CN106610324B - 基于摩擦电的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感领域，公开了一种基于摩擦电的压力传感器。其中，该压力传感器包括：发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。通过本发明上述的压力传感器，无需外加电源就可以对压力进行检测，实现压力传感器的自驱动。

Description

基于摩擦电的压力传感器

技术领域

本发明涉及传感领域，具体地，涉及一种基于摩擦电的压力传感器。

背景技术

信息技术是现代社会发展的主要驱动力，而信息的收集和交换主要依赖于各种具有不同功能的传感器。将单独的传感器件集成来创建大尺度的传感器网络和系统对于物联网的实现是至关重要的。这些数量巨大且遍布世界各个角落的微型传感器件的驱动主要依赖于电池，然而电池面临着使用寿命、回收再利用、环境污染等诸多问题。另外，传感器节点经常是植入型的，需要无线操作，所以能够独立地、可持续地、免维护地工作是非常重要的。因此，这些传感器节点的供电不能再简单地由电池来提供，因为传感器网络中传感器数量巨大且位置很难追踪，由此将导致替换个别传感器的电池是非常繁琐甚至是不可能完成的任务，并且大量的废弃电池将对人类健康造成很大的伤害。因此，发展微纳尺度的能源技术从周围环境中自行收集能量，并以此实现传感器的自驱动是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摩擦电的压力传感器，以解决上述现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于摩擦电的压力传感器，其中，该压力传感器包括：发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。

通过上述技术方案，在需要检测压力的位置设置本发明上述的压力传感器，该压力传感器中的发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号，该压力传感器中的外部电路与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。由此，无需外加电源就可以对压力进行检测，实现压力传感器的自驱动。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的方框图；

图2是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的横截面示意图；

图3是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的开路电压峰值与压力的关系曲线图；

图4是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的开路电压峰值与形变深度的关系曲线图；以及

图5是根据本发明一种实施方式的凸起阵列结构层的制造方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的方框图。

如图1所示，本发明一种实施方式提供的基于摩擦电的压力传感器包括：发电机10，该发电机10在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路20，与所述发电机10连接，用于检测所述发电机10输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。

通过在需要检测压力的位置设置本发明上述的压力传感器，该压力传感器中的发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号，该压力传感器中的外部电路与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。由此，无需外加电源就可以对压力进行检测，实现压力传感器的自驱动。

图2是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的横截面示意图。

如图2所示，所述发电机10包括第一支撑层1、第二支撑层2、第一摩擦层4、第一电极层5和凸起阵列结构层3，其中，所述第一电极层5设置在所述第一摩擦层4和所述第一支撑层1之间；所述凸起阵列结构层3设置在所述第二支撑层2上，所述凸起阵列结构层3的凸起部与所述第一摩擦层4接触；其中，在没有压力作用时所述凸起阵列结构层3的凸起部保持原始状态；在存在压力作用时所述凸起阵列结构层3的凸起部发生形变且与所述第一摩擦层的接触面积发生变化，并通过所述第一电极层4和所述凸起阵列结构层3输出所述电信号。

其中，所述第一电极层4和所述凸起阵列结构层3与所述外部电路20连接。

在该实施方式中，凸起阵列结构层3既充当了摩擦层也充当了电极层。其中，第一摩擦层4与凸起阵列结构层3之间的接触面积取决于所施加的压力，所施加的压力越大，二者之间的接触面积越大，反之则越小。

其中，在没有外部压力施加的情况下，凸起阵列结构层3的凸起部保持原始状态，此时不存在电荷的转移，也没有电势差；而在施加外部压力的情况下，凸起阵列结构层3的凸起部发生形变，凸起部与第一摩擦层4之间的接触面积相比于凸起部处于原始状态增大，此时，凸起阵列结构层3的表面产生正电荷，而第一摩擦层4的表面产生负电荷，但整个体系仍处于静电平衡状态。在所施加的压力得以释放后，凸起部将自行恢复至原始状态，与第一摩擦层4之间的接触面积逐渐变小。也就是，在施加压力到释放压力的过程中，凸起部与第一摩擦层4之间的接触面积从小变到大又从大变到小，通过二者的接触分离过程产生了周期性的电信号。

在本发明的所有实施例中，凸起阵列结构层3的凸起部与所述第一摩擦层4互相接触的表面的材料具有不同的得失电子能力。可以均为绝缘体或者一者为绝缘体，另一者为导体。

由于本发明提供的压力传感器的第一摩擦层4与凸起阵列结构层3之间仅仅是在不同压力作用下二者的接触面积会有所不同，二者之间不会出现间隔，所以这种无间隔的接触能够实现压力传感器的全封装，为微纳电子器件的集成节省了较大的空间。并且，全封装后的压力传感器更适于在灰尘、潮湿等恶劣环境中工作。

根据本发明一种实施方式，所述凸起阵列结构层3可以包括第二电极层和第二摩擦层，所述第二电极层为平坦结构，而所述第二摩擦层为凸起阵列结构，且所述第二电极层位于所述第二摩擦层和所述第二支撑层2之间，即所述第二摩擦层与所述第一摩擦层4接触。

在这种情况下，通过第一电极层5和第二电极层输出电信号至外部电路20。

其中，所述第一电极层5和所述第二电极层可以均为任意导电材料，例如金属材料、ITO、有机物导体等。例如，所述金属材料可以为以下中的一者：铜、铝和金，优选为铜。所述第一摩擦层4和所述第二摩擦层可以均为高分子材料。可替换地，第一摩擦层4也可以为导电材料(金属材料、ITO或有机物导体)，例如使用第一电极层5的材料作为第一摩擦层4的材料(即，采用与第一电极层5相同的导电材料)，而第二摩擦层为高分子材料。

对于所述第一摩擦层4和所述第二摩擦层均为高分子材料的情况，所述第一摩擦层4可以为任意的柔性高分子材料，也可以为任意的硬性高分子材料；而第二摩擦层可以为柔性高分子材料。例如，第一摩擦层4的材料可以选用电负性较好的材料，以提高表面电荷密度，如含氟类材料：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)，优选采用聚四氟乙烯。第二摩擦层可以选用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、聚异戊二烯橡胶或聚丁二烯橡胶等等，优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。对于第二摩擦层，除了上述列举的材料，还可以使用其他的材料，只要能够保证第二摩擦层的柔性和弹性(即在外力的作用下能够产生变形并在压力释放后能够自行恢复)即可。

对于具有凸起阵列结构的第二摩擦层和具有平坦结构的第二电极层，首先以柔性高分子材料制备具有凸起阵列结构的第二摩擦层，其后在该第二摩擦层不具有凸起阵列结构的表面(即平坦的表面)上覆盖第二电极层(金属薄膜层)。

根据本发明另一种实施方式，所述凸起阵列结构层3包括基体层和第二摩擦层，所述基体层和所述第二摩擦层均为凸起阵列结构，且所述基体层位于所述第二摩擦层和所述第二支撑层2之间。

在这种情况下，通过第一电极层5和第二摩擦层输出电信号至外部电路20。

其中，所述第一电极层5和所述第二摩擦层可以为任意导电材料，例如金属材料、ITO、有机物导体等等。例如，所述金属材料可以为以下中的一者：铜、铝和金，所述第一电极层5优选为铝，而所述第二摩擦层优选为铜。所述第一摩擦层4和所述基体层可以均为高分子材料。

一般情况下，所述第一摩擦层4可以为任意的柔性高分子材料，也可以为任意的硬性高分子材料；而基体层可以为柔性高分子材料。例如，第一摩擦层4的材料可以选用电负性较好的材料，以提高表面电荷密度，如含氟类材料：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)，优选采用聚四氟乙烯。基体层可以选用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、聚异戊二烯橡胶或聚丁二烯橡胶等等，优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。对于基体层，除了上述列举的材料，还可以使用其他的材料，只要能够保证基体层的柔性和弹性(即在外力的作用下能够产生变形并在压力释放后能够自行恢复)即可。上述示例仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

对于具有凸起阵列结构的基体层和第二摩擦层，首先以柔性高分子材料制备具有凸起阵列结构的基体层，其后在该基体层具有凸起阵列结构的表面上覆盖第二摩擦层(例如，在基体层的表面镀上金属材料以形成具有与所述基体层一样的凸起阵列结构的第二摩擦层/金属薄膜层)。即，在具有凸起阵列结构的柔性高分子材料层的表面镀有金属薄膜层。

其中，第一支撑层1和第二支撑层2的作用是支撑第一摩擦层4、第一电极层5和凸起阵列结构层3，在第一摩擦层4、第一电极层5和凸起阵列结构层3的强度较大的情况下，可以省去第一支撑层1和/或第二支撑层2。

根据本发明一种实施方式，所述第一支撑层1和所述第二支撑层2为亚克力板。

根据本发明一种实施方式，所述凸起阵列结构层3为半球阵列凸起结构层、波浪形凸起结构层、锥形阵列凸起结构层或方形阵列凸起结构层。

例如，以半球阵列凸起结构层为例：在没有外部压力施加的情况下，凸起阵列结构层3的凸起部(半球部)与第一摩擦层4之间为点面接触的方式，凸起部保持原始状态，此时不存在电荷的转移，也没有电势差；而在施加外部压力的情况下，凸起阵列结构层3的凸起部发生形变，凸起部与第一摩擦层4之间的接触方式由点面接触变为二维的平面接触(面面接触方式，二者之间的接触面积取决于所施加的压力的大小)，此时，凸起阵列结构层3的表面产生正电荷，而第一摩擦层4的表面产生负电荷，但整个体系仍处于静电平衡状态(因此此时的偶极矩可以忽略)。其中，所施加的压力越大，二者之间的接触面积越大，反之则越小。在所施加的压力得以释放后，凸起部将自行恢复至原始状态，与第一摩擦层4之间的接触也将重新变为点面接触方式。在压力释放过程中，在静电效应作用下强的偶极矩产生，导致了上电极和下电极(例如，第一电极5和凸起阵列结构层3)之间的电势差。因为凸起阵列结构层3比上面的第一电极5具有更高的电势，电子开始通过外部电路20从上电极向下电极流动去中和下电极的正摩擦电荷，这样就产生了电信号。

其中，施加不同幅度的压力可以产生不同幅度的电信号，且不同幅度的压力可以产生不同幅度的形变深度，相应地，不同幅度的形变深度可以对应不同幅度的电信号。所产生的电信号(例如开路电压峰值)与施加压力的关系以及与形变深度的关系分别如图3和图4所示(图3是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的开路电压峰值与压力的关系曲线图，图4是根据本发明一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的开路电压峰值与形变深度的关系曲线图)。从图中可以看出，随着施加压力的增大，输出电压的峰值逐渐增大；形变深度的增加也导致电压峰值的增大。由此本发明提供的基于摩擦电的压力传感器可以通过输出的电信号来判断所受压力的大小以及受压下的形变深度(形变的大小)，从而在触摸屏不同压力实现不同功能方面具有广阔的应用前景。

本领域技术人员应当理解，上述关于所述凸起阵列结构层3的形状的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。只要该凸起阵列结构层3的凸起部具有弹性和柔性，能保证自恢复即可。

根据本发明一种实施方式，所述第一支撑层1和所述第二支撑层2的厚度为1mm；所述第一摩擦层4的厚度为150μm；所述第一电极层5的厚度范围为50nm-1mm，优选为0.1mm。

根据本发明一种实施方式，所述发电机10的长度和宽度分别为2cm，所述发电机10的厚度可以为2.5mm。

图5是根据本发明一种实施方式的凸起阵列结构层的制造方法的示意图。

在图5中，以凸起阵列结构层3为半球阵列凸起结构层、且所述凸起阵列结构层3包括均为凸起阵列结构的所述基体层和所述第二摩擦层为例：

S500，将聚苯乙烯(PS)球涂覆到经氧等离子体处理的二氧化硅/硅的基板上，形成具有单层PS球的PS模板；

S502，将PDMS溶液倒入周期性排列的PS球上，并放到烤炉中在例如80℃条件下固化；

S504，将固化后的PDMS与形成有PS球的二氧化硅/硅基板剥离，形成PDMS模板，该模板的上表面具有高度有序的纳米凹陷结构；

S506，在PDMS模板上具有凹陷结构的表面镀一层金属材料以形成金属膜，该金属材料可以为任意金属，优选为铜；

S508，将PDMS溶液倒到金属膜上以填充凹陷结构并进行固化；

S510，将固化后的PDMS与铜膜剥离即可得到具有半球阵列结构的PDMS薄膜。

重复执行上述步骤，该PDMS薄膜可以被复制。

其中，在步骤S504与步骤S506之间，该方法还可以包括将PDMS模板置于甲苯溶液中浸泡24小时的步骤，以除去少量附着的PS。

此外，在该PDMS薄膜具有半球阵列结构的表面上再镀一层金属薄膜即可得到上述的包括均为凸起阵列结构的所述基体层(PDMS薄膜)和所述第二摩擦层(金属薄膜)的半球阵列凸起结构层。

而对于所述第二电极层为平坦结构、而所述第二摩擦层为凸起阵列结构的所述凸起阵列结构层3，在该PDMS薄膜(第二摩擦层)不具有半球阵列结构的表面(即平坦的表面)上再镀一层金属薄膜(第二电极层)即可。

在该方法中，半球的半径可以根据实际情况进行设定，例如，可以从毫米级到微米级变化。优选几百微米的半径，如250μm。所镀金属材料(第二摩擦层或第二电极层)的厚度优选为200nm。

本领域技术人员应当理解，本发明上述关于材料、形状、尺寸以及凸起阵列结构层的制造方法的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种基于摩擦电的压力传感器，其中，该压力传感器包括：

发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；

外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。

所述发电机包括第一摩擦层、第一电极层和凸起阵列结构层，其中，

所述第一电极层设置在所述第一摩擦层上；

所述凸起阵列结构层的凸起部与所述第一摩擦层接触，互相接触的表面的材料具有不同的得失电子能力；

其中，所述凸起阵列结构层既充当了摩擦层也充当了电极层，在没有压力作用时所述凸起阵列结构层的凸起部保持原始状态；在存在压力作用时所述凸起阵列结构层的凸起部发生形变且与所述第一摩擦层的接触面积发生变化，并通过所述第一电极层和所述凸起阵列结构层输出所述电信号,

其中所述凸起阵列结构层通过以下步骤而被制备：

将聚苯乙烯(PS)球涂覆到经氧等离子体处理的二氧化硅/硅的基板上，形成具有单层PS球的PS模板；

将PDMS溶液倒入周期性排列的PS球上，并放到烤炉中固化；

将固化后的PDMS与形成有PS球的二氧化硅/硅基板剥离，形成PDMS模板，该模板的上表面具有高度有序的纳米凹陷结构；

在PDMS模板上具有凹陷结构的表面镀一层金属材料以形成金属膜；

将PDMS溶液倒到金属膜上以填充凹陷结构并进行固化；

将固化后的PDMS与铜膜剥离即得到具有半球阵列结构的PDMS薄膜。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述凸起阵列结构层包括第二电极层和第二摩擦层，所述第二电极层为平坦结构，而所述第二摩擦层为凸起阵列结构，所述第二摩擦层与所述第一摩擦层接触。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层为金属材料、ITO或有机物导体。

4.根据权利要求2或3所述的压力传感器，其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层为高分子材料；或者

所述第一摩擦层为金属材料、ITO或有机物导体，而所述第二摩擦层为高分子材料。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述凸起阵列结构层包括基体层和第二摩擦层，所述基体层和所述第二摩擦层均为凸起阵列结构。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中，所述第一电极层和所述第二摩擦层为金属材料、ITO或有机物导体。

7.根据权利要求5或6所述的压力传感器，其中，所述第一摩擦层和所述基体层为高分子材料。

8.根据权利要求3或6所述的压力传感器，其中，所述金属材料为以下中的一者：铜、铝和金。

9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述发电机还包括第一支撑层，所述第一电极层设置在所述第一摩擦层和所述第一支撑层之间；和/或

所述发电机还包括第二支撑层，所述凸起阵列结构层设置在所述第二支撑层上。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中，所述第一支撑层和所述第二支撑层为亚克力板。

11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述凸起阵列结构层为半球阵列凸起结构层、波浪形凸起结构层、锥形阵列凸起结构层或方形阵列凸起结构层。