CN110086373B - 一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法，涉及能量收集技术、微电子机械系统及呼吸监测领域，通过将摩擦纳米发电机设置为一端粘合固定，另一端可随气流摆动的仿生贝壳式结构，能够使呼吸行为的驱动幅度更大，有利于提高呼吸监测的灵敏度，可充分利用呼吸气流微能量实现自供能呼吸行为监测，相比于传统的呼吸监测传感器，不需要外部供电系统，与此同时，本发明具有结构简单、输出信号稳定、携带方便、对材料要求低、加工成本低、可大批量生产、易于安装等诸多优点，在呼吸监测领域具有较大的应用前景。

Description

一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统及呼吸监测领域，具体涉及一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

呼吸作为人体重要的生理过程，是衡量人体生命体征最基本的生理指标之一，由于呼吸诊断具有连续性、非侵入性、舒适性以及人性化等优点，呼吸监测在人类健康管理或早期疾病筛查等许多研究领域已有初步研究。通常，可通过实时监测不同呼吸行为下传感器输出电学信号的改变实现对人体生命体征的实时监测。然而，传统呼吸传感器对外部电源的供电依赖不仅增大了能源消耗且加剧了电池使用所带来的环境污染。因此，开发不受外界因素限制且可无限量实时供给的便携式自供能呼吸监测传感器技术十分重要。

摩擦纳米发电机基于摩擦起电与静电感应的耦合作用，可广泛收集环境中各种形式的微能源，如风能、人体运动机械能或海洋能等，并将其转化为电信号输出。呼吸气流本身作为一种微能量，可通过设计合适的发电机结构实现易于呼吸气流自驱动的自供能呼吸监测传感器制备，实现无需外部电源的自发自主呼吸行为监测，这类呼吸气流自驱动的呼吸监测传感器突破了传统柔性传感器局限，为实现柔性可穿戴的无创呼吸监测开创了新途径，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法，解决传统呼吸传感器对外部电源的供电依赖大、能耗大，无法实现自供能呼吸行为监测的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，包括摩擦电极序不同的摩擦材料一和摩擦材料二，还包括绝缘层和用于导电的电极层，所述绝缘层的上方或下方同时设有摩擦材料一和摩擦材料二，所述摩擦材料一与摩擦材料二的一端连接，所述摩擦材料一与摩擦材料二之间设有5～20°的夹角，所述夹角的张角方向呼吸出气口相对，所述摩擦材料一与摩擦材料二的非连接处可分离、接触及摩擦，所述电极层设于摩擦材料一且远离摩擦材料二的一面上。

本发明的工作原理：呼气流由夹角的张角方向进入时，摩擦材料一和摩擦材料二之间的夹角受气流作用变大，当吸气时，气流作用力消失，摩擦材料一和摩擦材料二逐渐靠近至接触，由于摩擦材料一和摩擦材料二为摩擦电极序不同的材料，得电子能力较强的材料将从得电子能力较弱的材料上吸引电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷，再次呼气，在气流作用下，摩擦材料一和摩擦材料二再次远离，两种材料相互分离，两接触面之间将会产生电势差，电极层将产生感应电荷以屏蔽静电电势差；当摩擦材料一和摩擦材料二的夹角达到最大，电极层上的感应电荷密度将达到最大；吸气过程，摩擦材料一和摩擦材料二再次靠近，电子反向流动；因此，在呼吸过程中，摩擦材料一和摩擦材料二将不断地相互远离-靠近，通过导线连接电极层，将电信号输出至静电计进行数据采集，通过移动终端观测摩擦纳米发电机的输出波形以实现自供能呼吸行为监测。

进一步地，所述绝缘层的上方同时设有摩擦材料一和摩擦材料二，且所述绝缘层的下方同时也设有摩擦材料一和摩擦材料二，上下两层所述摩擦材料一且远离摩擦材料二的一面上分别设置有电极层。

进一步地，所述绝缘层的上表面和下表面均分别设有电极层，位于绝缘层上表面的电极层的上表面上和位于绝缘层下表面的电极层的下表面上分别设置有摩擦材料一，上下层的摩擦材料一的同一端分别的相应与摩擦材料二连接，相连接的所述摩擦材料一与摩擦材料二之间设有5～20°的夹角，上下层所述摩擦材料二的弯曲角度类似贝壳形状。

进一步地，所述绝缘层的上表面和下表面分别设有摩擦材料二，上下层所述摩擦材料二之间设有夹角一，上层所述摩擦材料二的上表面的一端连接有摩擦材料一，下层所述摩擦材料二的下表面且与上层所述摩擦材料二相同的一端也设置有摩擦材料一，每一层所述摩擦材料一且远离摩擦材料二的一面上分别设置有电极层，相连接的所述摩擦材料一与摩擦材料二之间设有5～20°的夹角二。

进一步地，所述电极层呈薄片结构，所述电极层为铝箔电极、铜箔电极或在柔性有机薄膜材料表面蒸镀电极，蒸镀电极的材料为铝、镍、铜、银或金，有机薄膜材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺，所述电极层的厚度范围为200nm～10μm。

进一步地，所述摩擦材料一为具有摩擦正极性的薄膜材料，其材质为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚酰亚胺；所述摩擦材料二为具有摩擦负极性的材料，其材质为尼龙或纸张。

进一步地，还包括封装腔，所述仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的贝壳形状的常闭端固定于封装腔的内部，所述封装腔的张角方向与呼吸出气口相对，所述封装腔的材质设为塑料，形状为方形或者三角锥形。

一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

①取一柔性有机薄膜作为绝缘层材料，经去离子水清洗并干燥；

②取一片摩擦材料一，在摩擦材料一的一端的上表面或下表面倾斜的粘贴一片摩擦电极序不同的摩擦材料二，使摩擦材料一与摩擦材料二之间的夹角角度为5～20°；

③在具有摩擦正极性的摩擦材料一远离摩擦材料二的一面粘贴一层用于导电的电极层；

④将摩擦材料一或摩擦材料二粘贴在绝缘层的上表面或者下表面，即得到仿生贝壳式摩擦纳米发电机。

基于摩擦纳米发电机的自供能呼吸行为监测系统，所述呼吸行为监测系统包括封装于封装腔内的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机、安装于封装腔的进气口端的面罩，与所述电极层引出的导线、与导线的另一端连接的静电计以及用于数据处理的终端。

基于摩擦纳米发电机的自供能呼吸行为监测系统的组装方法，包括以下步骤：

A.将得到的仿生贝壳式摩擦纳米发电机安装在封装腔内，并使摩擦材料一与摩擦材料二之间的夹角的顶角固定于封装腔的内部，夹角的开口方向与封装腔的进气口端相对；

B.将面罩的出气口端安装在封装腔的进气口端；

C.从仿生贝壳式摩擦纳米发电机的电极层引出导线穿过封装腔，导线的另一端与静电计连接，静电计与用于数据处理的终端连接，即完成系统组装。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用将摩擦纳米发电机设置为一端粘合固定，另一端可随气流摆动的仿生贝壳式结构，能够使呼吸行为的驱动幅度更大，有利于提高呼吸监测的灵敏度，可充分利用呼吸气流微能量实现自供能呼吸行为监测，相比于传统的呼吸监测传感器，不需要外部供电系统，与此同时，本发明具有结构简单、输出信号稳定、携带方便、对材料要求低、加工成本低、可大批量生产、易于安装等诸多优点，在呼吸监测领域具有较大的应用前景。

本发明与现有的技术相比，人体佩戴组装有仿生贝壳式摩擦纳米发电机的面罩，呼吸过程中呼气流通过面罩出气口进入封装腔，改变摩擦材料一与摩擦材料二之间的夹角角度，使得摩擦材料一与摩擦材料二之间不断接触-分离，在电极层上形成感应电荷，从而在外部电路产生交变输出。不同人体呼吸行为驱动下，电极层输出电信号不同，从而实现人体呼吸自驱动监测。

呼吸气流本身作为一种微能量，可通过仿生贝壳式摩擦纳米发电机实现呼吸气流自驱动的自供能呼吸监测传感器制备，实现无需外部电源的自发自主呼吸行为监测，突破了传统柔性传感器局限，为实现柔性可穿戴的无创呼吸监测开创了新途径，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所提供的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为本发明所提供的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机基本工作原图：

(a)-摩擦材料一与摩擦材料二间的夹角最小，摩擦材料一和摩擦材料二带等量异号的电荷，即摩擦电荷图；

(b)-呼气过程，摩擦材料一与摩擦材料二间的夹角变大，产生电势差，电极层产生感应电荷以屏蔽静电电势差图；

(c)-摩擦材料一与摩擦材料二间的夹角最大，电极层的感应电荷密度达到最大图；

(d)-吸气过程，摩擦材料一与摩擦材料二间的夹角变小，电子反向流动图。

图3为本发明所提供的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机对不同呼吸行为的实时监测图；

图4为本发明所提供的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机对一分钟内人体呼吸频次的实时监测图；

图5为本发明实施例3中所提供的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的结构示意图。

图中标记为：1-面罩、2-摩擦材料二、3-摩擦材料一、4-电极层、5-绝缘层、6-封装腔、7-引线、8-静电计、9-终端；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1～图5，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做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1

一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，包括摩擦电极序不同的摩擦材料一3和摩擦材料二2，还包括绝缘层5和用于导电的电极层4，所述绝缘层5的上方或下方同时设有摩擦材料一3和摩擦材料二2，所述摩擦材料一3与摩擦材料二2的一端连接，并设于绝缘层5的上方或下方，所述摩擦材料一3与摩擦材料二2之间设有5～20°的夹角，所述夹角的张角方向呼吸出气口相对，所述摩擦材料一3与摩擦材料二2的非连接处可分离、接触及摩擦，所述电极层4设于摩擦材料一3且远离摩擦材料二2的一面上。

本发明的工作原理：呼气流由夹角的张角方向进入时，摩擦材料一3和摩擦材料二2之间的夹角受气流作用变大，当吸气时，气流作用力消失，摩擦材料一3和摩擦材料二2逐渐靠近至接触，由于摩擦材料一3和摩擦材料二2为摩擦电极序不同的材料，得电子能力较强的材料将从得电子能力较弱的材料上吸引电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷，如图2(a)；再次呼气，在气流作用下，摩擦材料一3和摩擦材料二2再次远离，两种材料相互分离，两接触面之间将会产生电势差，电极层4将产生感应电荷以屏蔽静电电势差，如图2(b)；当摩擦材料一3和摩擦材料二2的夹角达到最大，电极层4上的感应电荷密度将达到最大，如图2(c)；吸气过程，摩擦材料一3和摩擦材料二2再次靠近，电子反向流动，如图2(d)；因此，在呼吸过程中，摩擦材料一3和摩擦材料二2将不断地相互远离-靠近，通过导线连接电极层4，将电信号输出至静电计8进行数据采集，通过移动终端9观测摩擦纳米发电机的输出波形以实现自供能呼吸行为监测，人体呼吸行为实时监测结果可参照图3和图4中的测试数据。

通过将摩擦纳米发电机设置为一端粘合固定，另一端可随气流摆动的仿生贝壳式结构，能够使呼吸行为的驱动幅度更大，有利于提高呼吸监测的灵敏度，可充分利用呼吸气流微能量实现自供能呼吸行为监测，相比于传统的呼吸监测传感器，不需要外部供电系统，与此同时，本发明具有结构简单、输出信号稳定、携带方便、对材料要求低、加工成本低、可大批量生产、易于安装等诸多优点，在呼吸监测领域具有较大的应用前景。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，进一步地，如图1，所述绝缘层5采用PET材质，所述绝缘层5的上方同时设有摩擦材料一3和摩擦材料二2，且所述绝缘层5的下方同时也设有摩擦材料一3和摩擦材料二2，所述摩擦材料一3采用尼龙薄膜材质，所述摩擦材料二2采用聚四氟乙烯薄膜材质，所述绝缘层5的上表面和下表面均分别设有电极层4，所述电极层4采用铝箔材质，位于绝缘层5上表面的电极层4的上表面上和位于绝缘层5下表面的电极层4的下表面上分别设置有摩擦材料一3，上下层的摩擦材料一3的同一端分别的相应与摩擦材料二2连接，相连接的所述摩擦材料一3与摩擦材料二2之间设有5～20°的夹角，上下层所述摩擦材料二2的弯曲角度类似贝壳形状。

本实施例的绝缘层5上方的摩擦材料一3与摩擦材料二2之间和绝缘层5下方的摩擦材料一3与摩擦材料二2之间，在呼吸作用均会发生电荷转移，较之实施例1的结构来说，能够进一步地增大仿生贝壳式摩擦纳米发电机的输出电压，有利于提高呼吸监测的灵敏度和精确度。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，进一步地，如图5，所述绝缘层5的上表面和下表面分别设有摩擦材料二2，所述绝缘层5采用有机薄膜材质，所述摩擦材料一3采用尼龙薄膜材质，所述摩擦材料二2采用聚四氟乙烯薄膜材质，上下层所述摩擦材料二2之间设有夹角一，上层所述摩擦材料二2的上表面的一端连接有摩擦材料一3，下层所述摩擦材料二2的下表面且与上层所述摩擦材料二2相同的一端也设置有摩擦材料一3，每一层所述摩擦材料一3且远离摩擦材料二2的一面上分别设置有电极层4，相连接的所述摩擦材料一3与摩擦材料二2之间均分别设有5～20°的夹角二。当呼吸气流通入，在气流作用下上下层摩擦材料二2将分别向上和向下运动，逐渐靠近上下两个摩擦材料一3，从而产生电信号输出。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上，进一步地，还包括封装腔，所述仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的贝壳形状的常闭端固定于封装腔的内部，所述封装腔的张角方向与呼吸出气口相对，所述封装腔的材质设为塑料，形状为长方体形(如图1)或者三棱柱形(如图5)，以对仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机起到支撑和防护作用。

实施例5

一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

①取一片长3cm、宽1cm、厚度约为0.1mm柔性有机薄膜作为绝缘层5材料，经去离子水清洗并干燥；

②取一片厚度0.15mm的PTFE薄膜作为摩擦材料一3，仿照贝壳形状在摩擦材料一3的一端的上表面或下表面粘贴摩擦电极序不同的厚度100μm的尼龙薄膜材质的摩擦材料二2，使摩擦材料一3与摩擦材料二2之间的夹角角度为5～20°；

③在PTFE薄膜材质的摩擦材料一3远离尼龙薄膜材质的摩擦材料二2的一面粘贴一层用于导电的铝箔电极层4；

④将步骤③中粘贴有铝箔电极层4的摩擦材料一3或粘贴在绝缘层5的上表面，即得到仿生贝壳式摩擦纳米发电机。

实施例6

基于摩擦纳米发电机的自供能呼吸行为监测系统，所述呼吸行为监测系统包括仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机、安装于封装腔6的进气口端的面罩1，与所述电极层4引出的导线、与导线的另一端连接的静电计8以及用于数据处理的终端9。

基于摩擦纳米发电机的自供能呼吸行为监测系统的组装方法，包括以下步骤：

A.将得到的仿生贝壳式摩擦纳米发电机安装在封装腔6内，并使摩擦材料一3与摩擦材料二2之间的夹角的顶角固定于封装腔6的内部，夹角的开口方向与封装腔6的进气口端相对；

B.将面罩1的出气口端安装在封装腔6的进气口端；

C.从仿生贝壳式摩擦纳米发电机的电极层4引出导线穿过封装腔6，导线的另一端与静电计8连接，静电计8与用于数据处理的终端9连接，即完成系统组装。

呼吸气流通过面罩1的出气口端进入封装腔6内，改变摩擦材料一3与摩擦材料二2之间的夹角大小，摩擦材料一3与摩擦材料二2不断接触-分离，改变输出电信号，并通过电极层4和导线传递到静电计8，通过静电计8进行数据采集，并通过与静电计8连接的终端9进行数据处理，并以图像的形式反映出来。

本发明与现有的技术相比，人体佩戴组装有仿生贝壳式摩擦纳米发电机的面罩，呼吸过程中呼气流通过面罩1出气口进入封装腔6，改变摩擦材料一3与摩擦材料二2之间的夹角角度，使得摩擦材料一3与摩擦材料二2之间不断接触-分离，在电极层4上形成感应电荷，从而在外部电路产生交变输出。不同人体呼吸行为驱动下，电极层4输出电信号不同，从而实现人体呼吸自驱动监测。

呼吸气流本身作为一种微能量，可通过仿生贝壳式摩擦纳米发电机实现呼吸气流自驱动的自供能呼吸监测传感器制备，实现无需外部电源的自发自主呼吸行为监测，突破了传统柔性传感器局限，为实现柔性可穿戴的无创呼吸监测开创了新途径，具有广阔的应用前景。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (8)

1.一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，包括摩擦电极序不同的摩擦材料一(3)和摩擦材料二(2)，其特征在于，还包括绝缘层(5)和用于导电的电极层(4)，所述绝缘层(5)的上方和下方同时设有摩擦材料一(3)和摩擦材料二(2)，所述摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)的一端连接，所述摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)之间设有5～20°的夹角，所述夹角的张角方向与呼吸出气口相对，所述摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)的非连接处可分离、接触及摩擦，所述电极层(4)设于摩擦材料一(3)且远离摩擦材料二(2)的一面上；

上下两层所述摩擦材料一(3)且远离摩擦材料二(2)的一面上分别设置有电极层(4)；

所述绝缘层(5)的上表面和下表面均分别设有电极层(4)，位于绝缘层(5)上表面的电极层(4)的上表面上和位于绝缘层(5)下表面的电极层(4)的下表面上分别设置有摩擦材料一(3)，上下层的摩擦材料一(3)的同一端分别的相应与摩擦材料二(2)连接，相连接的所述摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)之间设有5～20°的夹角，上下层所述摩擦材料二(2)的弯曲角度类似贝壳形状。

2.根据权利要求1所述的一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，其特征在于，所述绝缘层(5)的上表面和下表面分别设有摩擦材料二(2)，上下层所述摩擦材料二(2)之间设有夹角一，上层所述摩擦材料二(2)的上表面的一端连接有摩擦材料一(3)，下层所述摩擦材料二(2)的下表面且与上层所述摩擦材料二(2)相同的一端也设置有摩擦材料一(3)，每一层所述摩擦材料一(3)且远离摩擦材料二(2)的一面上分别设置有电极层(4)，相连接的所述摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)之间设有5～20°的夹角二。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电极层(4)呈薄片结构，所述电极层(4)为铝箔电极、铜箔电极或在柔性有机薄膜材料表面蒸镀电极，蒸镀电极的材料为铝、镍、铜、银或金，有机薄膜材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺，所述电极层(4)的厚度范围为200nm～10μm。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦材料一(3)为具有摩擦正极性的薄膜材料，其材质为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚酰亚胺；所述摩擦材料二(2)为具有摩擦负极性的材料，其材质为尼龙或纸张。

5.根据权利要求1所述的一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括封装腔(6)，所述仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的贝壳形状的常闭端固定于封装腔(6)的内部，所述封装腔(6)的张角方向与呼吸出气口相对，所述封装腔(6)的材质设为塑料，形状为方形或者三角锥形。

6.基于权利要求1-5任一项所述一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①取一柔性有机薄膜作为绝缘层(5)材料，经去离子水清洗并干燥；

②取一片摩擦材料一(3)，在摩擦材料一(3)的一端的上表面或下表面倾斜的粘贴一片摩擦电极序不同的摩擦材料二(2)，使摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)之间的夹角角度为5～20°；

③在具有摩擦正极性的摩擦材料一(3)远离摩擦材料二(2)的一面粘贴一层用于导电的电极层(4)；

④将摩擦材料一(3)或摩擦材料二(2)粘贴在绝缘层(5)的上表面和下表面，即得到仿生贝壳式摩擦纳米发电机。

7.基于权利要求1-5任一项所述一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的自供能呼吸行为监测系统，其特征在于，所述呼吸行为监测系统包括封装于封装腔(6)内的仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机、安装于封装腔(6)的进气口端的面罩(1)，与所述电极层(4)引出的导线(7)、与导线(7)的另一端连接的静电计(8)以及用于数据处理的终端(9)。

8.基于权利要求7所述一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机的自供能呼吸行为监测系统的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将得到的仿生贝壳式摩擦纳米发电机安装在封装腔(6)内，并使摩擦材料一(3)与摩擦材料二(2)之间的夹角的顶角固定于封装腔(6)的内部，夹角的开口方向与封装腔(6)的进气口端相对；

B.将面罩(1)的出气口端安装在封装腔(6)的进气口端；

C.从仿生贝壳式摩擦纳米发电机的电极层(4)引出导线(7)穿过封装腔(6)，导线(7)的另一端与静电计(8)连接，静电计(8)与用于数据处理的终端(9)连接，即完成系统组装。

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