CN105978394A - 柔性自发电式加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性自发电式加速度传感器，包括：一个质量块和由多种材料结合形成的功能薄膜。可以加入衬底结构起到保护作用。所述功能薄膜固定于所述质量块，所述功能薄膜包括依次层叠设置的第一电极层、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极层；所述第二摩擦层通过表面微处理方法加工出微金字塔结构。构成功能薄膜的材料具有一定的黏附性，能保证组件的可靠连接。本发明的一种柔性自发电式加速度传感器，将摩擦发电技术和MEMS技术进行结合，在一定的加速度环境下，利用第一，第二摩擦层之间的相互摩擦产生电荷，从而得到与加速度相关的电压，具有可自发电自供给、可弯折、成本低、制作工艺简单、具有良好的抗摔性和防水性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种基于摩擦发电原理的柔性自发电式加速度传感器。
背景技术
微机电系统是一门融合了微电子材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域的综合性学科，涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。
广义的微机电系统涵盖微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信，属于跨领域、多学科的复杂信息技术，并被广泛应用到国防，航空航天等各行各业。
常见的MEMS产品有如下几类：加速度计、麦克风、微马达、微泵、微振子、光学传感器、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器、气体传感器等。市面上的加速度计广泛测量运载体线加速度的仪表，按照工作原理通常分为如下几类：重锤式、液浮摆式、挠式、振弦式、微机械式(MEMS)和摆式积分陀螺式加速度计。而MEMS加速度计又可划分为压电式、压阻式、电容式、静电力平衡式和石英振梁式。
随着材料科学和信息技术的不断进步，便携式设备得到了前所未有的发展处于对其柔韧性，抗摔等特定性能的要求，柔性电子学迎来了春天。传统工艺制造的MEMS加速度计是基于硬性材料上，对于柔性材料的贴合与测量存在一定问题。为了满足这种需要，可贴附、可穿戴、便携式、可折叠的柔性加速度计的设计与制作成为了研究热点。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。
随着环境逐渐恶化以及资源不断枯竭，人们对节约能源和保护环境的关注越来越多。海水的潮起潮落、风的此起彼伏等等，地球上能量无处不在，但对于能量的合理收集以及应用却少之又少。目前尚缺乏一种可以充当机械能转化为电能的媒介，来实现能量采集功能的加速度传感器。
日常生活中常出现摩擦起电效应，毛皮与橡胶棒、丝绸与玻璃棒、头发与尺子之间的相互接触摩擦能产生成百上千的静电，有时候人接触后会有触电般的感觉，甚至在电子元器件中也需要专门ESD protection(Electro staticdischarge protection:静电防护)。这反映了大众对摩擦起电现象的忽视甚至排斥，但是如何利用合理的技术手段来综合处理应用这些广为诟病的静电效应，做到收集毫不起眼的静电能，同时也实现变废为宝实现目标要求是新时期加速度传感器研究的新方向。
但现有的MEMS加速度传感器，譬如电容式和压阻式等，都是基于硅等材料，并未用到柔性材料，同时也无法做到自供给。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种柔性自发电式加速度传感器，具有可自发电自供给、可弯折、成本低、制作工艺简单、具有良好的抗摔性和防水性的优点。
为了实现上述目的，本发明提供一种柔性自发电式加速度传感器，包括：
一质量块和至少一功能薄膜，所述功能薄膜包括层叠设置并连接的一第一电极层、一第一摩擦层、一第二摩擦层和一第二电极层；所述第一电极层固定于所述质量块，所述第二摩擦层邻近所述第一摩擦层的一第一相邻面或所述第一摩擦层邻近所述第二摩擦层的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构，所述锥体阵列结构包括均匀分布的多个锥体，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层通过所述锥体阵列结构粘接。
优选地，所述锥体为棱锥体。
优选地，所述第一摩擦层、所述第二摩擦层采用绝缘柔性的高分子聚合物材料。
优选地，所述高分子聚合物材料是透明的。
优选地，所述第一电极层和所述第二电极层采用透明导电薄膜。
优选地，所述透明导电薄膜采用铟锡氧化物薄膜、FTO薄膜或AZO薄膜。
优选地，还包括至少一绝缘衬底，所述绝缘衬底固定于所述功能薄膜远离所述质量块的一面。
优选地，所述质量块呈立方体。
优选地，包括两个功能薄膜，两所述功能薄膜对置固定于所述质量块的两表面；或包括六个功能薄膜，所述质量块的每个表面固定有一所述功能薄膜。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
质量块为柔性自发电式加速度传感器提供主要质量，在加速度运动时作为功能薄膜提供外部压力，启动柔性自发电式加速度传感器。柔性自发电式加速度传感器在进行加速度运动时，第一摩擦层、第二摩擦层及其表面的锥体阵列结构相互摩擦，利用静电感应原理，一种材料将由于摩擦后更易失去电子而带上正电荷，另一种材料将更易得到电子而带上负电荷，通过两个电极材料可以得到一个随加速度变化的电势差。所述第一电极层或所述第二电极层接地用于防止信号干扰。由于采用绝缘柔性的高分子聚合物材料，使得柔性自发电式加速度传感器可贴附、可弯折，并具有良好的抗摔性和防水性。绝缘衬底可作为柔性自发电式加速度传感器的底座，起到固定放置的作用。
附图说明
图1为本发明实施例之一的单轴柔性自发电式加速度传感器结构示意图；
图2为本发明实施例之二的单轴柔性自发电式加速度传感器结构示意图；
图3为本发明实施例之三的一种差分式柔性自发电式加速度传感器结构示意图；
图4为本发明实施例之四的一种三轴柔性自发电式加速度传感器分解结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图1-4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例一的一种柔性自发电式加速度传感器，利用摩擦发电原理，能将将机械能转变为电能，降低电子系统的功耗，其包括：一质量块1和一功能薄膜2，功能薄膜2固定于质量块1，功能薄膜2包括依次层叠设置并连接的一第一电极层21，第一电极层21固定于质量块1；一第一摩擦层22，第一摩擦层22与第一电极层21紧密贴合粘接；一第二摩擦层23，第二摩擦层23邻近第一摩擦层22的一第一相邻面或第一摩擦层22邻近第二摩擦层23的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构231，其中，优选在第一相邻面上形成锥体阵列结构231，锥体阵列结构231包括均匀分布的多个锥体，本实施例中，锥体为棱锥体，在其他实施例中，锥体可也为圆锥体。第一摩擦层22和第二摩擦层23通过锥体阵列结构231粘接；第二电极层24与第二摩擦层23紧密贴合粘接；第三摩擦层25与第二电极层24连接紧固，形成单轴式加速度计。本实施例中，质量块1呈立方体，在其他实施例中，质量块1可根据需要设置为任一形状。
质量块1为柔性自发电式加速度传感器提供主要质量，在加速度运动时作为功能薄膜2提供外部压力，启动柔性自发电式加速度传感器。柔性自发电式加速度传感器在进行加速度运动时，第一摩擦层22、第二摩擦层23和锥体阵列结构231的相互配合，利用静电感应原理，摩擦发电，利用传感器中第一摩擦层22和第二摩擦层23表面的锥体阵列结构231之间的相互摩擦，产生于加速度相关的电压，并根据输出电压的大小与方向来确定传感器收到的加速度。第一摩擦层22与第二摩擦层23的锥体阵列结构231的接触面积会随着质量块所受加速度的变化而变化，初始状态下锥体阵列结构231与第一摩擦层22是相互接触的。第三摩擦层25起到保护第二电极层24的作用。
本实施例中，锥体阵列结构231的锥体尺寸在微米级至亚微米级，其锥体底边长度约为10um，锥体的高度在纳米尺度空间。
其中，第二摩擦层23与第二电极层24之间依靠分子间的作用力紧密贴合粘接。质量块1与第一电极层21固定，质量块1与第一电极层21之间可通过胶带等固定，防止发送侧移。第二摩擦层23与第一摩擦层22之间不做任何处理，直接贴合，两者依靠材料本身的粘性保持贴合度。
在使用时第一电极层21和第二电极层24通过引线引出连接外部设备。第一电极层21或第二电极层24可任选一个接地，用于防止信号干扰。
本实施例中，第一摩擦层22和第二摩擦层23采用绝缘柔性的高分子聚合物材料，并且拥有较好的摩擦得失电子能力，且两者的差异明显。
由于采用绝缘柔性的高分子聚合物材料，使得柔性自发电式加速度传感器可贴附、可弯折、成本低，并具有良好的抗摔性和防水性。
具体地，如对柔性自发电式加速度传感器的透明性要求不高，可采用如下所示的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯丙烯共聚物、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚酯纤维(Polyester)、聚乙烯(PE)、聚乙烯(Polyethylene)、尼龙(Polymide)、含氟聚合物(Fluoropolymer)、聚氯乙烯(Polyvlnyl Chloride)等。由于聚合物种类的繁多复杂，无法一一列举。
高分子聚合物材料可根据需要采用透明或不透明的。如要求高分子聚合物材料透明，可采用高分子聚合物材料：聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，聚酰亚胺(PI/Kapton)。
对于锥体阵列结构231及锥体阵列结构231所在的第二摩擦层23材质优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，PDMS材料具备优异的化学稳定性，回缩性和透明度，以及制作工艺简单，成本低廉等优点。
第一电极层21和第二电极层24优选地采用透明导电薄膜。透明导电薄膜可采用铟锡氧化物薄膜(ITO)、FTO薄膜或AZO薄膜。如果对电极透明性没有过多要求，可以选择金、银、铜和铝等金属材料。
本发明的功能薄膜2采用透明的材质，具备能够应用到便携式显示设备中的能力，例如pad、kindle；还可充当机械能转化为电能的媒介，来实现能量采集功能。
本发明的柔性自发电式加速度传感器工作原理如下：
由于粘合在第一摩擦层22上的第一电极层21与质量块1紧密结合固定，当与第一电极层21紧密贴合的质量块1拥有一定加速度时，第一摩擦层22在该质量块1的挤压影响下与第二摩擦层23发生垂直接触面方向的纵向挤压，使得第二摩擦层23的锥体阵列结构231发生形变，此时，第一摩擦层22和第二摩擦层23表面的锥体阵列结构231之间的接触面积会发生变化，由于两摩擦层得失电子的能力不同，相互摩擦会使得更易得电子的摩擦层带上负电荷，更易失电子的摩擦层带上正电荷。与两摩擦层连接的第一电极层21和第二电极层24会感应出对应的正负电荷，从而产生正比于加速度的电压。当质量块1处于静止时，第一摩擦层22与第二摩擦层23的锥体阵列结构231回复初始位置，两者表面存在残余电荷。当质量块1拥有一定加速度时，第一摩擦层22和第二摩擦层23的锥体阵列结构231摩擦后得失电子能力的差异，使得第一电极层21和第二电极层24获得相应的电压，该电压以静止时的残余电荷作为基准，正负大小表明加速度的方向。
进行加速度测量时，可将加速度传感器放在振动台上振动，得到的输出电压与振动台施加的加速度成一定比例关系。
本发明中起关键作用的是锥体阵列结构231，锥体阵列结构231与第一摩擦层22相互摩擦挤压，是电荷产生的主要来源。本实施例中，通过对第二摩擦层23表面进行表面微纳机械加工处理，得到合适的锥体阵列结构231，使得锥体阵列结构231的形变与质量块1的受到的加速度有相关性。
本发明的柔性自发电式加速度传感器利用柔性材料之间得失电子能力的差异，当测量加速度时，柔性材料会相互摩擦，自身会产生电压以实现自供给。本发明的柔性自发电式加速度传感器带来了如下有益效益：降低了制作周期和生产成本，结构简单，可弯折、可贴附并且可自供给，对整个加速度传感器的研发生产产生了积极影响；并具有高灵敏度、抗摔、防水等优点，能广泛应用到透明触摸设备、电子皮肤、人际互动、压力触控设备、医疗设备、柔性显示设备中。
请参阅图2，本发明实施例二的一种单轴柔性自发电式加速度传感器，其结构与本发明实施例一基本相同，其区别在于：还包括一个绝缘衬底3，绝缘衬底3固定于功能薄膜2远离质量块1的一面。绝缘衬底3可作为柔性自发电式加速度传感器的底座，起到固定放置的作用。
在其他实施例中，质量块1与绝缘衬底3的位置可以相互交换，结构上下颠倒制造，不会影响柔性自发电式加速度传感器的输出性能。
请参阅图3，本发明实施例三的一种差分式柔性自发电式加速度传感器，其结构与本发明实施例二基本相同，其区别在于：包括两个功能薄膜2，两功能薄膜2对置固定于质量块1的两表面，形成差分式加速度计。
当质量块1拥有功能薄膜2所在轴向的加速度时，与质量块1贴合的第一摩擦层22或第二摩擦层23对锥体阵列结构231的锥体锥尖有相互摩擦，从而产生电压。
请参阅图4，本发明实施例四的一种柔性自发电式加速度传感器，其结构与本发明实施例二基本相同，其区别在于：包括六个功能薄膜2，质量块1的每个表面固定有一功能薄膜2，形成三轴环绕式加速度计。
当质量块1拥有三轴任意方向加速度时，与质量块1贴合的第一摩擦层22对锥体阵列结构231的锥体锥尖有相互摩擦，从而产生正比于加速度的电压。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
Claims (9)
1.一种柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，包括：
一质量块和至少一功能薄膜，所述功能薄膜包括层叠设置并连接的一第一电极层、一第一摩擦层、一第二摩擦层和一第二电极层；所述第一电极层固定于所述质量块，所述第二摩擦层邻近所述第一摩擦层的一第一相邻面或所述第一摩擦层邻近所述第二摩擦层的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构，所述锥体阵列结构包括均匀分布的多个锥体，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层通过所述锥体阵列结构粘接。
2.根据权利要求1所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述锥体为棱锥体。
3.根据权利要求1所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦层、所述第二摩擦层采用绝缘柔性的高分子聚合物材料。
4.根据权利要求3所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述高分子聚合物材料是透明的。
5.根据权利要求1所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层采用透明导电薄膜。
6.根据权利要求5所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述透明导电薄膜采用铟锡氧化物薄膜、FTO薄膜或AZO薄膜。
7.根据权利要求1-6所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，
还包括至少一绝缘衬底，所述绝缘衬底固定于所述功能薄膜远离所述质量块的一面。
8.根据权利要求7所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述质量块呈立方体。
9.根据权利要求1-8所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，包括两个功能薄膜，两所述功能薄膜对置固定于所述质量块的两表面；或包括六个功能薄膜，所述质量块的每个表面固定有一所述功能薄膜。
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