CN110542767A - 一种高灵敏度自供电加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏度自供电加速度传感器，包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；第二电极层的上表面连接有绝缘层，绝缘层的上方设置有质量块；第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。

Description

一种高灵敏度自供电加速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及自供电加速度传感器技术领域，特别是一种高灵敏度自供电加速度传感器及其制备方法。

背景技术

加速度传感器是一种测量加速度的装置，在卫星、生物医学设备、大型机械结构测试、安全气囊、地震监测等领域发挥着重要作用。根据不同的原理加速度传感器可以分为不同的类型，常见的传感器有电容式加速度传感器、压阻式加速度传感器和压电式加速度传感器等。其中电容式加速度传感器和压阻式加速度传感器需要外部供电才能正常工作，很大程度上降低了它们的应用范围。压电传感器虽然能实现自供电，但输出的电信号很小，容易受到环境噪声的影响。基于上述存在的问题，基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器被广泛的研究。实践证明，由于自身的结构和现有工艺的缺陷，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器普遍存在下述问题：其一，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器的灵敏度较低且输出功率小；其二，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器制作难度大，不能进行大规模生产；其三，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器普遍采用弹簧结构，增大了成本且占用空间。

发明内容

本发明提供了一种灵敏度高、功率密度大、抗冲击能力强、具有可穿戴性、高稳定性、良好的稳定性和一致性的高灵敏度自供电加速度传感器。

本发明还提供了一种器件制作工艺简单、成本低，能实现大规模生产以及自供电特性的高灵敏度自供电加速度传感器制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，所述传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；

所述的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；所述第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；所述第二电极层的上表面连接有绝缘层，所述绝缘层的上方设置有质量块；

所述第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，所述第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，所述第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。

进一步，所述第一摩擦层和第二摩擦层采用强力胶带相连呈拱状，通过胶带的恢复张力实现两层之间的接触与分离，替代了传统的弹簧结构，节约了制备成本，降低器件结构的复杂度。

进一步，所述的第一摩擦层和第二摩擦层采用绝缘型柔性薄膜，具有强大的抗机械冲击能力，进而提高传感器的使用寿命，并具有良好的光学特性。

进一步，所述绝缘型柔性薄膜采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚乙烯。

进一步，所述正电序列摩擦层材料采用聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺或蚕丝蛋白。

进一步，所述正电序列摩擦层通过喷涂技术喷涂于第一摩擦层上。第一摩擦层附着的正电序列摩擦层，通过操作简单、成本低廉的喷涂技术制得，可实现本发明传感器的大规模生产。

进一步，所述绝缘外壳的两侧均设置有通孔，所述第一导线和第二导线分别从相应的通孔内穿出与外部电路连接。

进一步，所述高灵敏度自供电加速度传感器的理论为全新的V-Q-a模型可表示为：

其中V(t)为某时刻t第一电极层和第二电极层之间的输出电压，a为作用于传感器上的加速度，t为摩擦层运动的时间，R为外接电阻，Q为转移电荷量，S为摩擦层的面积，ε₀为真空介电常数，σ为摩擦层表面电荷密度，d₀＝d₁/ε₁+d₂/ε₂为摩擦层的等效厚度，d₁为第一摩擦层和第二摩擦层的厚度，ε₁为第一摩擦层和第二摩擦层的介电常数，d₂为正电序列摩擦层的厚度，ε₂为正电序列摩擦层的介电常数。

上述高灵敏度自供电加速度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a)、选取长方体绝缘外壳，在左右两侧打上分别打上一个直径为1～10mm的圆孔；

步骤b)、选取两片面积相同的附有导电层的绝缘柔性薄膜，在其中一片绝缘柔性薄膜无导电层一侧的表面，用装有正电序列摩擦层材料溶液的喷枪均匀喷涂正电序列摩擦层材料溶液；

步骤c)、在第一、第二薄膜导电层的表面固定电极引线点，并将导线与电极引线点连接；

步骤d)、将上述的两片薄膜两侧边缘相互接触且导电层朝外形成拱状，通过强力胶带相互连接；

步骤e)、利用强力胶带将绝缘层与第二电极层相连，并将质量块固定于绝缘层的上方形成内部传感系统；将内部传感系统封装于绝缘外壳内形成高灵敏度自供电加速度传感器。

进一步，步骤b)中的喷涂过程：喷涂在80℃～200℃高温环境下进行，经历3～10次循环，在每次循环中，喷涂的持续时间为5～15s，每次循环的时间间隔为10～20min。

本发明的高灵敏度自供电加速度传感器的有益效果：测得开路电压峰值超过250V，短路电流峰值超过5.7μA，能瞬间同时点亮100～200个商用LED灯泡，输出功率密度大于370m W/m²，并同时具有高稳定性、良好的重复性和一致性。对应灵敏度高达20.4V·s²/m，与已报道的自供电加速度传感器相比，灵敏度提高了5倍以上。并且实验测得的灵敏度与理论模型计算结果高度一致。采用自供电的形式，相比于现有的MEMS加速度传感器更加的灵活，不受外界的约束，绿色环保，具有更广的应用范围，具有可穿戴性，可作为可穿戴报警装置和振动检测系统。

本发明的制备方法的有益效果：器件制作工艺简单、成本低，能实现大规模生产。

附图说明

图1是本发明的剖面示意图。

图2是本发明的静止状态原理图。

图3是本发明受到向上加速度时的原理图。

图4是本发明受到向下加速度时的原理图。

图5是本发明的理论模型分析图。

图6是本发明在a＝9m/s²的条件下输出电压曲线图。

图7是本发明在不同加速度条件下的理论和实验数据的对比图。

图8中(a)-(e)是本发明的工艺流程图。

图中：1-绝缘外壳，2-质量块，3-绝缘层，4-第二电极层，5-第二摩擦层，6-正电序列摩擦层，7-第一摩擦层，8-第一电极层，9-第一圆孔，10-第二圆孔，11-第一导线，12-第二导线，13-第一电极引线点，14-第二电极引线点，15-喷枪。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

实施例一

参见图1、图2，本实施例提供了一种高灵敏度自供电加速度传感器包括绝缘外壳1、第一电极层8、第二电极层4、第一摩擦层7、第二摩擦层5、绝缘层3和质量块2；第一电极层8、第二电极层4、第一摩擦层7、第二摩擦层5、绝缘层3和质量块2构成内部传感系统，位于绝缘外壳1的内部；第一电极层8附着在第一摩擦层7的下表面，第一电极层8的下表面设有第一电极引线点13及由第一电极引线点13向外引出的第一导线11；第二电极层4附着在第二摩擦层5的上表面，第二电极层4的上表面设有第二电极引线点14及由第二电极引线点14向外引出的第二导线12；所述第二电极层12的上表面连接有绝缘层3，所述绝缘层3的上方设置有质量块2；第一电极层8和第二电极层4采用氧化铟锡、铁、锌、石墨或者镍铬合金等薄膜；

所述第一摩擦层7和第二摩擦层5均呈拱状且方向相反，所述第一摩擦层7上附着有正电序列摩擦层6，所述第二摩擦层5与正电序列摩擦层6的电序列相反并在质量块2的带动下可与正电序列摩擦层6接触分离。

本实施例第一摩擦层7和第二摩擦层5采用绝缘型柔性材料，具有强大的抗机械冲击能力，进而提高传感器的使用寿命；所述的绝缘型柔性薄膜可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或者聚乙烯。第一摩擦层7上表面附有正电序列摩擦层6，具有极强失去电子的能力，与第二摩擦层5接触形成相反的极性，接触分离时，增强摩擦副表面的静电积累。正电序列摩擦层6采用操作简单、成本低廉的喷涂技术制得可实现本发明传感器的大规模生产；可选的正电序列摩擦层6材料有包括聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺、蚕丝蛋白等。第一摩擦层7和第二摩擦层5采用强力胶带相连呈拱状，通过胶带的张力实现两层之间的接触与分离，替代了传统的弹簧结构，节约了成本与空间，降低器件结构的复杂度。绝缘层3位于第二电极层4和质量块2之间，避免采集到的电能通过质量块2与第一电极层8直接接触使电子流失；所述的绝缘层可以采用有机玻璃、橡胶或者塑料；所述的质量块可以采用铁、铜或铝等材质。绝缘外壳1对内部的传感系统起保护作用，左侧面设有第一圆孔9，右侧面设有第二圆孔10，第一导线11通过第一圆孔9与外部电路连接，第二导线12通过第二圆孔10与外部电路连接，所述的绝缘外壳采用有机玻璃或者塑料。

本发明采用垂直接触-分离摩擦发电模式，当加速度到来时，质量块2将根据加速度的方向垂直上下运动并驱使第一摩擦层7和第二摩擦层5的接触与分离，传感器通过摩擦发电将振动信号的机械能转化为电能并以电信号的形式输出，根据电信号得到加速度的大小，体现了传感器的自供电特性。

结合图2、图3和图4，对本发明的工作原理进行说明。

传感器工作之前第一摩擦层7与第二摩擦层5经历多次接触与分离，当相互接触时，由于第一摩擦层7上表面附着的正电序列摩擦层6具有极强失去电子的能力，第一摩擦层7将失去电子带正电，第二摩擦层5将得到电子带负电。传感器的工作过程主要有三种状态，分别是静止，传感器受到方向向上的加速度和传感器受到方向向下的加速度。在静止状态下，由于胶带的张力，第一摩擦层7和第二摩擦层5处于分离状态。当向上的加速度作用于传感器时，质量块2会挤压第二电极层4和第二摩擦层5，第一摩擦层7和第二摩擦层5逐渐靠近，直到相互接触，在这个过程中第一摩擦层7和第二摩擦层5之间的电势差逐渐减小，因此，电子将从第二电极层4转移到第一电极层8以满足静电平衡，测试设备通过与第一导线11和第二导线12可测到输出信号。同样的，当传感器受到向下的加速度作用时，质量块2驱使第一摩擦层7和第二摩擦层5相互分离使得电势差逐渐增大，由于电势差的作用，电子将从第一电极层8转移到第二电极层4，反向的电信号会在第一电极层8和第二电极层4之间输出。

结合图5，以全新的电压-电荷-加速度(V-Q-a)模型进一步说明高灵敏度自供电加速度传感器的实现原理。

第一摩擦层7与第二摩擦层5之间的相对位移x(t)表示为：

其中a为作用于传感器上的加速度，t为摩擦层运动的时间，x_max为第一摩擦层7与第二摩擦层5的最大间距。对于垂直接触-分离摩擦发电模式，主要有三种电场强度：E₁(第一摩擦层7)，Eg(第一摩擦层7和第二摩擦层5之间的空气间隙)，E₂(第二摩擦层5)，在加上三个电场强度后，我们可以推导出：

其中R为外接电阻，Q为转移电荷量，S为摩擦层的面积，ε₀为真空介电常数，σ为摩擦层表面电荷密度，d₀＝d₁/ε₁+d₂/ε₂,为摩擦层的等效厚度，d₁为摩擦层的厚度，ε₁为摩擦层的介电常数，d₂为正电序列摩擦层6的厚度，ε₂为正电序列摩擦层6的介电常数。考虑到边界条件Q(t＝0)＝0，等式(2)可被解析为：

Q(t)为某时刻t，第一电极层8和第二电极层4之间转移电荷量。根据欧姆定律，传感器的输出电压和外界加速度的关系可表示为：

V(t)为某时刻t，第一电极层8和第二电极层4之间的输出电压。

如图6和图7所示，本发明测得开路电压峰值超过250V，短路电流峰值超过5.7μA，能瞬间同时点亮100～200个商用LED灯泡，输出功率密度大于370m W/m²，并同时具有高稳定性、良好的重复性和一致性。对应灵敏度高达20.4V·s²/m，与已报道的自供电加速度传感器相比，灵敏度提高了5倍以上。并且实验测得的灵敏度与理论模型计算结果高度一致。

实施例二

参见图8中(a)-(e)，本实施例提供了一种实施例一所述的高灵敏度自供电加速度传感器的制备方法，主要包括以下工艺步骤：

步骤a)、选取长方体绝缘外壳1，在左右两侧打上分别打上一个直径为1～10mm的第一圆孔9和第二圆孔10；

步骤b)、选取两片面积相同的附有导电层的绝缘柔性薄膜，在其中一片绝缘柔性薄膜无导电层一侧的表面，用装有正电序列摩擦层材料溶液的喷枪15均匀喷涂正电序列摩擦层材料溶液形成第一电极层8、第一摩擦层7和正电序列摩擦层6；另一片薄膜作为第二电极层4和第二摩擦层5。喷涂在80℃～200℃高温环境下进行，经历3～10次循环，在每次循环中，喷涂的持续时间为5～15s，每次循环的时间间隔为10～20min；

步骤c)、在第一电极层8表面固定第一电极引线点13，并将第一导线11与第一电极引线点13连接；在第二电极层6表面固定第二电极引线点14，并将第二导线12与第二电极引线点14连接；

步骤d)、将上述的两片薄膜两侧边缘相互接触且第一摩擦层7和第二摩擦层5相对形成拱状，通过强力胶带相互连接；

步骤e)、利用强力胶带将绝缘层3与第二电极层4相连，并将质量块2固定于绝缘层3的上方形成内部传感系统；将内部传感系统封装于绝缘外壳1内形成高灵敏度自供电加速度传感器。

Claims (10)

1.一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，所述传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；

所述的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；所述第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；所述第二电极层的上表面连接有绝缘层，所述绝缘层的上方设置有质量块；

所述第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，所述第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，所述第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。

2.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述第一摩擦层和第二摩擦层采用强力胶带相连呈拱状。

3.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述的第一摩擦层和第二摩擦层采用绝缘型柔性薄膜。

4.如权利要求3所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述绝缘型柔性薄膜采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚乙烯。

5.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述正电序列摩擦层材料采用聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺或蚕丝蛋白。

6.如权利要求5所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述正电序列摩擦层通过喷涂技术喷涂于第一摩擦层上。

7.如权利要求1至6任意一项所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述绝缘外壳的两侧均设置有通孔，所述第一导线和第二导线分别从相应的通孔内穿出与外部电路连接。

8.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：

所述的高灵敏度自供电加速度传感器具有全新的电压-电荷-加速度(V-Q-a)理论模型，其模型表达式如下：

其中V(t)为某时刻t第一电极层和第二电极层之间的输出电压，a为作用于传感器上的加速度，t为摩擦层运动的时间，R为外接电阻，Q为转移电荷量，S为摩擦层的面积，ε₀为真空介电常数，σ为摩擦层表面电荷密度，d₀＝d₁/ε₁+d₂/ε₂为摩擦层的等效厚度，d₁为第一摩擦层和第二摩擦层的厚度，ε₁为第一摩擦层和第二摩擦层的介电常数，d₂为正电序列摩擦层的厚度，ε₂为正电序列摩擦层的介电常数。

9.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a)、选取长方体绝缘外壳，在左右两侧打上分别打上一个直径为1～10mm的圆孔；

步骤b)、选取两片面积相同的附有导电层的绝缘柔性薄膜，在其中一片绝缘柔性薄膜无导电层一侧的表面，用装有正电序列摩擦层材料溶液的喷枪均匀喷涂正电序列摩擦层材料溶液；

步骤c)、在第一、第二薄膜导电层的表面固定电极引线点，并将导线与电极引线点连接；

步骤d)、将上述的两片薄膜两侧边缘相互接触且导电层朝外形成拱状，通过强力胶带相互连接；

步骤e)、利用强力胶带将绝缘层与第二电极层相连，并将质量块固定于绝缘层的上方形成内部传感系统；将内部传感系统封装于绝缘外壳内形成高灵敏度自供电加速度传感器。

10.如权利要求9所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤b)中的喷涂过程：喷涂在80℃～200℃高温环境下进行，经历3～10次循环，在每次循环中，喷涂的持续时间为5～15s，每次循环的时间间隔为10～20min。