CN110346596B

CN110346596B - 一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及其传感方法

Info

Publication number: CN110346596B
Application number: CN201910699061.4A
Authority: CN
Inventors: 谢燕楠; 林鸿宾; 徐庆昊
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: CN110346596A

Abstract

本发明公开了一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及传感方法，包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出所述电信号。本发明通过引入不对称结构的摩擦面，进而产生不对称电信号，将不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感，可以用于判断人体的运动状态和运动速度。

Description

一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及其传感方法

技术领域

本发明涉及一种传感装置及传感方法，特别是涉及一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及其传感方法。

背景技术

随着人工智能和计算机技术的不断发展，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件被不断地开发出来，在人们的日常生活以及科学研究等各个领域中扮演着越来越重要的角色，同时也体现了前所未有的应用前景。但是随着各种电子设备的不断发展，给其供电的电源系统却始终保持着一个较低的技术水平，现在给微型电子器件供电的最普遍的方式主要是直接或间接来源于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且电池里面的化学物质对人体和环境存在一定的危害。因此针对此种情况而言，开发出一种将环境中的振动能、运动能转化为电能储存起来并方便携带使用的技术是具有极其重要的意义。摩擦纳米发电机是一种极其灵敏的装置，即使在极其微小的扰动下也能够有电信号产生，而且摩擦纳米发电机不需要额外的能量输入，可以吸收环境中的振动能来供给自己工作，可以免掉更换能量装置的过程，超高的灵敏性，从环境中摄取的振动能来维持自己工作，对于实现完全自驱动高灵敏度传感有着极其重要的意义。

振动能是一种丰富、近乎无尽且广泛分布的清洁能源，从古至今一直广受人们的重视。通过高效地利用振动能转换为电能储存在储能设备中来解决目前在全世界范围内的能源紧缺问题，这已经是成为了全世界人类的一个共识。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种自驱动摩擦纳米运动传感装置，该装置能够对于人体运动过程中产生的振动能的高效吸收，实现较高性能的输出，从而通过输出曲线的规律来检测速度以及人体运动具有比较明显的特征优势；本发明的另一个目的是提供一种自驱动摩擦纳米运动传感装置的传感方法。

技术方案：本发明的自驱动摩擦纳米运动传感装置，包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出该电信号。

进一步地，所述第一导电部包括第一导电元件、与第一导电元件相连的第二导电元件，第二导电部包括第三导电元件；所述第一导电元件的下表面为第一摩擦面，第二导电元件的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件的上表面为第四摩擦面。其中，第一导电元件和第二导电元件可以使用绝缘双面胶粘接，如Kapton绝缘不导电双面胶。

进一步地，所述第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。

进一步地，所述第一导电部设置在第二导电部的上方，第二导电部包括下基板和相对于下基板对称设置的跷跷板结构；所述跷跷板结构包括固定设置的转轴、与转轴铰接的跷跷板，跷跷板的一端与下基板柔性连接；下基板和跷跷板上均设有摩擦面。对称设置的跷跷板结构可以使得第二导电部平稳升降。

优选地，所述第二导电部的摩擦面上设有银纳米颗粒。银纳米颗粒以蒸镀形式被设置在摩擦面上，银纳米颗粒所能够起到的作用是提高输出性能，进而提高发电器件的灵敏度。其中，银纳米球的制备为现有技术，可以采用简单的乙二醇湿法化学还原法，该方法操作简繁、制备得到的银纳米球尺寸分布较为均匀。具体方法为：1gPVP溶解在20ml乙二醇中。60℃搅拌。待等到PVP充分溶解后，加入80mg硝酸银，60℃搅拌至硝酸银全部溶解。此后，120℃恒温搅拌1h，溶液由无色变为橘黄色。反应结束冷却至室温后，将反应液和乙醇、丙酮1∶4混合，在8000rmp下离心15min。如此反复3至4次，所得沉淀分散在无水乙醇中待用。

进一步地，所述第一摩擦面、第二摩擦面、第三摩擦面的形状、尺寸均相同。

进一步地，所述第一导电元件和第三导电元件的材质为容易失去电子的材质，如：铝、金、铜、铂等，所述第二导电元件的材质为容易得到电子的材质，如：FEP、PFA、PTFE等。其中，FEP全称为Fluorinated ethylene propylene，即为氟化乙烯丙烯共聚物(全氟乙烯丙烯共聚物)。第一、第二和第三导电元件的材质都可以不一样，但第一导电元件和第三导电元件是更为容易失去电子的材质，第二导电元件是更为容易得到电子的材质，这样输出电信号才能尽可能的大。

进一步地，所述传感装置还包括基座，第一导电部包括固定导电元件的上基板，基座上设支撑上基板的支撑部。

优选地，所述支撑部为弹性部件。弹性部件的设置配合了上基板，在外力作用下，上基板上下运动，弹性部件进而伸缩；当撤去外力后，弹性部件恢复至原来的位置。弹性部件可以是弹簧，也可以是其他弹性的零部件。

本发明还提供了一种所述自驱动摩擦纳米运动传感装置的传感方法，该自驱动摩擦纳米运动传感装置在外力的作用下，摩擦面接触和分离产生不对称的电信号，对所述不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感。

发明原理：本发明的自驱动摩擦纳米运动传感装置，利用两种得失电子能力不同的材料接触分离会产生电荷的定向移动的原理，采用相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；而第一导电部的摩擦面为非对称结构，并且第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；因此，通过外力的施加和撤去，摩擦面之间的接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出该不对称的电信号。由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，两个导电元件之间会产生电势差，接触部分会发生电荷的转移，并且通过导电元件就可以将电信号引出来，形成电流。其中第一导电部的摩擦面可以设计为一个或多个非对称的摩擦面，而电输出的大小取决于摩擦面之间的接触面积，因此当第一导电部的不对称的摩擦面与第二导电部的摩擦面接触分离，会产生不同大小的电信号。对该不对称电信号进行分析处理，通过对比前两个电信号的大小以及第一个和第三个电信号出现的时间差进行传感。其中，对于产生的不对称电信号的处理可以采用C语言编写程序进行分析，也可以采用现有技术中的其它方法。

通过对电信号的分析，可以识别出物体的运动方向与运动速度；通过与LED灯连接，将该装置植入鞋子之中，收集人体运动过程中产生的振动能来点亮LED灯，通过LED灯的亮的顺序可以判断人体的运动状态(走路还是跑步)。通过C语言的程序设计可以对该装置的电输出信号进行分析，从而得出物体的运动速度。

有益效果：

(1)本发明的自驱动摩擦纳米运动传感装置通过引入不对称结构的摩擦面，进而产生不对称电信号，将收集得到的不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感。

(2)本发明的传感装置可以用于判断人体的运动状态和运动速度；

(3)本发明中的跷跷板结构可以实现当一个物体以不同方向滚动经过该装置的上导电部时，随着滚动的进行，下导电部的不同部位会依次和上导电部进行接触，从而依次产生不同强度的电信号，且可以根据所产生的电信号来判断物体所经多上部分时的具体的位置。

附图说明

图1是本发明的自驱动摩擦纳米运动传感装置的结构示意图；

图2是本发明的结构分解示意图；

图3是第一导电部的形状示意图；

图4是本发明的工作原理示意图；

图5是自驱动摩擦纳米运动传感装置所采集的信号图；

图6是本发明的自驱动摩擦纳米运动传感装置植入鞋子的图片；

图7是自驱动摩擦纳米运动传感装置所监测到的速度范围图；

图8是带有自驱动摩擦纳米运动传感装置的鞋子使用效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例1：

如图1、2所示为本发明的自驱动摩擦纳米运动传感装置的结构示意图。该自驱动摩擦纳米运动传感装置包括基座6，基座6上设有第一导电部、第二导电部，第一导电部和第二导电部相对设置，第一导电部设置在第二导电部的上方，第一导电部包括固定导电元件的上基板7，四周设有四根弹簧9支撑上基板7，弹簧9的两端分别与基座6和上基板7固定连接。基座6、上基板7均为亚克力板。

第一导电部包括第一导电元件1和第二导电元件2，第一导电元件1和第二导电元件2使用Kapton绝缘不导电双面胶相互粘接，并粘到上基板7上。第一导电元件11的下表面为第一摩擦面，第二导电元件2的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面。第一导电元件1的材质为铝，厚度0.02mm；第二导电元件2的材质为FEP膜(氟化乙烯丙烯共聚物)，厚度0.005mm；第一导电元件1和第二导电元件2为两种得失电子能力不同的材料，相应摩擦面接触分离时会产生电荷的定向移动。其中，如图3所示，第一摩擦面、第二摩擦面、第三摩擦面的形状、尺寸均相同，均为3cm×11cm的长方形右侧切去两个对称的3cm×1cm的长方形，因此，第一导电部的摩擦面呈现非对称的。

位于下方的第二导电部包括下基板8和相对于下基板8左右对称设置的、两个跷跷板结构，下基板8的材质为亚克力板。跷跷板结构包括固定设置的转轴4、与转轴4铰接的跷跷板5，基座6上固定设有两个支撑座10，支撑座10也为亚克力材质，支撑座10上均设有与转轴4适配的孔，转轴4穿过支撑座10的孔，进而固定在支撑座10上，跷跷板5的一端与下基板8柔性连接，由于重力的作用，静止状态下，跷跷板5的一端向下，另一端为翘起状态。此处的跷跷板5的一端与下基板的柔性连接，可以将A4纸裁剪成与两侧跷跷板5以及中间下基板8的大小，中间预留活动距离，后用Kapton绝缘不导电双面胶粘到A4纸上，最后粘至跷跷板5和下基板8上。也可以采取其他的柔性连接器、弹性材料连接的方式连接跷跷板5和下基板8。

在下基板8和跷跷板5上均设有第三导电元件3，第三导电元件3的上表面为第四摩擦面。其中，第三导电元件3由左中右三部分构成，分别用Kapton绝缘不导电双面胶粘接在左侧跷跷板5、中间的下基板8以及右侧的跷跷板5上。第三导电元件3的材质与第一导电元件1相同，也为铝，大小为3cm×11cm，厚度0.02mm，相对应地，跷跷板5上表面的尺寸为3cm×3cm，而中间的下基板8的尺寸为3cm×5cm，因此第四摩擦面与第三摩擦面相对比，总长度相同，但是由于右侧切去的两个对称的长方形，第四摩擦面的面积比第三摩擦面的面积大。

如图4所示为本发明的工作原理示意图，静止状态下，第一导电部、第二导电部均保持静止状态，左右两侧跷跷板5的一端翘起，所有的导电元件均不带电，当上方的第一导电部在外力的作用下向下运动，第一导电元件1会压迫到第二导电元件2，由于第一导电元件1容易失去电子，第二导电元件2容易得到电子，因此第一导电元件1会由于失去电子而带正电，而第二导电元件2会由于得到电子而带负电；同时当第一导电部向下运动时，下基板两侧的跷跷板5受到第一导电部的上基板7的挤压，与下基板7相连的跷跷板5一端开始向上抬升，进而带动第二导电部的第三导电元件3整体向上抬升；由于第三导电元件3与第一导电元件1的通过外电路进行连接的，第三导电元件3也是容易失去电子的，因此所失去的电子通过外电路转移到第一导电元件1，因此第三导电元件3也带上正电，由于第一导电元件1和第三导电元件3是导通的，而电子转移的数目遵循守恒定律，所有第一导电元件1与第三导电元件3所带的正电荷的数目之和与第二导电元件2所带的负电荷的数目是一致的。由于第二导电元件2和第一导电元件1的得失电子能力不同，第三导电元件3和第二导电元件2的得失电子能力也不同，因此当第一导电元件1和第二导电元件2相互接触，第三导电元件3与第二导电元件2相互接触，由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，导电元件之间会产生电势差，接触部分会发生电荷的转移，并且通过导电元件就可以将电信号引出来，形成电流。

当撤去外力以后，下基板8的自身重力原因会回复到初始状态，因此第三摩擦面与第四摩擦面将会分离，由此形成接触分离过程，并通过所述第一导电元件1和第三导电元件3向外电路输出电信号；由于第一导电部的摩擦面左右不对称，而电输出的大小取决于摩擦层的接触面积，因此当第四摩擦面的不同部位与第三摩擦面接触的话，会产生不同大小的不对称电信号，可用于传感。第一摩擦面和第二摩擦面，第三摩擦面与第四摩擦面的不断接触分离，会形成电子的定向移动，通过导电元件将电信号导出，通过C语言的程序设计可以对该装置的电输出信号进行分析，从而得出物体的运动速度。还可以收集人体运动过程中产生的振动能来驱动LED工作，从而根据LED的闪烁顺序来判断人体运动的情况(走路还是跑步)。

将该自驱动摩擦纳米运动传感装置按照图4的工作原理示意图与外电路相连，并进行滚动测试，即将一个滚筒在该装置的上表面进行多次滚动，滚筒的滚动采用一个推动装置对其施加力，每次滚动对滚筒施加的力是恒定的，采用不同大小的力对滚筒进行多次滚动，并采集电信号。如图5所示为采集的信号图，图5(a)为滚筒沿着从左到右的方向滚动经过该装置，图5(b)为滚筒沿着从右到左的方向滚动经过该装置；由于第一导电部的摩擦面设计为非对称结构，而摩擦纳米发电机的输出信号强度取决于摩擦层的面积，因此当不同部位的第四摩擦面与第三摩擦面进行接触时会产生不同强度的输出信号，通过C语言程序设计，可以识别出物体滚动的方向，先高强度(A)后低强度(B)则为由左向右；先低强度(a)后高强度(b)则为由右向左滚动。通过A与C(a与c)之间的时间间隔，可以识别出物体滚动的速度，因为A与C(a与c)之间的距离是由装置的结构来决定的。

其中，设计的C语言程序如下：

实施例2：

将实施例1的自驱动摩擦纳米运动传感装置植入鞋子中，在日常使用的鞋子切除出一部分可以容纳装置的空间，然后将装置放入其中并固定，通过电路设计，经过整流后于LED灯连接。如图6中虚线框所示即为自驱动摩擦纳米运动传感装置，并记为SS-TENG。

针对上述第四摩擦面的不同部位与第三摩擦面接触产生不同大小的不对称电信号，根据C语言程序设计进行信号分析，可以识别出物体的运动方向与运动速度，通过与LED灯连接，将该装置植入鞋子之中，收集人体运动过程中产生的振动能来点亮LED灯，通过LED灯的亮的顺序可以判断人体的运动状态(走路还是跑步)。

第一摩擦面与第二摩擦面、第三摩擦面与第四摩擦面不断接触分离，通过导电元件向外输出电信号。通过C语言编写程序对输出信号进行分析，可以得出物体的运动速度，如图7所示的是所监测到速度范围，可以看出该装置监测速度的灵敏性以及范围广，即使是十分微小的速度也能够监测出来，在速度很大的情况下也能够监测得到。

由于自驱动摩擦纳米运动传感装置与两颗LED灯相连接，通过收集人体运动过程产生的机械能来驱动LED灯工作，通过两颗LED灯亮的顺序来判断人体的运动状态(走路还是跑步)。图8为本实施例的自驱动摩擦纳米运动传感装置使用效果图，图8(a)表示人体在走路过程中LED灯的亮的顺序，图8(b)人体在跑步过程中LED灯亮的顺序。当后脚着地时，右侧LED灯亮，前脚着地时，左侧LED灯亮；而当人体在走路时是后脚先着地，前脚后再着地，因此，相应地表现为右侧LED灯先亮，左侧LED灯后亮；当人体处于跑步状态时，是前脚先着地，后脚后再着地，因此，相应地表现为左侧LED灯先亮，右侧LED灯后亮。综上所述，可以通过LED灯亮的顺序来判断人体的运动状态(跑步还是走路)。

Claims

1.一种自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出所述电信号；所述第一导电部设置在第二导电部的上方，第二导电部包括下基板（8）和相对于下基板（8）对称设置的跷跷板结构；所述跷跷板结构包括固定设置的转轴（4）、与转轴（4）铰接的跷跷板（5），跷跷板（5）的一端与下基板（8）柔性连接；下基板（8）和跷跷板（5）上均设有摩擦面；

跷跷板结构可以实现当一个物体以不同方向滚动经过该装置的第一导电部时，随着滚动的进行，第二导电部的不同部位会依次和第一导电部进行接触，从而依次产生不同强度的电信号，且可以根据所产生的电信号来判断物体所经过第一导电部时的具体的位置；

所述自驱动摩擦纳米运动传感装置在外力的作用下，摩擦面接触和分离产生不对称的电信号，对所述不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感；

根据时间先后依次产生四个电信号，四个电信号为A信号、B信号、C信号、D信号，根据A信号和B信号的强度大小判断滚动的方向，根据A信号和C信号之间的时间差判断滚动的速度。

2.根据权利要求1所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一导电部包括第一导电元件（1）、与第一导电元件（1）相连的第二导电元件（2），第二导电部包括第三导电元件（3）；所述第一导电元件（1）的下表面为第一摩擦面，第二导电元件（2）的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件（3）的上表面为第四摩擦面。

3.根据权利要求2所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。

4.根据权利要求1所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第二导电部的摩擦面上设有银纳米颗粒（11）。

5.根据权利要求2所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一摩擦面、第二摩擦面、第三摩擦面的形状、尺寸均相同。

6.根据权利要求2所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一导电元件（1）和第三导电元件（3）的材质为铝、金、铜、铂中的任一种，所述第二导电元件（2）的材质为FEP、PFA、PTFE中的任一种。

7.根据权利要求1所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述传感装置还包括基座（6），第一导电部包括固定导电元件的上基板（7），基座（6）上设支撑上基板（7）的支撑部。

8.根据权利要求7所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述支撑部为弹性部件。