CN109498300A

CN109498300A - 自供能健康检查仪

Info

Publication number: CN109498300A
Application number: CN201811645574.9A
Authority: CN
Inventors: 赵俊瑞; 赵朴; 杨官霖; 赵彬妍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-03-22

Abstract

本发明公开了一种自供能健康检查仪，包括接触‑分离式摩擦纳米发电机组和病床，接触‑分离式摩擦纳米发电机组是由n×n个铺设在病床上的接触‑分离式摩擦纳米发电机单元组成的，在接触‑分离式摩擦纳米发电机组中包含至少一个由若干接触‑分离式摩擦纳米发电机单元构成的接触‑分离式摩擦纳米发电机单元组合，且该接触‑分离式摩擦纳米发电机单元组合与相应的信号灯或报警灯电连接。本发明通过接触‑分离式摩擦纳米发电机与病床结合起来制成自供能健康检查仪，通过病人自身的活动来产生电信号。

Description

自供能健康检查仪

技术领域

本发明属于智能监控技术领域，涉及一种健康检查仪，特别是涉及一种自供能健康检查仪。

背景技术

随着经济的发展，人们的生活水平日益改善，各种便携式电子设备被广泛应用。传统的锂离子电池的供电方式，供电时间有限，废旧电池会严重污染环境，难以适应清洁环保能源的发展需求。

能源的需求与环境的污染始终是世界发展要面临的问题，而实现能源的可持续发展成为人类社会发展的关键。通过锂离子电池获取能量的传统方式由于寿命有限且环境污染严重难以适应现代社会发展的要求，因此寻找更加耐用、清洁的能源具有十分重要的意义。以太阳能、风能、潮汐能为代表的新能源在过去的半个世纪中逐渐发展起来，这些能量在获取形式上不再依赖于热能的转换，而是充分利用了自然环境中存在的各种能量，如光能、机械能等。

环境中的机械能分布极为广泛，几乎在任何环境甚至生物体内产生，不受时间和空间的影响。如果能够通过有效的手段将环境中的机械能收集起来转化为电能，将能满足自供能位置检查仪和健康监护仪器独立持续工作的要求，从而为解决传统电池供电所带来的诸多问题提供一条新的途径。本项目发明采用接触-分离式摩擦纳米发电机原理，基于摩擦起电和静电感应现象实现能量转换的器件，将环境中的机械能收集起来并转换为电能，具有体积小、质量轻、受环境影响小的优点，本发明可以收集各种机械能包括人体的运动、声波、风能等，将收集的能量用于驱动LED灯，这为自驱动系统的构建提供了新思路。

人体健康越来越受到人们的重视，因此便携式电子设备等得到了广泛的关注。传统的锂离子电池的供电方式将难以满足社会发展的要求，故研究接触-分离式摩擦纳米发电机原理十分重要，可以实时监测人体健康、安全、环境，也可以为传感器提供电能。

2011年，F.R.Fan等人摩擦电极性不同的PET和Kapton薄膜构成上下重叠层状的接触-分离式摩擦纳米发电机。2012年，王中林院士课题组首先发明了热释电纳米发电机。该工作利用200nm垂直排列的氧化锌纳米线的热释电性和半导体特性，制备出具有良好稳定性的热释电纳米发电机。2013年，北京大学的张海霞小组设计出一种能够收集物体振动能的摩擦发电机。该发电机采用三明治结构，可以将低频的机械能量转化成为频率翻倍的电能输出。2014年，Z.H.Lin 等人利用摩擦电原理设计出一种可以收集水体静电能的发电机。2015年，Cui 等人报道了一种用来收集周围环境中的噪音能量的接触-分离式摩擦纳米发电机。

弱势群体婴幼儿、老人、长期需躺床修养的病人的陪侍和监护，因人力和医疗条件所限，得不到有效监护，有的婴幼儿、老人和病人从床上摔下来，家属也不能及时发现，甚至错过了及时护理和抢救的最佳机会而失去生命。健康监护仪器在一定程度上可以避免上述情况的发生，但是目前的医学健康监护仪多是通过电线与插座连接为其进行供电，但是对于行动不便的弱势群体的行动时容易发生缠绕，行动极不方便。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种自供能健康检查仪，通过接触-分离式摩擦纳米发电机与病床结合起来制成自供能健康检查仪，通过病人自身的活动来产生电信号。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种自供能健康检查仪，包括：接触-分离式摩擦纳米发电机组和病床，所述接触-分离式摩擦纳米发电机组是由n×n(n≥2)个铺设在病床上的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组成的，在所述接触-分离式摩擦纳米发电机组中包含至少一个由若干接触-分离式摩擦纳米发电机单元构成的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合，且该接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合与相应的信号灯或报警灯电连接；所述接触-分离式摩擦纳米发电机单元是由自然状态下相分离的正极和负极组成的，所述正极是由PET基底层和贴合在PET膜层上的聚酯纤维镀银导电布层组成的，所述负极是由依次贴合的PET基底层、聚酯纤维镀银导电布层、聚合物薄膜层组成的，且正极的聚酯纤维镀银导电布层和负极的聚合物薄膜层相对；所述聚合物薄膜层是由室温硫化硅胶和固化剂按50:1 的重量比混合而成的硅胶混合物制成的。

作为一种优选实施方式，所述接触-分离式摩擦纳米发电机组是由4×4个铺设在病床上的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组成的，包含两个接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合，第一接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合是由6个接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合而成，且与信号灯电连接，第二接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合是由位于床边缘的3个相邻的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合而成，且与报警灯电连接。

进一步地，所述聚合物薄膜层的厚度为1000μm。

本发明中接触-分离式摩擦纳米发电机单元的基本结构为“三明治”型，如图1所示，即两个分离的金属电极，在其中一个电极上镀易于得电子的负电材料，通过两个电极的接触分离实现发电。

本发明的工作原理为：

接触-分离式摩擦纳米发电机的根本原理是麦克斯韦位移电流，其外电路的电容模型是位移电流对外的输出表现形式，接触-分离式摩擦纳米发电机具有固有的电容属性，它所选的电介质材料是影响其输出性能的关键因素。聚二甲基硅氧烷(PDMS)、室温硫化硅胶等作为摩擦电序列中的负性摩擦材料具有安全无毒、拉伸性能好等优点，被广泛应用于接触-分离式摩擦纳米发电机的制备。

接触-分离式摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应现象的耦合作用，制备的接触-分离式摩擦纳米发电机可以将周围环境的机械能转换为电能，具体工作原理如图4所示，图中I为电流。当有外力施加于接触-分离式摩擦纳米发电机时，复合纳米聚合物薄膜与导电布接触，二者表面产生等量异号摩擦电荷，由于复合硅胶有较强的得电子能力，使得复合硅胶表面带负电荷，导电布表面带正电荷,如图4(a)所示。当外力撤销，聚合物薄膜与镀镍导电布分离，导致两个电极的接触表面产生电势差，当在两个电极间接入负载，感应电势差会驱动电子通过外电路从上电极流向下电极，在电路中产生电流，如图4(b)所示。当二者的距离分离到达最大位置，下电极表面的正电荷被完全中和，上电极表面产生与硅胶表面电子等量的感应正电荷，达到静电平衡状态，如图4(c)所示。当再次施加外力，在外电路产生方向相反的电流如图4 (d)所示。通过这样反复的接触分离运动，产生交流电信号。

本发明中接触-分离式摩擦纳米发电机单元的原料介绍：

(1)聚合物薄膜层

聚合物薄膜层是由室温硫化硅胶和固化剂按50:1的重量比混合而成的硅胶混合物制成的；室温硫化硅胶是广泛使用的以硅为基础的有机聚合物材料，其运用包括树脂工艺品、大型雕塑、模型设施、建筑装饰等。一般的硅胶是无毒、透明的惰性物质、具有疏水性和防水性；本发明中的硅胶混合物固化时不放热、收缩量小，固化后透明且有弹性，可抗震与减缓机械震动，振动的传递性能小，元件易修补、具有良好的环保性能、低吸水性、良好的耐辐射性能、高真空状态下的低漏气性，优异的电性能。

聚合物薄膜是一种摩擦材料，用室温硫化硅胶材料和固化剂按比例均匀混合后涂成薄膜，具体制作情况如下：取出能精确到0.01g的电子秤，将培养皿称重去皮，倒入30g的聚二甲硅氧烷，取出实验试管或注射器将0.6g的固化剂滴入培养皿中，使室温硫化硅胶和固化剂按50:1的重量比混合，制成硅胶混合物，并将混合物向一个方向均匀搅拌使其充分混合。将PET平均分成若干份，放在平台上，予以固定，把镀镍导电布平铺在每一份上，当涂布器滑过时不得移动。按1000μm的涂膜厚度选择涂布器，放在PET的短边，接近平行或规定的位置上，然后在涂布器的前面倒入混合硅胶，用手指按住其两端，以150毫米/ 秒的速度滑行，即涂布成需要厚度的薄膜。随后将整体放在室温环境，等待硅胶混合物固化，形成贴合在聚酯纤维镀银导电布层的聚合物薄膜层。

(2)PET基底层

PET基底层是由PET材料(PET膜)加工而成的，PET材料被广泛应用于包装业、电子电器、医疗卫生等领域。手机上的贴膜，矿泉水的塑料瓶都是由 PET材料制备的。PET的优点如下：(1)具有良好的力学性能，耐折性好，耐摩擦性好；(2)无毒、无味，抗化学药品稳定性好，不会对人体造健康成伤害；(3) 具有良好的柔韧性，弯曲强度可以达到200MPa,是当做柔软的传感器的支撑部分很好的材料；(4)易于水解，能够实现回收再利用。

本发明中的PET基底层所使用的PET材料在接触-分离式摩擦纳米发电机工作时并不直接参与摩擦起电的过程。由束缚电子能力的研究可知，PET也是 “negative”的材料，并不适合与聚合物薄膜搭配作为摩擦界面。但是在具有微观结构的PET界面粘上聚酯纤维镀银导电布后，“positive”的聚酯纤维镀银导电布层与聚合物薄膜层形成接触-分离式摩擦纳米发电机的两个电极，柔韧无毒的 PET基底层作为支撑提供弹性，通过彼此配合使接触-分离式摩擦纳米发电机能够正常使用。

(3)聚酯纤维镀银导电布层

镀镍导电布由铜和镍两种金属构成，制作时先电镀上高导电性的铜层，然后再电镀上防氧化、防腐蚀的镍金属，铜和镍的结合提供了好的导电性和良好的电磁波屏蔽效果，镀镍导电布具有卓越的柔软性与优异的耐曲折特性。

本发明中接触-分离式摩擦纳米发电机单元的介绍：

接触-分离式摩擦纳米发电机单元的结构整体上由上下两部分构成。下部由被平分成若干份的长方形PET作为结构的下基底，将聚酯纤维镀银导电布黏贴在PET下基底作为下电极及摩擦正性材料；上部分同样利用PET作为结构的上基底，将聚酯纤维镀银导电布粘贴在PET上基底作为上电极，利用四面涂布器，设置膜厚1000μm，制备所得的聚合物薄膜作为摩擦负性材料。随后，将下部分的聚酯纤维镀银导电布与上部分的聚合物薄膜相对放置，利用双面胶粘贴好，制备接触-分离式摩擦纳米发电机，利用鳄鱼夹线把上下电极分别夹好进行后续测量。

本发明接触-分离式摩擦纳米发电机单元的性能测试：

(1)测试平台

吉时利6514型静电计具有灵活的接口性能，其电流灵敏度、电荷测量能力、分辨率和速度都优于其他的静电计。6514型内置式IEEE-488、RS-232与数字式 I/O接口使它可以很容易地配置为全自动、高速系统，用于低电平测试。

(2)影响接触-分离式摩擦纳米发电机单元输出性能的因素

V是上下电极之间的电势差，Q是上下电极之间转移的电荷量，x(t)是上下电极之间的距离，s是接触面积，σ是介电层电荷密度，d₀是介电层的厚度，E是两电极之间的电场，ε₀是空气介电常数，ε_r是介电层相对介电常数^[10]。

由静电场中的高斯定理可得：穿过一封闭曲面的电通量与封闭曲面所包围的电荷量成正比，即：

由高斯定理推导进一步得到位于两电极之间的电场强度，即：

再由叠加原理可得：

公式(4)即为上下电极之间的任意时刻电势差。开路状态时，电荷转移量为0，代入公式(4)可得开路电压V_OC：

同样在短路状态下，两电极间电压为0，代入公式(4.4)可得转移电荷量Q_sc：

通过短路电流与转移电荷量之间关系可得：

可以看出接触-分离式摩擦纳米发电机的输出性能只与器件的电极面积大小、上电极与介电层之间的间隔、介电层厚度、介电层表面电荷密度、相对介电常数以及外部激励的速度有关，而与器件的形状无关。

(3)摩擦层接触面积对接触-分离式摩擦纳米发电机输出性能的影响

接触-分离式摩擦纳米发电机能够将人体的机械能转化为电能，并且能够直接用手驱动器件工作。为了测试摩擦层接触面积对接触-分离式摩擦纳米发电机输出性能的影响，利用导线将感应电极和吉时利6514静电计相连接，通过物体和接触-分离式摩擦纳米发电机周期性的接触分离，驱动接触-分离式摩擦纳米发电机工作产生电荷，在测试软件上记录电荷随时间变化的曲线图。如图5所示，器件产生的电荷随物体和器件接触分离运动的变化而变化，短路电流的峰值为 50μA，充分说明制备出的接触-分离式摩擦纳米发电机能够收集人体运动的机械能并将其转化为电能。

摩擦层接触面积对接触-分离式摩擦纳米发电机输出性能的影响如图6所示。其中图6a、6b为短路电流和开路电压的测量结果，其结果是在重量相同，两电极之间的距离相同，接触面积不同的情况下进行测量的。可以看出输出电流的波形为脉冲结构，在施加外力的情况下表现为正向电流，在释放外力的情况下表现为负向电流，当摩擦层接触面积是7cm²时，输出电流的峰值为20μA，当摩擦层接触面积是12cm²时，输出电流的峰值为70μA，由此可知，短路电流因摩擦层接触面积的增大而有所提高。从图6可以看出输出电压仍为脉冲结构，在施加外力的情况下表现为正向电压，在释放外力的情况下表现为负向电压，其输出电压的峰值分别为75V和110V，所以开路电压随着摩擦层接触面积的增大而增大。

(4)两摩擦层之间的距离对接触-分离式摩擦纳米发电机输出性能的影响

为了证明两个电极之间距离的大小对接触-分离式摩擦纳米发电机的输出性能有影响，本文在重量相同、摩擦层接触面积相同的条件下，对电极之间距离不同的接触-分离式摩擦纳米发电机进行了输出电学测试。测试结果如图7所示，当电极之间的距离为2mm时，短路电流的峰值为60μA，开路电压的峰值为 60V；当电极之间的距离为4mm时，短路电流的峰值与之前相比升高了20μA，开路电压升高了90V。测试结果表明，对于接触-分离式摩擦纳米发电机，短路电流随着两电极之间距离的增大而增大，开路电压与两个摩擦层之间的垂直距离成正比。其原因是两电极之间的距离小时，在接触分离的过程中，会因为释放压力时两电极不能完全分离而影响输出性能。

(5)外部激励对接触-分离式摩擦纳米发电机输出性能的影响

为了研究外部激励对接触-分离式摩擦纳米发电机输出性能的影响，使用不同重量的水瓶按压接触-分离式摩擦纳米发电机。如图8a所示，当水瓶中水为 100g时，输出电压和输出电流峰值分别达到100V和110μA。进一步测试接触- 分离式摩擦纳米发电机在不同的外部激励下输出电压和输出电流的变化趋势。由图8b可知，当水量增重到250g时，纳米发电机的输出电流的峰值从110μA增大至150μA，开路电压的峰值由100V降至140V。通过本次测试可知，接触-分离式摩擦纳米发电机的短路电流和开路电压随着按压力度的逐渐减小而较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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接触-分离式摩擦纳米发电机单元的结构示意图。

图2为本发明实施例中接触-分离式摩擦纳米发电机组的侧面结构示意图。

图3为本发明实施例中病床俯视图以及被按压情况示意图。

图4为本发明实施例中接触-分离式摩擦纳米发电机单元工作原理示意图。

图5接触-分离式摩擦纳米发电机单元通过外部激励产生的电流。

图6摩擦层接触面积对接触-分离式摩擦纳米发电机单元输出性能的影响； 6a为接触面积较小的短路电流和开路电压；6b为接触面积较大的短路电流和开路电压。

图7两电极之间的距离对接触-分离式摩擦纳米发电机单元的影响；7a较小距离的短路电流和开路电压；7b较大距离的短路电流和开路电压。

图8外部激励对接触-分离式摩擦纳米发电机单元输出性能的影响；8a较小力度的短路电流和开路电压；8b较大力度的短路电流和开路电压。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1～8所示自供能健康检查仪，包括：接触-分离式摩擦纳米发电机组和病床，接触-分离式摩擦纳米发电机组由4×4个铺设在病床上的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组成的，把病床分为16个以A～P命名的模块，每个模块对应着一盏灯，每当病人按压一个模块时都会有电流输出使灯亮起来，如图3a所示，包含两个接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合，第一接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合模块是由B、F、I、J、L、O 6个接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合而成，且与信号灯电连接，如图3b所示，第二接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合模块是由位于左侧床边缘的3个相邻的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合而成，且与报警灯电连接，如3c所示；如图1所示，所述接触-分离式摩擦纳米发电机单元是由自然状态下相分离的正极和负极组成的，所述正极是由PET 基底层和贴合在PET膜层上的聚酯纤维镀银导电布层组成的，所述负极是由依次贴合的PET基底层、聚酯纤维镀银导电布层、聚合物薄膜层组成的，且正极的聚酯纤维镀银导电布层和负极的聚合物薄膜层相对；所述聚合物薄膜层是由室温硫化硅胶和固化剂按50:1的重量比混合而成的硅胶混合物制成的。

将PET平均分成16份，放在平台上，予以固定，把镀镍导电布平铺在每一份上，当涂布器滑过时不得移动。按1000μm的涂膜厚度选择涂布器，放在PET 的短边，接近平行或规定的位置上，然后在涂布器的前面倒入混合硅胶，用手指按住其两端，以150毫米/秒的速度滑行，即涂布成需要厚度的薄膜。随后将整体放在室温环境，等待硅胶混合物固化，形成贴合在聚酯纤维镀银导电布层的聚合物薄膜层所述聚合物薄膜层的厚度为1000μm。

当然根据危险隐患区的形状和大小也可设置成不同数量、不同形状的接触- 分离式摩擦纳米发电机单元组。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自供能健康检查仪，其特征在于包括：接触-分离式摩擦纳米发电机组和病床，所述接触-分离式摩擦纳米发电机组是由n×n（n≥2）个铺设在病床上的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组成的，在所述接触-分离式摩擦纳米发电机组中包含至少一个由若干接触-分离式摩擦纳米发电机单元构成的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合，且该接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合与相应的信号灯或报警灯电连接；所述接触-分离式摩擦纳米发电机单元是由自然状态下相分离的正极和负极组成的，所述正极是由PET基底层和贴合在PET膜层上的聚酯纤维镀银导电布层组成的，所述负极是由依次贴合的PET基底层、聚酯纤维镀银导电布层、聚合物薄膜层组成的，且正极的聚酯纤维镀银导电布层和负极的聚合物薄膜层相对；所述聚合物薄膜层是由室温硫化硅胶和固化剂按50:1的重量比混合而成的硅胶混合物制成的。

2.如权利要求1所述自供能健康检查仪，其特征在于：所述接触-分离式摩擦纳米发电机组是由4×4个铺设在病床上的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组成的，包含两个接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合，第一接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合是由6个接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合而成，且与信号灯电连接，第二接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合是由位于床边缘的3个相邻的接触-分离式摩擦纳米发电机单元组合而成，且与报警灯电连接。

3.如权利要求1所述自供能健康检查仪，其特征在于：所述聚合物薄膜层的厚度为1000μm。