个面中的至少一个面上，在至少一个空腔区域内设有微纳结构226，且每个微框224的高度高于微纳结构226，当振动产生时，微纳结构226成为第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间，和/或第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223之间的摩擦接触点，从而保证了电压信号的获得。

优选的，每个微框224的高度比微纳结构的凸起高度226高10μm-500μm，更优选高度差为50μm。每个微框224高度为20μm-510μm，微纳结构226凸起高度为10μm-500μm。

所用第二高分子聚合物绝缘层222材料，优选与第一高分子聚合物绝缘层221和第三高分子聚合物绝缘层223所用材料不同，所述第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223所用材料可以是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、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、纤维素海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、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、聚四氟乙烯（PTFE）、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种，厚度为100-500μm。

优选的，第一高分子聚合物绝缘层221和第三高分子聚合物绝缘层223所用材料优选为：聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶薄膜、天然橡胶薄膜和聚甲醛薄膜。第二高分子聚合物绝缘层222所用材料优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺薄膜，苯乙烯丙烯共聚物薄膜，以及聚酰胺薄膜。

在该实施方式中，第一电极层21和第二电极层23对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、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、锡、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。

本领域技术人员可以根据需要设置高分子聚合物绝缘层的数量，相邻高分子聚合物绝缘层之间均可以设置上述微框形成的阵列与微纳结构。本发明微框形成的阵列与微纳结构可以设置在同一高分子聚合物绝缘层上，也可以分别设置在相邻的两个高分子聚合物绝缘层上。下面详细说明微框形成的阵列与微纳结构设置在同一高分子聚合物绝缘层上时，模板的制备方法。

使用激光刻蚀机对亚克力板进行刻蚀，刻蚀出高分子聚合物绝缘层用聚合物薄膜制备的模板，模板图案如图4（a）所示，所示点与线为刻蚀部分（凹进去的区域），其中刻蚀线围成的平面尺寸范围为0.1cm-3cm；线刻蚀的深度要比点刻蚀的深度大10um-500um。另外，也可以单独刻蚀点或线，以满足微框形成的阵列与微纳结构分别设置在相邻的两个高分子聚合物绝缘层上

在上述模板上得到聚合物薄膜的方法是常规现有涂覆、烘干方法。以聚二甲基硅氧烷为例，将混合有固化剂的聚二甲基硅氧烷涂抹在模板上，使用刮膜机在模板的表面得到一定厚度的聚二甲基硅氧烷薄膜，将涂抹有聚二甲基硅氧烷薄膜的模板放入高温箱中，在80℃的温度下加热90分钟，取出模板，揭下表面的聚二甲基硅氧烷薄膜，得到聚二甲基硅氧烷薄膜。根据上述模板制备情况，可以得到同时带有微框形成的阵列与微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，或仅带有微框形成的阵列或微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜。图4（b）所示是同时带有微框形成的阵列与微纳结构的聚合物薄膜示意图。

本发明一体式摩擦发电机主要应用于振动传感器。本发明振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。由图8和图9频谱对比可知，本发明振动传感器对于0Hz和5Hz之间的响应能力远强于聚偏氟乙烯传感器。对于心跳和呼吸振动而言，其频率主要集中在5Hz以下，由于本发明振动传感器具有更加优异的低频响应性能，因而其更适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。

实施例1

一体式摩擦发电机尺寸为30mm×12mm，总厚度大约是200μm。如图1所示，该振动摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，振动摩擦层12，和第二电极层13。

振动摩擦层12包括第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122，第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置呈一体式。

第一高分子聚合物绝缘层121所用材料是聚二甲基硅氧烷（道康宁，184），厚度为130μm。在第一高分子聚合物绝缘层121朝向第二高分子聚合物绝缘层122的表面上设置有微框123阵列和微纳结构125。微框123阵列由多个方框形微框构成，每个微框123边长为0.5cm，高度为100μm，从而第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124。微纳结构125设置在第一高分子聚合物绝缘层121面上的空腔区域内，其凸起高度为50μm。

第二高分子聚合物绝缘层122所用材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，永泰塑料），厚度为50μm。第一电极层11和第二电极层13所用材料是铝箔，厚度为50μm。

图5所示是聚偏氟乙烯传感器（PVDF振动传感器，锦州科信电子材料有限公司）与本实施例所示一体式摩擦发电机用作振动传感器的声学性能测试示意图。PVDF振动传感器的面积为30mm×1.2mm，PVDF厚度为30μm。

将两个传感器平行固定，在同一声源条件下（1kHz，40dB）进行测试。图6（a）所示是聚偏氟乙烯传感器探测声波性能测量信号图，图6（b）所示是聚偏氟乙烯传感器探测声波性能滤波信号图。图7（a）所示是本实施例振动传感器探测声波性能测量信号图，图7（b）所示是本实施例振动传感器探测声波性能滤波信号图。。对比图6（b）和图7（b）可以看出，聚偏氟乙烯传感器输出信号输出电压为1mV，具有明显的谐波干扰，导致信号畸变，而本实施例振动传感器输出电压为1.5mV，并保持完好的输出信号，不存在信号畸变。

图8所示是聚偏氟乙烯传感器频谱信号图，图9所示是本实施例振动传感器频谱信号图。对比图8和图9可以看出，聚偏氟乙烯传感器的频率响应具有较宽的带宽，其响应带宽主要在50Hz和200Hz之间。本实施例振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。由图8和图9频谱对比可知，本实施例振动传感器对于0Hz和5Hz之间的响应能力远强于聚偏氟乙烯传感器。对于心跳和呼吸振动而言，其频率主要集中在5Hz以下，由于本实施例振动传感器具有更加优异的低频响应性能，因而其更适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

实施例2

一体式摩擦发电机尺寸为30mm×12mm，总厚度大约是300μm。如图2所示，一体式摩擦发电机2，该一体式摩擦发电机2包括层叠设置的第一电极层21，振动摩擦层22，和第二电极层23。

振动摩擦层2包括第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223，所述第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223进行一体设置呈一体式。

第一高分子聚合物绝缘层221所用材料是聚二甲基硅氧烷（道康宁，184），厚度为130μm。在第一高分子聚合物绝缘层221朝向第二高分子聚合物绝缘层222的表面上设置有微框224阵列和微纳结构226。微框224阵列由多个方框形微框构成，每个微框224边长为0.1cm，高度为20μm，从而第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间形成多个空腔225。微纳结构226设置在第一高分子聚合物绝缘层221面上的空腔区域内，其凸起高度为10μm。第三高分子聚合物绝缘层223层叠在第二高分子聚合物绝缘层222的另一表面上。

第二高分子聚合物绝缘层222所用材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，永泰塑料），厚度为50μm。第三高分子聚合物绝缘层223所用材料是聚二甲基硅氧烷，厚度为130μm。第一电极层11和第二电极层13所用材料是铝箔，厚度为50μm。

将本实施例传感器平行固定在培养皿上，在1kHz，40dB声源条件下进行测试。经过滤波处理，本实施例输出电压为1.2mV，本实施例振动传感器具有优异的低频检测效果。

本实施例振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

实施例3

一体式摩擦发电机尺寸为30mm×12mm，总厚度大约是700μm。如图3所示，一体式摩擦发电机2，该一体式摩擦发电机2包括层叠设置的第一电极层21，振动摩擦层22，和第二电极层23。

振动摩擦层2包括第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223，所述第一高分子聚合物绝缘层221、第二高分子聚合物绝缘层222和第三高分子聚合物绝缘层223进行一体设置呈一体式。

第一高分子聚合物绝缘层221所用材料是聚二甲基硅氧烷（道康宁，184），厚度为130μm。在第一高分子聚合物绝缘层221朝向第二高分子聚合物绝缘层222的表面上设置有微框224阵列和微纳结构226。微框224阵列由多个方框形微框构成，每个微框224边长为3cm，高度为510μm，从而第一高分子聚合物绝缘层221和第二高分子聚合物绝缘层222之间形成多个空腔225。微纳结构226设置在第一高分子聚合物绝缘层221面上的空腔区域内，其凸起高度为10μm。

第三高分子聚合物绝缘层223所用材料是聚二甲基硅氧烷（道康宁，184），厚度为130μm。在第三高分子聚合物绝缘层223朝向第二高分子聚合物绝缘层222的表面上设置有微框（图3未示）阵列和微纳结构（图3未示）。微框形成的阵列由多个方框形微框构成，每个微框边长为3cm，高度为510μm，从而第三高分子聚合物绝缘层223和第二高分子聚合物绝缘层222之间形成多个空腔。微纳结构设置在第三高分子聚合物绝缘层223面上的空腔区域内，其凸起高度为10μm。

第二高分子聚合物绝缘层222所用材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，永泰塑料），厚度为50μm。第一电极层11和第二电极层13所用材料是铝箔，厚度为50μm。

将本实施例传感器平行固定在培养皿上，在1000Hz，40分贝声源条件下进行测试。经过滤波处理，本实施例输出电压为0.8mV，本实施例振动传感器具有优异的低频检测效果。

本实施例振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

实施例4

一体式摩擦发电机尺寸为30mm×12mm，总厚度大约是300μm。如图1所示，该振动摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，振动摩擦层12，和第二电极层13。

振动摩擦层12包括第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122，第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置呈一体式。

第一高分子聚合物绝缘层121所用材料是丁腈橡胶薄膜（北京固柏橡塑），厚度为130μm。在第一高分子聚合物绝缘层121朝向第二高分子聚合物绝缘层122的表面上设置有微框123阵列和微纳结构125。微框123阵列由多个方框形微框构成，每个微框123边长为0.5cm，高度为100μm，从而第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124。微纳结构125设置在第一高分子聚合物绝缘层121面上的空腔区域内，其凸起高度为50μm。

第二高分子聚合物绝缘层122所用材料是聚酰亚胺薄膜（江苏旭龙电气），厚度为50μm。第一电极层11和第二电极层13所用材料是铝箔，厚度为50μm。

将本实施例传感器平行固定在培养皿上，在1kHz，40dB声源条件下进行测试。经过滤波处理，本实施例输出电压为0.5mV，本实施例振动传感器具有优异的低频检测效果。

本实施例振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

实施例5

一体式摩擦发电机尺寸为30cm×12cm，总厚度大约是300μm。如图1所示，该振动摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，振动摩擦层12，和第二电极层13。

振动摩擦层12包括第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122，第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置呈一体式。

第一高分子聚合物绝缘层121所用材料是天然橡胶薄膜（江苏旭龙电气），厚度为130μm。在第一高分子聚合物绝缘层121朝向第二高分子聚合物绝缘层122的表面上设置有微框123阵列和微纳结构125。微框123阵列由多个方框形微框构成，每个微框123边长为0.5cm，高度为100μm，从而第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124。微纳结构125设置在第一高分子聚合物绝缘层121面上的空腔区域内，其凸起高度为50μm。

第二高分子聚合物绝缘层122所用材料是苯乙烯丙烯共聚物薄膜，厚度为50μm。第一电极层11和第二电极层13所用材料是铝箔，厚度为50μm。

将本实施例传感器平行固定在培养皿上，在1kHz，40dB声源条件下进行测试。经过滤波处理，本实施例输出电压为0.7mV，本实施例振动传感器具有优异的低频检测效果。

本实施例振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

实施例6

一体式摩擦发电机尺寸为30cm×12cm，总厚度大约是300μm。如图1所示，该振动摩擦发电机1包括层叠设置的第一电极层11，振动摩擦层12，和第二电极层13。

振动摩擦层12包括第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122，第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置呈一体式。

第一高分子聚合物绝缘层121所用材料是聚甲醛薄膜（苏州多特玛绝缘材料有限公司），厚度为130μm。在第一高分子聚合物绝缘层121朝向第二高分子聚合物绝缘层122的表面上设置有微框123阵列和微纳结构125。微框123阵列由多个方框形微框构成，每个微框123边长为0.5cm，高度为100μm，从而第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124。微纳结构125设置在第一高分子聚合物绝缘层121面上的空腔区域内，其凸起高度为50μm。

第二高分子聚合物绝缘层122所用材料是聚酰胺薄膜，厚度为50μm。第一电极层11和第二电极层13所用材料是铝箔，厚度为50μm。

将本实施例传感器平行固定在培养皿上，在1kHz，40dB声源条件下进行测试。经过滤波处理，本实施例输出电压为0.6mV，本实施例振动传感器具有优异的低频检测效果。

本实施例振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

由本发明实施例可以看出，本发明一体式摩擦发电机主要应用于振动传感器。本发明振动传感器的频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在0Hz和55Hz之间。本发明振动传感器对于0Hz和5Hz之间的响应能力远强于聚偏氟乙烯传感器。对于心跳和呼吸振动而言，其频率主要集中在5Hz以下，由于本发明振动传感器具有更加优异的低频响应性能，因而其更适用于对心跳、呼吸振动等低频振动的检测。

Claims (10)

1.一种一体式摩擦发电机，其特征在于，该一体式摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层，振动摩擦层，和第二电极层；

其中，振动摩擦层包括第一高分子聚合物绝缘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第二高分子聚合物绝缘层进行一体设置呈一体式；

第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框形成的阵列，使得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形成多个空腔；

第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框的高度高于微纳结构凸起的高度。

2.根据权利要求1所述的一体式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层所用材料是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、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、纤维素海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、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、聚四氟乙烯、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，所述振动摩擦层进一步包括第三高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层进行一体设置呈一体式；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框形成的阵列，使得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形成多个空腔，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层之间形成多个空腔；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构；第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框的高度高于微纳结构凸起的高度。

4.根据权利要求3所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，所述第三高分子聚合物绝缘层所用材料是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、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、纤维素海绵薄膜、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、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、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、聚四氟乙烯、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。

5.根据权利要求1-4任一项所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，每个微框为方框形或中空的圆柱形。

6.根据权利要求1-5任一项所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，每个微框的高度比微纳结构的凸起高度高10μm-500μm。

7.根据权利要求5或6所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，每个微框的边长尺寸或直径尺寸为0.1cm-3cm，其高度为20μm-510μm。

8.根据权利要求7所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，所述微纳结构凸起高度为10μm-500μm。

9.根据权利要求1-8任一项所示的一体式摩擦发电机，其特征在于，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、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、锡、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。

10.一种权利要求1-9任一项一体式摩擦发电机在振动传感器中的应用。