CN109889081A - 一种单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机及制备方法。该可拉伸摩擦纳米发电机包括：有机硅橡胶，其作为摩擦材料；螺旋钢丝，形成在所述有机硅橡胶内，并从所述有机硅橡胶的一端延伸出，所述螺旋钢丝作为电极材料；所述螺旋钢丝构造成与所述有机硅橡胶的杨氏模量相匹配。本发明的方案，螺旋钢丝作为电极材料，由于钢丝电极的坚固性、连续导电性和几何结构，基于螺旋钢丝的摩擦纳米发电机具有高稳定性、可拉伸性和可定制的特性。并且，硅橡胶基底拉伸性能良好，经扭曲、弯曲或拉伸后，其性能保持不变，可以满足不同应用的要求，适合运用于可穿戴电子设备上。

Description

一种单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机及制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机及制备方法、可穿戴设备、主动型传感器以及智能手套。

背景技术

近年来，多功能可穿戴电子产品实现快速发展，如智能手表、智能眼镜和电子皮肤等。这些电子产品可以模拟人类皮肤的特征，以及应用于监测人类健康和运动轨迹的无线传感网络。这也同时对可穿戴设备提出了一些挑战，因为这些设备需要灵活、轻便、价格低廉且稳定。

然而，商业化的便携式储能器件包括电池和超级电容器相对较重，需要频繁充电，并面临严重的寿命限制。为了克服这些挑战，开发了一系列基于摩擦起电、光电和热电效应的先进能源收集技术，以实现可持续的便携式电源。与太阳能和热能相比，机械能量的收集可以随时随地，并且不受天气和环境的影响。

摩擦电纳米发电机基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，是将各种形式机械能转换为电能的最有效策略之一，如人体运动、风、水波、雨滴和振动。作为一种可持续的发电源，它已经取得了快速进展，具有低成本、高产量、重量轻、材料选择广泛的特点，适用于广泛的设备。

发明内容

本申请的发明人发现，为了可穿戴电源的潜在应用，现有技术已经制造出柔性摩擦电纳米发电机，但是摩擦电层和电极层的界面相容性的杨氏模量不匹配，导致承受复杂机械变形的能力受到限制。近年来，为了配合可拉伸摩擦电材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅橡胶等，可拉伸电极的制备一般有三种策略:包括刚性材料延伸的确定性几何形状，在弹性体中分散导电颗粒，以及利用本质上可拉伸的导电材料。然而，对于可拉伸纤维供能织物，需要通过合理的几何形状设计来实现。

本发明的一个目的是要克服现有的摩擦纳米发电机电极材料不稳定不可拉伸的缺点，且无法满足可被制造成不同长度的不同用户需求的缺点。

本发明的另一个目的是要满足目前多功能可穿戴电子设备的供电需求。

本发明的有一个目的是要实现检测不同手指弯曲度以及识别数字手势主动式传感。

特别地，本发明提供了一种单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机，包括：

有机硅橡胶，其作为摩擦材料；

螺旋钢丝，形成在所述有机硅橡胶内，并从所述有机硅橡胶的一端延伸出，所述螺旋钢丝作为电极材料；

所述螺旋钢丝构造成与所述有机硅橡胶的杨氏模量相匹配。

可选地，所述可拉伸摩擦纳米发电机的结构为纤维状。

特别地，本发明还提供了一种上述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：

提供一中空模具；

将液体有机硅橡胶和固化剂的混合物注入所述中空模具中；

将螺旋钢丝插入所述混合物中；

将固化后的有机硅橡胶从所述中空模具中脱模，从而获得所述可拉伸摩擦纳米发电机。

可选地，所述液体有机硅橡胶和所述固化剂的体积比为1:40-60。

特别地，本发明还提供了一种可穿戴设备，包括由上述制备方法制备获得的可拉伸摩擦纳米发电机，所述可拉伸摩擦纳米发电机为所述可穿戴设备提供电能。

特别地，本发明还提供了一种主动型传感器，包括由上述制备方法制备获得的可拉伸摩擦纳米发电机，所述可拉伸摩擦纳米发电机用于将机械能转化为电能以输出电信号。

特别地，本发明还提供了一种智能手套，包括手掌部、手背部以及手指部，所述手指部具有多个指套，所述智能手套还包括与所述多个指套对应的多个上述的主动型传感器，所述主动型传感器用于检测所述智能手套内的手指动作，从而进行手势识别。

可选地，所述主动型传感器的数量至多与所述指套的数量保持一致。

可选地，所述主动型传感器从所述手指部的背面延伸至所述手背部，其中，所述手指部的背面与所述手背部处于同一面上。

本发明的方案，螺旋钢丝作为电极材料，由于钢丝电极的坚固性、连续导电性和几何结构，基于螺旋钢丝的摩擦纳米发电机具有高稳定性、可拉伸性和可定制的特性。并且，硅橡胶基底拉伸性能良好，经扭曲、弯曲或拉伸后，其性能保持不变，可以满足不同应用的要求，适合运用于可穿戴电子设备上。

此外，该基于螺旋钢丝的可拉伸纤维状摩擦纳米发电机从制备到应用，工作机理简单，工作过程无危险、无污染、成本低、效率高且对设备要求低，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。

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示出了根据本发明一个实施例的单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程图；

图3示出了根据本发明一个实施例的可拉伸摩擦纳米发电机在不同运动频率(0.5-2.5Hz)下的开路电压、短路电流以及短路电量的输出；

图4示出了根据本发明一个实施例的螺旋钢丝的几何结构图；

图5示出了根据本发明一个实施例的单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机在拉伸形变下的短路电流输出；

图6示出了根据本发明一个实施例的单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机在编织成织物时在不同的单电极接触分离运动频率(0.5-2.5Hz)下的开路电压、短路电流以及短路电量的输出；

图7示出了根据本发明一个实施例的由单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机编织成的织物在不同运动频率(0.5-2.5Hz)下充入商用电容(10μF)的充电曲线；

图8示出了根据本发明一个实施例的基于单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机的自驱动系统的示意性原理图；

图9示出了根据本发明一个实施例的智能手套监测到手指在不同弯折程度下的开路电压的输出；

图10示出了根据本发明一个实施例的智能手套监测到不同手指对应不同采集端的开路电压的输出；

图11示出了根据本发明一个实施例的智能手套监测到不同个数手指弯折的开路电压的输出。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机的示意性结构图。如图1所示，该可拉伸摩擦纳米发电机包括有机硅橡胶11和螺旋钢丝12。有机硅橡胶11作为摩擦材料。螺旋钢丝12作为电极材料，其形成在有机硅橡胶11内，并从有机硅橡胶11的一端延伸出。螺旋钢丝12构造成与有机硅橡胶11的杨氏模量相匹配。该可拉伸摩擦纳米发电机的结构为纤维状。

当皮肤与硅橡胶接触时，负摩擦电荷保持在硅橡胶表面上并在皮肤上产生正电荷。当与皮肤分离时，电子在短路条件下从导电螺旋钢丝12流到地面，并且在螺旋钢丝12中感应出正电荷。在皮肤离硅橡胶表面很远时，从螺旋钢丝12电极到地面的转移电荷达到最大值。然后，当肌肤再接触时，螺旋钢丝12中又会需要相反的电荷，从而产生相反的电流。

本发明的方案，螺旋钢丝12作为电极材料，由于钢丝电极的坚固性、连续导电性和几何结构，基于螺旋钢丝12的摩擦纳米发电机具有高稳定性、可拉伸性和可定制的特性。并且，硅橡胶基底拉伸性能良好，经扭曲、弯曲或拉伸后，其性能保持不变，可以满足不同应用的要求，适合运用于可穿戴电子设备上。

图2示出了根据本发明一个实施例的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程图。如图2所示，该制备方法包括：

步骤S100，提供一中空模具；

步骤S200，将液体有机硅橡胶和固化剂的混合物注入中空模具中；

步骤S300，将螺旋钢丝插入混合物中；

步骤S400，将固化后的有机硅橡胶从中空模具中脱模，从而获得可拉伸摩擦纳米发电机。

在步骤S100中，该中空模具可以是两个半圆管状的亚克力模具。

在步骤S200中，将液体有机硅橡胶和固化剂的混合物注入两个半圆管状的亚克力模具中，其中，液体有机硅橡胶和固化剂的体积比为1:40、1:50或1:60，也可以为1:40-60中任意体积比。

在步骤S300和步骤S400之间还包括将两个半圆管状的亚克力模具封装，并在室温下等待硅橡胶自然固化。

由上述步骤S100至上S400制备获得的可拉伸摩擦纳米发电机为纤维状。

上述制备过程操作简单，且可以为了满足不同用户需求可定制成不同长度，便于携带。

图3示出了根据本发明一个实施例的可拉伸摩擦纳米发电机在不同运动频率(0.5-2.5Hz)下的开路电压、短路电流以及短路电量的输出。如图3所示，随着运动频率从0.5增加到2.5Hz，开路电压(59.7V)和短路电量(23.7nC)的峰值保持几乎不变，而短路电流从0.84增加到2.67μA。

图4示出了根据本发明一个实施例的螺旋钢丝的几何结构图。该螺旋钢丝的杨氏模量可以通过改变其螺旋角度而改变，螺旋角度的相关公式为：

D＝D₂+d

其中，D是外径，D2是中径，t是轴向节距，α是螺旋角度和d是钢丝的直径，可使得螺旋钢丝具有较高的拉伸程度。

由于采用如图4所示的螺旋钢丝的几何结构，以及外层的硅橡胶均为柔性可拉伸材料，因此，该单个可拉伸摩擦纳米发电机可以拉伸到50％，由此可以克服人体运动时各种复杂环境导致的器件易被破坏的困难。图5示出了根据本发明一个实施例的单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机在拉伸形变下的短路电流输出。如图5所示，随着单根纤维的伸长，短路电流逐渐增大，并当器件恢复回原样时恢复到相同值。

特别地，本发明还提供了一种可穿戴设备，该可穿戴设备包括上述可拉伸摩擦纳米发电机，该可拉伸摩擦纳米发电机为可穿戴设备提供电能。

在一个实施例中，可以通过上述制备方法制备获得12个可拉伸摩擦纳米发电机，通过1×1的网状并联编织成可穿戴的织物。图6示出了根据本发明一个实施例的单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机在编织成织物时在不同的单电极接触分离运动频率(0.5-2.5Hz)下的开路电压、短路电流以及短路电量的输出。如图6所示，当运动频率从0.5Hz到2.5Hz时，短路电流从0.87μA上升到3.23μA，开路电压和短路电量没有变化，分别维持在121.8V和45.8nC，这与单个可拉伸摩擦纳米发电机相比具有更大的输出。图7示出了根据本发明一个实施例的由单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机编织成的织物在不同运动频率(0.5-2.5Hz)下充入商用电容(10μF)的充电曲线。如图7所示，在运动频率在2.5Hz时充电至2v需要约68秒，然后可驱动可穿戴的电子设备。

该可拉伸纤维状摩擦纳米发电机可以应用在手环和可穿戴织物上，用于驱动一系列便携式电子设备。

图8示出了根据本发明一个实施例的基于单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机的自驱动系统的示意性原理图。如图8所示，该自驱动系统包括上述的可拉伸摩擦纳米发电机1、整流桥2以及商用电容器3。皮肤与织物接触分离时产生的电能通过整流桥2，充入商用电容器3中。

特别地，本发明还提供了一种主动型传感器，包括由上述制备方法制备获得的可拉伸摩擦纳米发电机，可拉伸摩擦纳米发电机用于将机械能转化为电能以输出电信号。

特别地，本发明还提供了一种智能手套，包括手掌部、手背部以及手指部，手指部具有多个指套，智能手套还包括与多个指套对应的多个上述的主动型传感器，主动型传感器用于检测智能手套内的手指动作，从而进行手势识别。主动型传感器的数量至多与指套的数量保持一致。即，主动型传感器的数量少于或等于指套的数量。该主动型传感器从手指部的背面延伸至手背部，其中，手指部的背面与手背部处于同一面上。

在一个实施例中，将通过上述制备方法制备获得五个可拉伸摩擦纳米发电机分别缝在对应于五个手指位置的手套背面，构建为智能手套，用于监测手势。

图9示出了根据本发明一个实施例的智能手套监测到手指在不同弯折程度下的开路电压的输出。当手指弯曲和松开时，皮肤与纤维的接触面积同时增大和减小，因此，实时电压可以指示测试人员的不同姿态，如图9所示。与小角度弯曲相比，大角度弯曲会导致接触面积增大，因此，大角度弯曲得到的要远远高于小角度弯曲采集到的输出电压。

图10示出了根据本发明一个实施例的智能手套监测到不同手指对应不同采集端的开路电压的输出。将上述五个可拉伸摩擦纳米发电机分别连接到五个信号采集终端时，将五个手指依次从大拇指弯曲至小指，采集电压信号并传输到计算机能有效识别弯曲时的真实手指，可以获得如图10所示的开路电压的输出。

图11示出了根据本发明一个实施例的智能手套监测到不同个数手指弯折的开路电压的输出。如图11所示，随着而弯曲的手指数量的增加，这个智能手套的开路电压从3V增加到9V、14V、20V和32V，进一步验证其可用于识别不同的手势。

由于被动式传感需要外加电源，才能输出电信号，而主动式传感不需要外加电源。因此，本发明基于螺旋钢丝的纤维状摩擦纳米发电机可以应用于智能手套，在不同手指弯曲时对应不同信号采集端输出电信号，以监控手势的运动，通过分析相应的电压信号，可以识别不同手指，不同的手指弯曲角度和数字手势。

此外，该基于螺旋钢丝的可拉伸纤维状摩擦纳米发电机从制备到应用，工作机理简单，工作过程无危险、无污染、成本低、效率高且对设备要求低，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。

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 (9)

1.一种单电极模式的可拉伸摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

有机硅橡胶，其作为摩擦材料；

螺旋钢丝，形成在所述有机硅橡胶内，并从所述有机硅橡胶的一端延伸出，所述螺旋钢丝作为电极材料；

所述螺旋钢丝构造成与所述有机硅橡胶的杨氏模量相匹配。

2.根据权利要求1所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其特征在于，所述可拉伸摩擦纳米发电机的结构为纤维状。

3.一种如权利要求1-2中任一项所述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一中空模具；

将液体有机硅橡胶和固化剂的混合物注入所述中空模具中；

将螺旋钢丝插入所述混合物中；

将固化后的有机硅橡胶从所述中空模具中脱模，从而获得所述可拉伸摩擦纳米发电机。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述液体有机硅橡胶和所述固化剂的体积比为1:40-60。

5.一种可穿戴设备，其特征在于，包括由权利要求3-4的制备方法制备获得的可拉伸摩擦纳米发电机，所述可拉伸摩擦纳米发电机为所述可穿戴设备提供电能。

6.一种主动型传感器，其特征在于，包括由权利要求3-4的制备方法制备获得的可拉伸摩擦纳米发电机，所述可拉伸摩擦纳米发电机用于将机械能转化为电能以输出电信号。

7.一种智能手套，其特征在于，包括手掌部、手背部以及手指部，所述手指部具有多个指套，所述智能手套还包括与所述多个指套对应的多个如权利要求6所述的主动型传感器，所述主动型传感器用于检测所述智能手套内的手指动作，从而进行手势识别。

8.根据权利要求7所述的智能手套，其特征在于，所述主动型传感器的数量至多与所述指套的数量保持一致。

9.根据权利要求8所述的智能手套，其特征在于，所述主动型传感器从所述手指部的背面延伸至所述手背部，其中，所述手指部的背面与所述手背部处于同一面上。