CN110310470B - 一种滑动静电式波纹网状集成控制装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滑动静电式波纹网状集成控制装置及制备方法，所述控制装置包括固定层和活动层，固定层包括底层支撑壳体和固定在底层支撑壳体内的中间层波纹网状集成式静电内芯，中间层波纹网状集成式静电内芯包括木质纤维素基底和印刷粘附于木质纤维素基底上的波纹网状静电层，波纹网状静电层的图案包含控制信息，活动层包括顶层电极拨片，顶层电极拨片与波纹网状静电层的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号。本发明可以实现自驱动一对多设备控制，解决了现有遥控、设备、开关各自独立且耗能巨大的问题，具有结构简单、成本低、能耗少、寿命长、易量产、功能易扩展和易于推广的优势。

Description

一种滑动静电式波纹网状集成控制装置及制备方法
技术领域
本发明涉及微纳传感物联网智能控制领域，特别涉及一种滑动静电式波纹网状集成控制装置及制备方法。
背景技术
近年来，随着物联网传感技术的不断发展，各类智能终端不断落地孵化走进普通用户的生活。作为物联网基础层的各类传感器收集着海量信息的同时也消耗大量的能源。集成的控制平台对于工业物联网领域精准快速控制起着至关重要作用。
在日常家居应用场景中，用户使用着多种可遥控的家电设备，但是四处散落众多的传统遥控器因其之间相互独立性给用户带来了多重困扰，包括难以区分与快速寻找，电池闲置与需经常更换，因此造成了材料及各类元器件的浪费。在供能方式上，传统遥控器需一节或多节的一次性电池驱动，电池巨大的用量、分散性及其供能不可持续性造成了电池精准分类回收难度加大及造成严重水土污染，同时遥控器的闲置又造成大量电能的浪费。
因此，寻找低成本、低耗能、高集成化、门槛低、易扩展的万能遥控系统成为解决亿万家用电器遥控的迫切需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种滑动静电式波纹网状集成控制装置及制备方法，利用静电感应效应，实现机械能向电能的转化，突破传统遥控的能耗大与分散性的弊端，实现智能设备集成控制。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种滑动静电式波纹网状集成控制装置，包括固定层和活动层，所述固定层包括底层支撑壳体和固定在所述底层支撑壳体内的中间层波纹网状集成式静电内芯，所述中间层波纹网状集成式静电内芯包括木质纤维素基底和印刷粘附于所述木质纤维素基底上的波纹网状静电层，所述波纹网状静电层的图案包含控制信息，所述活动层包括顶层电极拨片，所述顶层电极拨片与所述波纹网状静电层的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号。
优选地，所述波纹网状静电层的图案包括第一静电图案和第二静电图案，所述第一静电图案为单圆弧静电图案，所述第二静电图案为平行双圆弧组合静电图案，所述第一静电图案和所述第二静电图案交替排列共用一个圆心，并以逐层图案长度减半的方式向半径方向进行n级扩展，n级扩展的波纹网状静电层包含2n个控制单元，其中每个控制单元所占角度为360°/2n，第k个控制单元所占角度范围为{360°(k-1)/2n～360°k/2n}，k、n为自然数。
优选地，所述第二静电图案中双圆弧的间距与单个圆弧的宽度比值在0-5范围内，沿半径方向相邻的所述第一静电图案与所述第一静电图案之间、所述第一静电图案与所述第二静电图案之间、所述第二静电图案与所述第二静电图案之间的间距为单个圆弧宽度的1.5倍及以上。
优选地，所述第一静电图案和所述第二静电图案中单个圆弧的宽度范围为0-20mm。
优选地，当所述顶层电极拨片划过所述波纹网状静电层时，与所述第一静电图案激励出单峰信号，与所述第二静电图案激励出连续双峰信号，所述滑动静电式波纹网状集成控制装置还包括信号处理模块，所述信号处理模块用于将所述第一静电图案激励的单峰信号识别为二进制码1，将所述第二静电图案激励的连续双峰信号识别为二进制码0，并根据生成的二进制码组合来控制2n个控制单元。
优选地，所述波纹网状静电层为接触带负电的聚四氟乙烯光固化油墨膜，所述顶层电极拨片为接触带正电的金属电极拨片。
优选地，所述金属电极拨片中的金属为钛、银、金、铂、铝、铬、铜、铁、钒、锡、钨中的任意一种，或为上述金属的合金。
优选地，所述顶层电极拨片由冲压弯折而成，宽度为所述波纹网状静电层中单个圆弧宽度的0-10倍。
本发明的实施例还提供一种滑动静电式波纹网状集成控制装置的制备方法，包括以下步骤：
在木质纤维素基底上制作波纹网状静电层，形成中间层波纹网状集成式静电内芯；
将所述中间层波纹网状集成式静电内芯固定在底层支撑壳体中；
在所述中间层波纹网状集成式静电内芯上方安装顶层电极拨片；
其中，所述波纹网状静电层的图案包含控制信息，所述顶层电极拨片与所述波纹网状静电层的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号。
优选地，所述波纹网状静电层为接触带负电的聚四氟乙烯光固化油墨膜，所述制作波纹网状静电层的步骤包括：
将200-3000目聚四氟乙烯微蜡粉加入UV固化油墨中搅拌，微蜡粉含量为0-30份，并加入0-10％异丙醇、0-5份N,N-二甲基甲酰胺形成均匀溶液；
将配好的溶液印刷于木质纤维素基底上获得波纹网状聚四氟乙烯油墨薄膜，并在395nm波长的UV光下进行固化处理。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)提出一种波纹网状集成控制方式，集多种家居遥控为一体，具有成本低、耗能低、效率高、重量轻、易于扩展等优势。
(2)构建一种波纹网状n级扩展的集成控制界面，利用两种材料间静电效应，使接触表面带静电产生电信号，两种信号n级排列为2n种控制单元，实现自驱动一对多设备控制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的滑动静电式波纹网状集成控制装置的截面示意图；
图2为本发明实施例中波纹网状静电层的平面示意图；
图3为本发明实施例提供的滑动静电式波纹网状集成控制装置的工作流程示意图；
图4为本发明实施例提供的滑动静电式波纹网状集成控制装置产生的滑动电信号及人机界面示意图；
图5为本发明实施例中n＝4时的控制示意图。
图中：1-底层支撑壳体；2-木质纤维素基底；3-波纹网状静电层；4-顶层电极拨片；5-信号处理模块；301-第一静电图案；302-第二静电图案。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例首先提供了一种滑动静电式波纹网状集成控制装置，如图1所示，所述控制装置包括固定层和活动层，固定层包括底层支撑壳体1和固定在底层支撑壳体1内的中间层波纹网状集成式静电内芯，中间层波纹网状集成式静电内芯包括木质纤维素基底2和印刷粘附于木质纤维素基底2上的波纹网状静电层3，波纹网状静电层3的图案包含控制信息，活动层包括顶层电极拨片4，通过绝缘支撑部件安装在波纹网状静电层3上方，顶层电极拨片4与波纹网状静电层3的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号。
其中，中间层波纹网状集成式静电内芯是本发明控制装置具备自驱动、高灵敏、集成多重控制信息的核心部件。顶层电极拨片4与波纹网状静电层3电负性差值大且相反，两者接触滑动时因两种不同材料间存在静电效应和有规律的电荷转移，输出为静电交流电流信号和/或静电交流电压信号，这类电信号包含的控制信息与波纹网状静电层3的图案相关，经采集转化处理后执行相关控制指令。
进一步地，如图2所示，波纹网状静电层3的图案包括第一静电图案301和第二静电图案302，第一静电图案301为单圆弧静电图案，第二静电图案302为平行双圆弧组合静电图案，第一静电图案301和第二静电图案302交替排列共用一个圆心，并以逐层图案长度减半的方式向半径方向进行n级扩展，n级扩展的波纹网状静电层包含2n个控制单元，其中每个控制单元所占角度为360°/2n，第k个控制单元所占角度范围为{360°(k-1)/2n～360°k/2n}，k、n为自然数。
例如在图2中n＝4，包括16个控制单元，每个控制单元所占角度为22.5°。
在本发明中，n取决于波纹网状静电层图案向半径方向扩展的层级数目，由于波纹网状静电层图案是基于两种基础图案以2的指数形式向不断向半径方向衍生分化扩展而形成，因此可产生2n种电信号波形，经采集转化处理可产生2n种控制命令。
当顶层电极拨片4划过波纹网状静电层3中单个控制单元时，激发出一串有n个电流或电压波形的电信号，并将电信号进行采集转化及处理来控制单个控制单元。这里的控制单元可以是开关。
优选地，302第二静电图案中双圆弧的间距与单个圆弧的宽度比值在0-5范围内，沿半径方向相邻的第一静电图案301与第一静电图案301之间、第一静电图案301与第二静电图案302之间、第二静电图案302与第二静电图案302之间的间距为单个圆弧宽度的1.5倍及以上。
优选地，第一静电图案301和第二静电图案302中单个圆弧的宽度范围为0-20mm。
优选地，当第一静电图案301和第二静电图案302中的各个圆弧的宽度相同，相邻的两种图案间距为单个圆弧宽度4倍及以上，并且单个圆弧宽度与双圆弧间距比为1:1时效果最佳。
在本发明实施例中，当顶层电极拨片4划过波纹网状静电层3时，与第一静电图案301激励出单峰信号，与第二静电图案302激励出连续双峰信号，单双峰信号的产生为自驱动形式。如图3所示，所述滑动静电式波纹网状集成控制装置还包括信号处理模块5，信号处理模块5用于将第一静电图案301激励的单峰信号识别为二进制码1，将第二静电图案302激励的连续双峰信号识别为二进制码0，并根据生成的二进制码组合来控制2n个控制单元。
具体地，本发明所述控制装置将波纹网状静电层3包含的2n种图案信息转化为2n种电信号波形，再转化为2n种二进制码组合来控制2n种控制单元或开关。图4为所述控制装置产生的滑动电信号及人机界面示意图，在n＝4的情况下，4位二进制码0100控制其中一个开关打开。
优选地，波纹网状静电层3为接触带负电的聚四氟乙烯光固化油墨膜，顶层电极拨片4为接触带正电的金属电极拨片，具有信噪比高的优点。
所述金属电极拨片中的金属为钛、银、金、铂、铝、铬、铜、铁、钒、锡、钨中的任意一种，或为上述金属的合金。
优选地，顶层电极拨片4由冲压弯折而成，宽度为波纹网状静电层3中单个圆弧宽度的0-10倍。
图5为本发明实施例中n＝4时的控制示意图，图中单圆弧宽度为2.5mm，沿半径方向相邻图案间的间距为10mm，能够控制4种家用电器共16种家用开关，可用于智能家居领域。
相应地，本发明的实施例还提供了一种滑动静电式波纹网状集成控制装置的制备方法，包括以下步骤：
在木质纤维素基底上制作波纹网状静电层，形成中间层波纹网状集成式静电内芯；
将中间层波纹网状集成式静电内芯固定在底层支撑壳体中；
在中间层波纹网状集成式静电内芯上方安装顶层电极拨片；
其中，所述波纹网状静电层的图案包含控制信息，所述顶层电极拨片与所述波纹网状静电层的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号。
进一步地，波纹网状静电层为接触带负电的聚四氟乙烯光固化油墨膜，所述制作波纹网状静电层的步骤包括：
将200-3000目聚四氟乙烯(PTFE)微蜡粉加入RC PRP系列UV固化油墨中高速搅拌，微蜡粉含量为0-30份，并加入0-10％异丙醇、0-5份N,N-二甲基甲酰胺形成降低浓度的均匀溶液；
将配好的溶液印刷于木质纤维素基底上获得波纹网状聚四氟乙烯(PTFE)油墨薄膜，并在395nm波长的UV光下进行固化处理。
本发明提供的集成控制装置可以实现自驱动一对多设备控制，解决了现有遥控、设备、开关各自独立且耗能巨大的问题，具有结构简单、成本低、能耗少、寿命长、易量产、功能易扩展和易于推广的优势。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，包括固定层和活动层，所述固定层包括底层支撑壳体和固定在所述底层支撑壳体内的中间层波纹网状集成式静电内芯，所述中间层波纹网状集成式静电内芯包括木质纤维素基底和印刷粘附于所述木质纤维素基底上的波纹网状静电层，所述波纹网状静电层的图案包含控制信息，所述活动层包括顶层电极拨片，所述顶层电极拨片与所述波纹网状静电层的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号；
所述波纹网状静电层的图案包括第一静电图案和第二静电图案，所述第一静电图案为单圆弧静电图案，所述第二静电图案为平行双圆弧组合静电图案，所述第一静电图案和所述第二静电图案交替排列共用一个圆心，并以逐层图案长度减半的方式向半径方向进行n级扩展，n级扩展的波纹网状静电层包含2n个控制单元，其中每个控制单元所占角度为360°/2n，第k个控制单元所占角度范围为{360°(k-1)/2n～360°k/2n}，k、n为自然数。
2.根据权利要求1所述的滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，所述第二静电图案中双圆弧的间距与单个圆弧的宽度比值大于0小于等于5，沿半径方向相邻的所述第一静电图案与所述第一静电图案之间、所述第一静电图案与所述第二静电图案之间、所述第二静电图案与所述第二静电图案之间的间距为单个圆弧宽度的1.5倍及以上。
3.根据权利要求1所述的滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，所述第一静电图案和所述第二静电图案中单个圆弧的宽度大于0小于等于20mm。
4.根据权利要求1所述的滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，当所述顶层电极拨片划过所述波纹网状静电层时，与所述第一静电图案激励出单峰信号，与所述第二静电图案激励出连续双峰信号，所述滑动静电式波纹网状集成控制装置还包括信号处理模块，所述信号处理模块用于将所述第一静电图案激励的单峰信号识别为二进制码1，将所述第二静电图案激励的连续双峰信号识别为二进制码0，并根据生成的二进制码组合来控制2n个控制单元。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，所述波纹网状静电层为接触带负电的聚四氟乙烯光固化油墨膜，所述顶层电极拨片为接触带正电的金属电极拨片。
6.根据权利要求5所述的滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，所述金属电极拨片中的金属为钛、银、金、铂、铝、铬、铜、铁、钒、锡、钨中的任意一种，或为上述金属的合金。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的滑动静电式波纹网状集成控制装置，其特征在于，所述顶层电极拨片由冲压弯折而成，宽度与所述波纹网状静电层中单个圆弧宽度的倍数关系为大于0小于等于10倍。
8.一种滑动静电式波纹网状集成控制装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在木质纤维素基底上制作波纹网状静电层，形成中间层波纹网状集成式静电内芯；
将所述中间层波纹网状集成式静电内芯固定在底层支撑壳体中；
在所述中间层波纹网状集成式静电内芯上方安装顶层电极拨片；
其中，所述波纹网状静电层的图案包含控制信息，所述顶层电极拨片与所述波纹网状静电层的电负性相反，当两者接触滑动时输出包含控制信息的电信号；
所述波纹网状静电层的图案包括第一静电图案和第二静电图案，所述第一静电图案为单圆弧静电图案，所述第二静电图案为平行双圆弧组合静电图案，所述第一静电图案和所述第二静电图案交替排列共用一个圆心，并以逐层图案长度减半的方式向半径方向进行n级扩展，n级扩展的波纹网状静电层包含2n个控制单元，其中每个控制单元所占角度为360°/2n，第k个控制单元所占角度范围为{360°(k-1)/2n～360°k/2n}，k、n为自然数。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述波纹网状静电层为接触带负电的聚四氟乙烯光固化油墨膜，所述制作波纹网状静电层的步骤包括：
将200-3000目聚四氟乙烯微蜡粉加入UV固化油墨中搅拌，微蜡粉含量为大于0小于等于30份，并加入大于0小于等于10％异丙醇、大于0小于等于5份N,N-二甲基甲酰胺形成均匀溶液；
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