CN108375609B - 基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自驱动传感系统。该自驱动传感系统包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能，以向外电路输出电信号；和电容式传感器，其与所述摩擦纳米发电机连接，以使所述摩擦纳米发电机向所述电容式传感器供电，用于检测传感信号。本发明的自驱动传感系统能够应用在能够产生机械能的任意场合，能够实时为传感器进行供电。本发明的方案无须任何外接电源，解决了传感器的供电问题，提高了物联网设备的适应性，极大降低了系统的尺寸和重量。本发明的系统在稳定性能和可控性能方面极大提高。摩擦纳米发电机与传感器相互分开，使得摩擦材料与传感材料互不影响，扩大了材料的选择范围，且不受机械运动的频率影响，具有实际应用价值。

Description

基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统。

背景技术

随着城市生活水平的不断提高和经济的不断发展，智能化的物联网给人类生活带来巨大的便利和质的飞跃，物联网的快速发展需要依靠多功能传感网络的建立和高效运行。然而，对于独立维持自身连续工作的传感器来说，供电问题成为克制其网络式发展的瓶颈。若每一个传感器必须由一个电池供电，供电系统的体积和数量过于庞大，甚至远远大于传感网络本身，这样的传感网络几乎无法实现，对于物联网的发展来说是一个巨大的限制。

若能使电子器件实现自供电或自驱动，不仅可以在很大程度上提高设备的适应性，还可以大大降低系统的尺寸和重量，将从本质上解决此类问题。由此提出了一种新型的自驱动或自供电的传感器概念，可使传感器自己通过收集环境中的能量而不利用外部电源供电进行自驱动。摩擦纳米发电机的诞生，为基于物联网的自驱动传感系统提供了一个解决方案。它是一种将机械能转化成电能的简易装置，利用摩擦纳米发电机从环境中收集能量为可持续自供电的传感器件提供新能源的新技术被视为一个有效的解决方案。

目前，基于摩擦纳米发电机的自驱动传感系统主要分为两类。第一，摩擦纳米发电机收集环境中机械能，通过整流桥处理后给电容或电池充电，再为特定的传感器供电，该类自驱动传感系统中容纳了整流桥、电容、电路等，大大增加了系统的尺寸，在物联网应用中有很大的局限性。第二，摩擦纳米发电机的摩擦材料同时作为传感材料，视摩擦纳米发电机本身为传感器件，当传感环境发生变化，摩擦材料表面电荷密度发生变化，其输出发生变化，从而达到传感目的，但材料往往容易受外界影响，温湿度或压力的改变就会导致输出变化，影响传感的准确性和稳定性，且对材料要求高，选择范围受到限制。

因此，研究出一种方便、准确、稳定的基于摩擦纳米发电机的自驱动传感系统十分有必要，这对未来实现其在便携式电子产品、电化学反应、电子逻辑电路、传感器网络和生物医学设备等多领域应用有重大意义。

发明内容

本发明的一个目的是要解决现有的自驱动传感系统体积较大、受外界环境影响较大、选择范围受限且需在特定频率下监测的技术问题。

本发明的一个进一步的目的是要解决现有的将摩擦材料和敏感材料分开的自驱动电阻式传感系统，在不同频率和相同的外界条件下，输出电压不同，容易受频率影响的技术问题。

本发明的一个进一步地目的是要解决现有的电容式传感器在获得较大的电容时，需要将多个单独的电容式传感器并联导致的系统复杂且体积较大的技术问题。

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统，包括：

用于检测传感信号的电容式传感器；以及

摩擦纳米发电机，与所述电容式传感器相连，且配置成用于将外部的机械能转化为电能，并向所述电容式传感器供电；其中

所述电容式传感器与所述摩擦纳米发电机具有相匹配的电容。

可选地，所述电容式传感器的电容选择为20pF-2nF中任一电容值。

可选地，报警器，其以并联的方式连接在所述电容式传感器的两端，用于在所述传感信号发生变化时发出报警信号。

可选地，所述报警器构造成在所述电容式传感器两端的电压大于一电压阈值时发出声和/或光报警信号；

可选地，所述报警器选择成仅能依靠所述摩擦纳米发电机驱动。

可选地，所述电容式传感器包括至少一个传感单元，每一所述传感单元包括两块平行板电极和一层极间介质；

通过选择所述平行板电极和所述极间介质的材料以及调控所述电容式传感器的尺寸，使得所述电容式传感器的电容变化范围与所述摩擦纳米发电机的本征电容相匹配。

可选地，所述电容式传感器的电容选择为20pF-2nF中任一电容值。

可选地，所述电容式传感器设置成通过调控其极间介质的厚度和/或层数来使得所述电容式传感器的电容值为20pF-2nF中任一电容值。

可选地，所述电容式传感器包括：

多层极间介质，每一极间介质的材料均为硅橡胶材料，且均具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，每一极间介质沿着相邻的极间介质的第一表面或第二表面进行层叠布置；

多个电连接的正电极层，每一正电极层布置在一层极间介质中的第一表面或第二表面上；

多个电连接的负电极层，每一负电极层布置在一层极间介质中的第一表面或第二表面上；

其中，每一极间介质均布置有正电极层和负电极层，一层极间介质的正电极层和负电极层不同时布置在该层极间介质的第一表面或第二表面上，任意相邻两个极间介质共用一个正电极层或负电极层。

可选地，所述正电极层设置成在所述极间介质的第一表面或第二表面上沿着第一预设方向延伸，并至少从所述第一表面或第二表面的一端延伸至另一端；

所述负电极层设置成在所述极间介质的第一表面或第二表面上沿着第二预设方向延伸，并至少从所述第一表面或第二表面的一端延伸至另一端。

可选地，所述正电极层和所述负电极层的宽度均小于所述极间介质的宽度。

可选地，所述第一预设方向和所述第二预设方向设置成使得所述正电极层和所述负电极层交错布置，以防止所述正电极层和所述负电极层电导通。

可选地，多个所述正电极层是由一个正电极通过多次折叠形成的，所述正电极是由正电极材料形成；

多个所述负电极层是由一个负电极通过多次折叠形成的，所述负电极是由负电极材料形成。

可选地，所述正电极和所述负电极的材料均选取为具有双面导电特性的材料。

本发明的发明人发现上述问题并尝试各种方法，最终经过大量实验验证选用上述方法，即通过摩擦纳米发电机输出的交流电信号可以直接向与其电容相匹配的电容式传感器供电，使得本发明的自驱动传感系统能够应用在能够产生机械能的任意场合，能够实时为传感器进行供电。并且该传感系统可以应用在有整流桥和无整流桥的系统中，应用非常灵活。此外，在无整流桥的系统中，由于省略了整流桥、电容器等零部件，其体积极大缩小，成本极大降低，能够使其广泛应用在微型器件。

本发明的方案无须任何外接电源，解决了传感器的供电问题，提高了物联网设备的适应性，极大降低了系统的尺寸和重量。本发明的系统在稳定性能和可控性能方面极大提高。摩擦纳米发电机与传感器相互分开，使得摩擦材料与传感材料互不影响，扩大了材料的选择范围，且不受机械运动的频率影响，具有实际应用价值。本发明提供的自驱动传感系统适用于任何电容型传感器，适用范围极广。此外，该系统制作方法简单，可操作性强，有助于工业化应用，具有显著的经济效益和社会效益。

并且，该电容式传感器为叠层式结构，相当于多个传感器并联，由此获得的电容也是多个传感器并联后的电容，实现了在不过分增加体积的前提下极大地增大了其电容值的效果。此外，电容式传感器可以共用正电极层或负电极层，由此不仅可以节约材料，而且还可以简化结构，降低传感器的重量。

此外，由于该电容式传感器仅使用两个电极，通过多次折叠正电极或负电极来形成多个正电极层和负电极层，由此减少了正电极层之间的电连接，也减少了负电极层之间的电连接，间接地减少了焊点的数量，从而不仅减少重量，更重要的是减少焊点数量，由此可以避免接触不良或由于多种原因造成的电连接不畅等情况的发生。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统的示意性原理图；

图2是根据本发明另一个实施例的自驱动传感系统的示意性原理图；

图3是根据本发明一个实施例的在不同频率作用下，摩擦纳米发电机的电压与电容式传感器电容之间的关系图；

图4是根据本发明一个实施例的电容式传感器的示意性立体图；

图5是根据本发明一个实施例的电容式传感器的示意性侧视图；

图6是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图；

附图标号：

1-电容式传感器，11-极间介质，12-正电极层，13-负电极层；

2-摩擦纳米发电机，21-柔性衬底，22-上双面胶带链接层，23-上金属电极层，24-下双面胶带链接层，25-下金属电极层，26-第一摩擦层；

3-报警器；

4-整流桥。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统的示意性原理图。如图1所示，该自驱动传感系统，包括摩擦纳米发电机2和电容式传感器1。摩擦纳米发电机2用于将外部机械能转化为电能，以向外电路输出电信号。电容式传感器1与摩擦纳米发电机2连接，以使摩擦纳米发电机2向电容式传感器1供电，用于检测传感信号。其中，电容式传感器1与摩擦纳米发电机2具有相匹配的电容。

其中，容性负载匹配效应是本申请的发明人提出的，其具体的含义如下：从摩擦纳米发电机的等效电路模型分析，它可以由一个理想的电压源和一个电容串联表示，而摩擦纳米发电机的内部阻抗是由它的固有电容所贡献的，所以存在不同的“容性负载匹配工作区”。通过将摩擦纳米发电机直接与电容式传感器连接，传感器的本征电容随着外部环境的状态发生变化，负载在其两端电学输出信号则随之改变，由于摩擦纳米发电机的高电压低电流输出特性，可通过并接发光二极管监测其亮/灭状态作为传感信号。然而，在真实的应用条件下，环境所提供的机械运动的速度、加速度和强度等都是不稳定的，摩擦纳米发电机的本征阻抗与传感器的初始电容也并非恰好处在最优匹配区间。因此，该自驱动传感系统基于摩擦起电和外致容变耦合效应，通过研究摩擦纳米发电机的本征电容和负载输出特性及其调控机制，能够实现摩擦纳米发电机与电容式传感器负载输出的有效匹配，为获得稳定可靠的自驱动传感系统的研究提供了新思路。

图1示出了具有整流桥4的自驱动传感系统。图2示出了根据本发明另一个实施例的自驱动传感系统的示意性原理图。图2示出的自驱动传感系统中无整流桥。有无整流桥可以在设计时根据需要进行选择。

本发明的方案，本发明的发明人为实现上述目的，尝试各种方法，并最终经过大量实验验证选用上述方法，即通过摩擦纳米发电机输出的交流电信号可以直接向与其电容相匹配的电容式传感器供电，使得本发明的自驱动传感系统能够应用在能够产生机械能的任意场合，能够实时为传感器进行供电。并且该传感系统可以应用在有整流桥4和无整流桥的系统中，应用非常灵活。此外，在无整流桥的系统中，由于省略了整流桥4、电容器等零部件，其体积极大缩小，成本极大降低，能够使其广泛应用在微型器件。

本发明实施例的方案无须任何外接电源，解决了传感器的供电问题，提高了物联网设备的适应性，极大降低了系统的尺寸和重量。本发明的系统在稳定性能和可控性能方面极大提高。摩擦纳米发电机2与传感器相互分开，使得摩擦材料与传感材料互不影响，扩大了材料的选择范围，且不受机械运动的频率影响，具有实际应用价值。本发明提供的自驱动传感系统适用于任何电容型传感器，适用范围极广。此外，该系统制作方法简单，可操作性强，有助于工业化应用，具有显著的经济效益和社会效益。

其中，电容式传感器1例如可以是压力、气体、温度和湿度等电容式传感器1。然而，并不是所有的电容式传感器1都适用于本发明的自驱动传感系统，该电容式传感器1与摩擦纳米发电机2具有相匹配的电容。在多个实施例中，该电容式传感器包括至少一个传感单元，每一传感单元包括两块平行板电极和一层极间介质；通过选择平行板电极和极间介质的材料以及调控电容式传感器的尺寸，使得电容式传感器的电容变化范围与摩擦纳米发电机的本征电容相匹配。其中平行板电极可选用柔性铜箔、柔性覆铜膜和柔性氧化铟锡镀膜等，极板间介质可选用有机硅橡胶、金属掺杂有机硅橡胶、化学腐蚀硅片以及甘油等材料。

电容式传感器的电容选择为20pF-2nF中任一电容值。电容式传感器设置成通过调控其极间介质的厚度和/或层数来使得电容式传感器的电容值为20pF-2nF中任一电容值。该与摩擦纳米发电机2相匹配的电容值是发明人经过大量的实验验证所获得的，以下进行详细描述。

图3示出了根据本发明一个实施例的在不同频率作用下，摩擦纳米发电机2的电压与电容式传感器1电容之间的关系图。可以将电容式传感器1视作为摩擦纳米发电机2的外接电容，从图3可以看出，随着外接电容增大，两端的电压呈下降趋势。本申请的发明人同时对该关系图进行了理论分析。在理论分析中，首先是建立在摩擦纳米发电机2的电容式模型的基础上。位移电流是摩擦纳米发电机2产生电流的内在物理核心，而外电路的电容模型是位移电流对外的输出形式。摩擦纳米发电机2的基本工作原理是接触起电和静电感应的耦合。接触起电提供了静态极化电荷，而静电感应则是将机械能转换为电能的主要机制。基于静电感应的最基础的电子元件是电容，因此摩擦纳米发电机2具有固有的电容属性。

进一步地，根据摩擦纳米发电机2的本征方程(V-Q-x关系)，摩擦纳米发电机2两个电极之间的固有电容可以由电容C来表示，摩擦纳米发电机2的开路电压可以用理想电压源Voc来表示，通过两项整合，整个电路模型可以用一个电容和一个理想电压源来表示。根据摩擦纳米发电机2本身的电容特性，当该电容式自驱动传感器并联在摩擦纳米发电机2两端时，相当于有两个电容并联在电路中，当摩擦纳米发电机2受稳定外力驱动时，总电荷Q_sc不变，输出电压V可用如下公式表示：

其中，Q_SC为产生的总电荷量，C为摩擦纳米发电机2的自身电容，C_x为外接电容。从公式中我们也可以发现，摩擦纳米发电机2的输出不受频率影响。电容式传感器1相当于一个可变的外接电容。摩擦纳米发电机2的固有电容在pF级别，当外接电容比较小时，它的阻抗要远远大于摩擦纳米发电机2的电容，因此几乎所有的开路电压V_OC都加载在外接电容上，摩擦纳米发电机2工作在一个准开路的情况下(区域1)。当外接电容非常大时，它的阻抗要小于摩擦纳米发电机2，所以加载在外接电容上的电压近似为零(区域3)，在这种情况下，摩擦纳米发电机2工作在一个准短路的情形下。因此，当外接电容在中间的过渡区域时(区域2)，摩擦纳米发电的输出电压会发生从最大值到最小值的变化。

图4示出了根据本发明一个实施例的电容式传感器的示意性立体图。图5示出了根据本发明一个实施例的电容式传感器的示意性侧视图。如图4和图5所示，该电容式传感器1是由多个传感单元组成的。该电容式传感器1包括多层极间介质11、多个电连接的正电极层12和多个电连接的负电极层13。每一极间介质11的材料均为硅橡胶材料，且均具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，每一极间介质11沿着相邻的极间介质11的第一表面或第二表面进行层叠布置。每一正电极层12布置在一层极间介质11中的第一表面或第二表面上。每一负电极层13布置在一层极间介质11中的第一表面或第二表面上。其中，每一极间介质11均布置有正电极层12和负电极层13，一层极间介质11的正电极层12和负电极层13不同时布置在该层极间介质11的第一表面或第二表面上，任意相邻两个极间介质11共用一个正电极层12或负电极层13。其中，相邻的两个极间介质11中一个极间介质11的第一表面和另一个极间介质11的第二表面相接触。

根据本发明实施例的方案，该电容式传感器1为叠层式结构，相当于多个传感器并联，由此获得的电容也是多个传感器并联后的电容，实现了在不过分增加体积的前提下极大地增大了其电容值的效果。此外，电容式传感器1可以共用正电极层12或负电极层13，由此不仅可以节约材料，而且还可以简化结构，降低传感器的重量。

其中，电容式传感器1的极间介质11材料可以根据需要进行选择和制备，以获得灵敏度高、选择性好、稳定性高的敏感材料。

在一个实施例中，正电极层12设置成在极间介质11的第一表面或第二表面上沿着第一预设方向延伸，并至少从第一表面或第二表面的一端延伸至另一端。负电极层13设置成在极间介质11的第一表面或第二表面上沿着第二预设方向延伸，并至少从第一表面或第二表面的一端延伸至另一端。在一个实施例中，极间介质11可以为长方体，其第一表面和第二表面为长方形。正电极层12和负电极层13的材料可以选择为铜、铝等金属。正电极层12和负电极层13的形状也均可以选择长方形。可以理解的是，极间介质11、正电极层12和负电极层13的形状并不限于此，也可以为其它任意可行的形状。优选地，正电极层12和负电极层13的宽度均小于极间介质11的宽度。

其中，第一预设方向和第二预设方向设置成使得正电极层12和负电极层13交错布置，以防止正电极层12和负电极层13电导通。在一个优选的实施例中，正电极层12沿着极间介质11的第一表面或第二表面的长度方向延伸，则负电极层13沿着该极间介质11的另一相对的表面的宽度方向延伸。在另一个优选的实施例中，正电极层12沿着极间介质11的第一表面或第二表面的宽度方向延伸，则负电极层13沿着该极间介质11的另一相对的表面的长度方向延伸。其中，另一相对的表面为第一表面或第二表面，即例如当正电极沿着极间介质11的第一表面的长度方向延伸时，另一相对的表面则为该极间介质11的第二表面；当正电极沿着极间介质11的第二表面的长度方向延伸时，另一相对的表面则为该极间介质11的第一表面。

在一个优选的实施例中，如图5所示，多个正电极层12是由一个正电极通过多次折叠形成的，正电极是由正电极材料形成。多个负电极层13是由一个负电极通过多次折叠形成的，负电极是由负电极材料形成。

根据本发明实施例的方案，由于该电容式传感器1仅使用两个电极，通过多次折叠正电极或负电极来形成多个正电极层12和负电极层13，由此减少了正电极层12之间的电连接，也减少了负电极层13之间的电连接，间接地减少了焊点的数量，从而不仅减少重量，更重要的是减少焊点数量，由此可以避免接触不良或由于多种原因造成的电连接不畅等情况的发生。

在另一实施例中，构建基于甘油介质的湿度电容传感器与基于液态金属的摩擦纳米发电机结合的容抗匹配自驱动传感系统，湿度电容传感器可穿戴在衣物上，摩擦纳米发电机可置于鞋底，将人体行走运动产生的机械能转换为电能，为湿度电容传感器供电。通过观察LED灯的亮灭情况实现对环境湿度的传感监测。在其它实施中，本发明的容抗匹配自驱动传感系统还可用于对毒有害气体的监测，当气体浓度超过安全值时，系统发出报警信号。此外，该传感系统也适用于紫外光探测和温度传感等，在现实生活中应用十分广泛。

在一个实施例中，该电容式传感器1的制备方法可以包括如下步骤：

S110、将体积比为1:1的铂催化硅橡胶的A成分和B成分混和并搅拌，以形成均匀的硅橡胶混合物；

S120、将硅橡胶混合物倒入长宽均为1cm，高为1mm的模具中，室温放置约2小时，等待固化，以形成极间介质；

S130、重复上述步骤制备三个相同的硅橡胶的极间介质；

S140、取两片宽0.8cm，长3cm具有双面导电性的铜箔，分别作为正电极和负电极；

S150、将正电极布置在第一个极间介质的第一表面上，将负电极布置在第一个极间介质的第二表面上，将第二个极间介质放置在负电极上，折叠正电极使其位于第二个极间介质的第二表面上，然后将第三个极间介质放置在折叠后的正电极上，并折叠负电极使其位于第三个极间介质的第二表面上，以形成电容式传感器。其中第二个极间介质的第一表面与第一个极间介质的第二表面相接触，第三个极间介质的第一表面与第二个极间介质的第二表面相接触。并且，该电容式传感器相当于三个以硅橡胶为极间介质的电容并联。

在其它实施例中，步骤S110中可以选用不同种类的电介质材料，如PDMS、硅胶等。步骤S120中的模具可以选择其它形状和/或尺寸，以形成其它形状的和/或其它尺寸的极间介质11，例如模具尺寸可以改为任意比例，例如1cm×2cm、2cm×2cm和3cm×3cm等。步骤S130中的极间介质11的数量可以为四个、五个、六个或更多个，并不限于此，可以根据需要进行设定。步骤S140中的正电极和负电极例如也可以选择铝箔，各种柔性电极材料，当然并不限于此，还可以为其它金属电极，并且其尺寸也可以为其它尺寸，并不限于此。当然，该极间介质11材料并不限于硅橡胶，可以选择成对所述传感信号具有高灵敏度和高稳定性的材料。

其中，摩擦纳米发电机2的工作模式可以是接触分离式、滑动平移式、单电极模式和独立层模式。其中，该摩擦纳米发电机2的两层摩擦材料可以都是绝缘材料，也可以是一个绝缘材料和一个电极材料。

图6示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图。如图6所示，在该实施例中，该摩擦纳米发电机2包括一个环形的柔性衬底21、上双面胶带链接层22、下双面胶带链接层24、上金属电极层23、下金属电极层25和第一摩擦层26。在一个实施例中，可以使用聚酰亚胺薄膜作为柔性衬底21。该上金属电极层23通过上双面胶带链接层22粘附在柔性衬底21内侧的上表面处，该下金属电极层25通过下双面胶带链接层24粘附在柔性衬底21内侧的下表面处。上双面胶带链接层22和下双面胶带链接层24可以选择为聚酰亚胺双面胶，也可以是棉纸双面胶或聚对苯二甲酸乙二醇酯透明双面胶。上金属电极层23和下金属电极层25的材料可以选择为铜、铝等金属材料。该第一摩擦层26形成在下金属电极层25的表面处。上金属电极层23的材料既可以作为电极材料，又可以作为第二摩擦层的摩擦材料。

在一个实施例中，该摩擦纳米发电机2的制备方法可以包括如下步骤：

S100、提供一聚酰亚胺薄膜，并将其作为柔性基底；

S200、用双面聚酰亚胺胶带将所述柔性基底内侧的上表面粘附铝箔，以作为上金属电极层，并将所述柔性基底内侧的下表面粘附铜箔，以作为下金属电极层，再通过铜线引出电极；

S300、在所述下金属电极层的表面施加一聚四氟乙烯膜，以将所述聚四氟乙烯膜作为第一摩擦层。

其中，所述上金属电极层的材料并不限于铝箔，也可以是其它材料，只要选择成既能够作为电极材料又能够作为摩擦材料即可。

在一个实施例中，步骤S100中聚酰亚胺薄膜的尺寸为5cm×10cm，厚度为0.1mm；步骤S200中双面聚酰亚胺胶带和尺寸为5cm×6cm，上、下金属电极层25的尺寸为5cm×5cm。

在一个实施例中，步骤S300具体包括：

S301、将50μm厚的聚四氟乙烯膜贴在下金属电极层，并将其作为第一摩擦层；

S302、与该第一摩擦层相对的上金属电极层则作为第二摩擦层。

其中，聚四氟乙烯膜表面的微观结构是纳米线阵列，该纳米线阵列的制备方法是：利用感应耦合等离子体方法，利用氩气、氧气和四氯甲烷气体分别对纳米线的表面进行刻蚀处理，以获得长度为1-3μm的纳米线阵列。该纳米线阵列的长度例如可以为3μm、2.5μm、2μm、1.5μm、1.3μm或1μm，该纳米线阵列的长度也可以为1-3μm之间的任一其它数值。上、下金属电极层25用铜线连接起来用于驱动传感器工作并进行电学测试。

该自驱动传感系统还包括报警器3。该报警器3以并联的方式连接在电容式传感器1的两端，用于在传感信号发生变化时发出报警信号。报警器3构造成在电容式传感器1两端的电压大于一电压阈值时发出声和/或光报警信号。在一个优选的实施例中，报警器3可以选择成仅能依靠摩擦纳米发电机2驱动。如此，可以实现完全自驱动的目的。

在一个实施例中，该报警器3可以是LED指示灯。该LED指示灯构造成在电容式传感器1两端的电压发生变化时开启或关闭。外接的传感器可看作是一个外接可变电容，当传感器接收到传感信号时，电容便会发生变化，相应的输出电压也会发生变化，而变化的输出电压会反应在外接的LED指示灯上，电信号转变为光和/或声音信号给予警示作用，实现无须外接电源的自驱动。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统，其特征在于，包括：

用于检测传感信号的电容式传感器；以及

摩擦纳米发电机，与所述电容式传感器相连，且配置成用于将外部的机械能转化为电能，并向所述电容式传感器供电；

报警器，其以并联的方式连接在所述电容式传感器的两端，用于在所述电容式传感器两端的电压大于一电压阈值时发出声和/或光报警信号；

其中，所述电容式传感器与所述摩擦纳米发电机具有相匹配的电容；

所述电容式传感器的电容选择为20pF-2nF中任一电容值；

所述电容式传感器并联在所述摩擦纳米发电机的两端，所述摩擦纳米发电机受稳定外力驱动时，总电荷量O_sc不变，输出电压V的公式表示为：

其中，O_sc为产生的总电荷量，C为摩擦纳米发电机的固有电容，C_x为所述电容式传感器的电容；所述摩擦纳米发电机的输出不受频率影响。

2.根据权利要求1所述的自驱动传感系统，其特征在于，所述报警器选择成仅能依靠所述摩擦纳米发电机驱动。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的自驱动传感系统，其特征在于，所述电容式传感器包括至少一个传感单元，每一所述传感单元包括两块平行板电极和一层极间介质；

通过选择所述平行板电极和所述极间介质的材料以及调控所述电容式传感器的尺寸，使得所述电容式传感器的电容变化范围与所述摩擦纳米发电机的本征电容相匹配。

4.根据权利要求3所述的自驱动传感系统，其特征在于，所述电容式传感器设置成通过调控其极间介质的厚度和/或层数来使得所述电容式传感器的电容值为20pF-2nF中任一电容值。

5.根据权利要求3所述的自驱动传感系统，其特征在于，所述电容式传感器包括：

多层极间介质，每一极间介质的材料均为硅橡胶材料，且均具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，每一极间介质沿着相邻的极间介质的第一表面或第二表面进行层叠布置；

多个电连接的正电极层，每一正电极层布置在一层极间介质的第一表面或第二表面上；

多个电连接的负电极层，每一负电极层布置在一层极间介质中的第一表面或第二表面上；

其中，每一极间介质均布置有正电极层和负电极层，一层极间介质的正电极层和负电极层不同时布置在该层极间介质的第一表面或第二表面上，任意相邻两个极间介质共用一个正电极层或负电极层。

6.根据权利要求5所述的自驱动传感系统，其特征在于，所述正电极层设置成在所述极间介质的第一表面或第二表面上沿着第一预设方向延伸，并至少从所述第一表面或第二表面的一端延伸至另一端；

所述负电极层设置成在所述极间介质的第一表面或第二表面上沿着第二预设方向延伸，并至少从所述第一表面或第二表面的一端延伸至另一端。

7.根据权利要求6所述的自驱动传感系统，其特征在于，所述第一预设方向和所述第二预设方向设置成使得所述正电极层和所述负电极层交错布置，以防止所述正电极层和所述负电极层电导通。

8.根据权利要求6所述的自驱动传感系统，其特征在于，多个所述正电极层是由一个正电极通过多次折叠形成的，所述正电极是由正电极材料形成；

多个所述负电极层是由一个负电极通过多次折叠形成的，所述负电极是由负电极材料形成。

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