CN105897035B - 可拉伸的摩擦式能量采集器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可拉伸的摩擦式能量采集器及其制作方法。主要包括：衬底层，以及设置在衬底层上面的导电层，所述衬底层用可拉伸的有机材料制作，所述导电层用导电材料制作，当所述衬底层与其他材料进行摩擦的时候，所述导电层捕获摩擦产生的感应电荷，将所述感应电荷作为能量存储或作为信号传感。本发明实施例通过使用可拉伸的有机材料制作衬底层，使得可拉伸的摩擦式能量采集器可以保形使用在一切规则或不规则的物体表面，极大地扩展了摩擦发电机的适用范围。本发明实施例的可拉伸的摩擦式能量采集器件可以是透明的，便于与其他模块进行集成。可以在不影响人体运动的同时，收集人体运动产生的能量并为可穿戴设备供电。

Description

可拉伸的摩擦式能量采集器及其制作方法

技术领域

本发明涉及摩擦发电技术领域，尤其涉及一种可拉伸的摩擦式能量采集器及其制作方法。

背景技术

随着电子皮肤和可穿戴设备的快速发展，为这些电子设备进行长期、稳定、方便和可靠的供能成为了巨大的挑战，传统的电池体积较大，续航能力也较差，不便于集成。2012年，摩擦发电机被制作出来并实现了高性能的输出，但目前的摩擦发电机大多是由柔性材料制作，不能很好地用在人体表面，不能很好地和其他可穿戴模块进行集成。

同样的，很多对人体健康监测的传感器有赖于外部供电才能进行工作，这极大的限制了设备使用的时间和环境。不可拉伸器件不能很好的贴附在皮肤表面，这也在一定程度上降低了监测的精度。

因此，开发一种高效率的可拉伸摩擦式能量采集器是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种可拉伸的摩擦式能量采集器及其制作方法，以提供一种高效率的、使用方便的摩擦式能量采集器。

本发明提供了如下方案：

一种可拉伸的摩擦式能量采集器，包括：衬底层，以及设置在衬底层上面的导电层，所述衬底层用可拉伸的有机材料制作，所述导电层用导电材料制作，当所述衬底层与其他材料进行摩擦的时候，所述导电层捕获摩擦产生的感应电荷，将所述感应电荷作为能量存储。

进一步地，所述有机材料包括具有拉伸性的透明或者不透明的有机聚合物材料。

进一步地，所述衬底层为平整的薄膜结构，在薄膜的表面通过微机电系统工艺制作微纳结构，通过微纳结构来增大摩擦输出。

进一步地，所述导电材料包括一维纳米导电材料和/或二维纳米导电材料的混合物。

进一步地，所述一维纳米导电材料包括金属纳米线、碳纳米管，所述二维纳米导电材料包括石墨烯、石墨片、PEDOT:PSS。

一种可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法，包括：

选取可拉伸的有机材料作为衬底层，对所述衬底层进行预拉伸；

在预拉伸的衬底层表面旋涂或滴涂导电材料的分散液，所述导电材料在所述预拉伸的衬底层表面形成导电层。

释放所述衬底层的预拉伸状态，得到可拉伸的摩擦式能量采集器。

进一步地，所述的选取可拉伸的有机材料作为衬底层，对所述衬底层进行预拉伸，包括：

清洗硅片或者玻璃片，将清洗后的硅片或者玻璃片作为衬底，在所述衬底上旋涂或滴涂所述液态有机材料，在所述混合液加热固化后，揭下所述衬底表面的薄膜，得到用可拉伸的有机材料制作的衬底层；

对所述衬底层进行单轴或双轴预拉伸，对预拉伸的衬底层进行固定。

进一步地，所述的方法还包括：

当所述预拉伸的衬底层的表面亲水性低于设定的范围时，在预拉伸的衬底层上旋涂或滴涂导电材料的分散液之前，使用紫外光灯照射所述预拉伸的衬底层的表面，或者将氧等离子体作用于所述预拉伸的衬底层的表面，增加所述预拉伸的衬底层的表面的亲水性。

进一步地，所述的在预拉伸的衬底层表面旋涂或滴涂导电材料的分散液，所述导电材料在所述预拉伸的衬底层表面形成导电层，包括：

将导电材料施加到水或酒精或有机分散剂中，得到导电材料的分散液，在预拉伸的衬底层表面旋涂或滴涂所述导电材料的分散液，旋涂或者滴涂次数根据导电性和透明性要求调整；

在旋涂或滴涂的所述导电材料的溶液干燥后，所述导电材料在所述预拉伸的衬底层表面形成导电层，然后，对所述预拉伸的衬底层进行退火处理。

进一步地，所述的释放所述衬底层的预拉伸状态，得到可拉伸的摩擦式能量采集器，包括：

释放所述预拉伸的衬底层的拉伸状态，使用光刻工艺或者胶带粘离所述衬底层表面的导电物质，对所述衬底层表面的导电层进行图形化；

利用所述衬底层表面的导电层，对所述衬底层进行电极引出和测试，得到可拉伸的摩擦式能量采集器。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过使用可拉伸的有机材料制作衬底层，使得可拉伸的摩擦式能量采集器可以保形使用在一切规则或不规则的物体表面，极大地扩展了摩擦发电机的适用范围。本发明实施例的可拉伸的摩擦式能量采集器件可以是透明的，便于与其他模块进行集成。可以在不影响人体运动的同时，收集人体运动产生的能量并为可穿戴设备供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种可拉伸的摩擦式能量采集器的三维结构示意图，其中，导电层1和可拉伸薄膜衬底2；

图2为本发明的本发明实施例的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法的工艺流程图；

图3为本发明实施例提供的可拉伸的摩擦式能量采集器在人体手指、手腕和颈椎处放置的示意图；

图4为本发明实施例提供的可拉伸微型能量采集器采集运动能量后输出的开路电压测试图；

图5为本发明实施例提供的可拉伸微型能量采集器放置在手指上面，在手指弯曲不同角度时输出的电压信号测试图，随时间手指弯曲角度增大。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种可拉伸的透明的摩擦式能量采集器及其制作方法，上述摩擦式能量采集器可以作为自驱动的传感器，对包括人体运动在内的一些外界信号进行传感和监测。

本发明实施例提供了一种可拉伸的摩擦式能量采集器的三维结构示意图如图1所示，包含用可拉伸的有机材料制作的衬底层2，衬底层2上面有基于导电材料制作的导电层1，当衬底层2与其他材料进行摩擦的时候，可以通过导电层1来捕获产生的感应电荷，将感应电荷作为能量存储，并提供给其他模块或者作为传感信号。

衬底材料为具有拉伸性的有机聚合物材料，可以透明或者不透明，可以亲水或者不亲水，比较常见的例如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。衬底层为平整的薄膜结构，薄膜表面可以通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺或其它工艺制作微纳结构，通过微纳结构来增大摩擦输出。

衬底层上面的导电层由各种导电材料组成，可以是一维纳米导电材料和/或二维纳米导电材料的混合物。一维纳米导电材料可以包括金属纳米线、碳纳米管等，二维纳米导电材料可以包括石墨烯、PEDOT:PSS等。一维导电材料可以增强导电性和拉伸性。

本发明实施例的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法主要包含如下步骤：

步骤1：对可拉伸的有机聚合物薄膜进行预拉伸，该预拉伸可以是单轴或者双轴或者其他拉伸。

步骤2：如果有机聚合物薄膜的表面亲水性不够良好，需先进行亲水处理，可以使用紫外光灯照射有机聚合物薄膜的表面，或者通过使用电感耦合等离子体(ICP)产生氧等离子体，将氧等离子体作用于有机聚合物薄膜的表面，使得有机聚合物薄膜的表面亲水。

步骤3：将导电材料施加到水或酒精或其他水性分散液或者其他混合液等液体中，得到导电材料的分散液。

在保持拉伸状态的有机聚合物薄膜的亲水表面多次旋涂或滴涂导电材料的分散液，导电材料的分散液干燥后，剩下的导电材料将在有机聚合物薄膜的表面形成导电层。

步骤4：对器件进行退火处理。

步骤5：释放有机聚合物薄膜的拉伸状态。

步骤6：将有机聚合物薄膜的电极分割成需要的大小并完成引出。

将可拉伸摩擦式能量采集器固定于手指表面，当手指弯曲或运动时会与衬底材料接触分离发生摩擦过程，产生的电信号受到运动速度和幅度的影响，所以通过收集到的电信号可以分析手指运动的幅度和速度，实现自驱动传感。

将可拉伸摩擦式能量采集器固定于脖子后部表面，当颈椎弯曲或运动时会与衬底材料接触和分离发生摩擦过程，产生的电信号受到运动速度和幅度的影响，所以通过导电层收集到的电信号可以分析颈椎的运动并对人们进行健康提醒，避免长时间久坐或过度弯曲对颈椎造成损伤。

将可拉伸摩擦式能量采集器固定于身体其他关节可以起到如上所述的类似健康监测效果。

将可拉伸摩擦式能量采集器固定于人体或衣物表面可以收集因运动等产生的摩擦能量。

导电层的电阻特性会随着拉伸程度的变化而变化，因而可以根据电阻特性的变化对器件的形状进行静态检测，作为上述主动式动态传感的补充。静态检测所需能量可以由外部电路提供或器件自身通过摩擦收集存储。

因为采集器可拉伸，还可以保形覆盖在包括门把手、扶栏等在内的一切规则或不规则物体表面，来采集摩擦能量或作为自驱动传感器。

实施例二

本发明实施例的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法的工艺流程图如图2所示，具体加工步骤如下：

步骤1)清洗硅片或者玻璃片，将清洗后的硅片或者玻璃片作为衬底；

步骤2)在衬底上旋涂PDMS混合液、加热固化后揭下得到衬底层的薄膜；

步骤3)将衬底层的薄膜进行单轴或双轴拉伸并固定；

步骤4)对衬底层的薄膜进行亲水处理，可以使用电感耦合等离子体产生氧等离子体对衬底层的薄膜表面进行处理；

步骤5)在亲水处理完毕后的衬底层的薄膜表面旋涂银纳米线的酒精分散液，浓度优选为2mg/ml,银纳米线直径优选为30nm，旋涂次数可根据导电性和透明性要求调整；

步骤6)旋涂完毕后，在薄膜表面形成导电层。然后，对薄膜进行退火处理，温度优选为150摄氏度，时间优选为20分钟；

步骤7)释放薄膜的拉伸状态，薄膜恢复没有拉伸的状态；

步骤8)使用光刻工艺或者特殊胶带粘离衬底层的薄膜表面的导电物质，对薄膜表面的导电层进行图形化；

步骤9)利用衬底层的薄膜表面的导电层，对薄膜进行电极引出和测试；

如图3所示，本发明实施例提供的可拉伸的摩擦式能量采集器可以放置在人体手指、手腕和颈椎处，将单轴或者双轴拉伸加工的器件固定在手指表面，手指弯曲程度不同，将造成摩擦转移电荷量的不同，根据产生的开路电压大小可以实现对手指运动幅度的传感，而且不需要外界供能，图4为本发明实施例提供的可拉伸微型能量采集器采集运动能量后输出的开路电压测试图。将可拉伸微型能量采集器放置在手指上面，在手指弯曲不同角度时输出的电压信号测试图如图5所示。

综上所述，本发明实施例通过使用可拉伸的有机材料制作衬底层，使得可拉伸的摩擦式能量采集器可以保形使用在一切规则或不规则的物体表面，极大地扩展了摩擦发电机的适用范围。

本发明实施例的可拉伸的摩擦式能量采集器件可以是透明的，便于与其他模块进行集成。

可拉伸的摩擦式能量采集器可以在不影响人体运动的同时，收集人体运动产生的能量并为可穿戴设备供电；可以在不需要外界供能的情况下，传感多种人体运动及静态信号，对人体健康进行检测和提醒。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可拉伸的摩擦式能量采集器，其特征在于，包括：衬底层，以及设置在衬底层上面的导电层，所述衬底层用可拉伸的有机材料制作，所述有机材料包括具有拉伸性的透明或者不透明的有机聚合物材料，所述导电层用导电材料制作，当所述衬底层与其他材料进行摩擦的时候，所述导电层捕获摩擦产生的感应电荷，将所述感应电荷作为能量存储。

2.根据权利要求1所述的可拉伸的摩擦式能量采集器，其特征在于，所述衬底层为平整的薄膜结构，在薄膜的表面通过微机电系统工艺制作微纳结构，通过微纳结构来增大摩擦输出。

3.根据权利要求1或2所述的可拉伸的摩擦式能量采集器，其特征在于，所述导电材料包括一维纳米导电材料和/或二维纳米导电材料的混合物。

4.根据权利要求3所述的可拉伸的摩擦式能量采集器，其特征在于，所述一维纳米导电材料包括金属纳米线、碳纳米管，所述二维纳米导电材料包括石墨烯、石墨片、PEDOT:PSS。

5.一种可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法，其特征在于，包括：

选取可拉伸的透明或者不透明的有机材料作为衬底层；

根据导电层导电材料的不同对所述衬底层进行预拉伸或不进行预拉伸；

使用一维纳米导电材料或含有一维纳米导电材料的其他导电材料的衬底不进行预拉伸，使用不含一维纳米导电材料的材料的衬底进行预拉伸；

对不亲水的衬底层进行氧等离子体刻蚀处理；

在衬底层表面旋涂或滴涂导电材料的分散液，所述导电材料在所述衬底层表面形成导电层；

对于处于预拉伸的衬底层释放所述衬底层的预拉伸状态，得到可拉伸的摩擦式能量采集器；

对于未处于预拉伸状态的衬底层，直接得到可拉伸的摩擦式能量采集器。

6.根据权利要求5所述的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法，其特征在于，所述的选取可拉伸的透明或者不透明的有机材料作为衬底层，根据导电层导电材料的不同对所述衬底层进行预拉伸或不进行预拉伸，包括：

清洗硅片或者玻璃片，将清洗后的硅片或者玻璃片作为衬底，在所述衬底上旋涂或滴涂液态有机材料，在所述有机材料加热固化后，揭下所述衬底表面的薄膜，得到用可拉伸的有机材料制作的衬底层；

在使用不含一维纳米导电材料的情况下，对所述衬底层进行单轴或双轴预拉伸，对预拉伸的衬底层进行固定。

7.根据权利要求6所述的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法，其特征在于，所述的方法还包括：

当所述衬底层的表面亲水性低于设定的范围时，对所述衬底层进行预处理，所述预处理是指在所述衬底层上旋涂或滴涂导电材料的分散液之前，使用紫外光灯照射所述衬底层的表面，或者将氧等离子体作用于所述衬底层的表面，增加所述衬底层的表面的亲水性。

8.根据权利要求5或6或7所述的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法，其特征在于，所述的在衬底层表面旋涂或滴涂导电材料的分散液，所述导电材料在所述衬底层表面形成导电层，包括：

将导电材料施加到水或酒精或有机分散剂中，得到导电材料的分散液，在衬底层表面旋涂或滴涂所述导电材料的分散液，旋涂或者滴涂次数根据导电性和透明性要求调整；

在旋涂或滴涂的所述导电材料的溶液干燥后，所述导电材料在所述衬底层表面形成导电层，所述导电层形成导电网络结构进行导电，并在衬底层发生形变时用于重建导电网络。

9.根据权利要求8所述的可拉伸的摩擦式能量采集器的制作方法，其特征在于，所述的对于处于预拉伸的衬底层释放所述衬底层的预拉伸状态，得到可拉伸的摩擦式能量采集器，包括：

释放所述预拉伸的衬底层的拉伸状态，使用光刻工艺或者胶带粘离所述衬底层表面的导电物质，对所述衬底层表面的导电层进行图形化；

利用所述衬底层表面的导电层，对所述衬底层进行电极引出和测试，得到可拉伸的摩擦式能量采集器。