CN110932592A

CN110932592A - 一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机及其制备方法

Info

Publication number: CN110932592A
Application number: CN201911259957.7A
Authority: CN
Inventors: 陈惠鹏; 刘亚倩; 陈耿旭; 郭太良; 汪秀梅; 严育杰; 饶智超
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN110932592B

Abstract

本发明提出一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机其制备方法，包括下基板、下电极、摩擦介质层、上电极和上基板，下电极设于下基板上；摩擦介质层设于下电极上；上电极设于上基板上，摩擦介质层为双网络薄膜；纳米发电机初始状态下的摩擦介质层与上电极分离，当纳米发电机受到预压力而进入工作状态时，双网络薄膜与上基板摩擦使两者表面积累电荷并在上电极和下电极间形成平衡电位；当因受到触摸使纳米发电机所受压力变化时，上电极与下电极的间距变化使电位的平衡状态无法维持，从而形成上电极与下电极之间的信号电流和开路电压；本发明能制备同时实现化学改性和物理改性的摩擦电薄膜，从而得到更高的表面摩擦电荷密度以获得更高效的摩擦纳米发电机。

Description

一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，尤其是一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

随着有机电子应用的迅速发展，包括压力传感器、晶体管和人造突触等，对无监督和分布式设备电源的需求日益增加。所以建立高效的能量收集和转换装置是未来人工智能装置的迫切需要。摩擦电纳米发电机具有输出功率高、设计简单、成本低等优点，是一种很有发展前途的机械能转化为电能的技术。

由于摩擦纳米发电机的工作原理基于摩擦电和静电感应现象，所以在摩擦纳米发电机的输出性能中，摩擦电层的摩擦电荷密度占主导地位。因此目前急需解决的是通过各种各样的研究来调节表面电荷密度。一般通过表面改性的方法，可以分为物理改性来扩大接触面积和化学改性来控制表面电位两类。然而，所有这些研究都只实现了物理改性或化学改性中的一种，并没有得到最高的摩擦电性能。因此，本发明提出一种新的方法，将这物理改性、化学改性两种改性集成起来能使摩擦纳米发电机的性能最大化。

发明内容

本发明提出一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机及其制备方法，能制备同时实现化学改性和物理改性的摩擦电薄膜，从而得到更高的表面摩擦电荷密度以获得更高效的摩擦纳米发电机。

本发明采用以下技术方案。

一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机，所述纳米发电机包括下基板（100）、下电极（110）、摩擦介质层（120）、上电极（130）和上基板（140），所述下电极设于下基板上；所述摩擦介质层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，所述摩擦介质层为双网络薄膜；所述纳米发电机初始状态下的摩擦介质层与上电极分离，当纳米发电机受到预压力而进入工作状态时，双网络薄膜与上基板摩擦使两者表面积累电荷并在上电极和下电极间形成平衡电位；当因受到触摸使纳米发电机所受压力变化时，上电极与下电极的间距变化使电位的平衡状态无法维持，从而形成上电极与下电极之间的信号电流和开路电压。

所述上电极、下电极处均引出供电导线；所述上电极与下电极之间的开路电压或信号电流形成可高灵敏度地衡量纳米发电机所受压力变化的电信号。

所述上电极、下电极通过外接导线相连。

所述纳米发电机下基板（100）和上基板（140）的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板，所述下电极（110）和上电极（130）为氧化铟锡（ITO）电极，所述摩擦介质层（120）由聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液和甲基丙烯酸（MAA）单分子溶液、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）单分子溶液、甲基丙烯酸羟乙基（HEMA）单分子溶液组成的双网络薄膜。

一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，以上所述纳米发电机的制备方法包括以下步骤；

A1、将两片PET 基板清洗干净，作为摩擦纳米发电机的上基板、下基板；

A2、利用磁控溅射在已经清洗干净的基板上溅射ITO，溅射至基板的ITO为摩擦纳米发电机的上电极、下电极；

A3、用胶头滴管取充分混合的PDMS溶液旋涂在步骤A3溅射处理所得的下电极上，得到单网络薄膜的摩擦介质层；

A4、用移液枪取适量的MAA 单分子溶液、EGDMA溶液并混合，且在取这两种溶液时需保持MAA单分子溶液质量超过EGDMA溶液；

A5、用称量天平取适量的紫外光固化剂溶入A4中混合后的单分子溶液，固化剂的质量不超过A4所取的溶液的10%；

A6、将A5制备所得的单分子溶液放置在遮光室温下，使该溶液充分溶解；

A7、用胶头滴管取适量A6充分溶解好的单分子溶液滴到A3制备好的单网络PDMS薄膜上以制备双网络薄膜，静置时间不超过30 min，可随所需双分子网络的强度而定；

A8、将A7静置后得到的薄膜用无尘布擦干后静置；

A9、将A8 擦干后得到的薄膜上放置所需要的光掩膜版；

A10、将A9制备所得的薄膜放置在紫外光固化灯下，曝光时间大于1min；

A11、将A10制备所得的固化后的薄膜取下掩膜版，加热去除剩余单分子溶液，完成自供电触觉传感摩擦纳米发电机双网络薄膜以及下基板的制备；

A12、将A10制备所得的双网络薄膜以及下基板，与A2溅射所得的上基板通过导线连接，得到自供电触觉传感摩擦纳米发电机。

所述摩擦纳米发电机的上、下基板的尺寸随所需电压而定；所述摩擦纳米发电机下电极和上电极的材质为ITO或其他金属材料；所述摩擦纳米发电机的摩擦介质层为PDMS与小分子溶液渗透所得的双网络薄膜，具备双分子网络结构。

所述自供电触觉传感摩擦纳米发电机的双网络薄膜的选材范围包括多种不同材料组合形成的双网络薄膜，包括PDMS和MAA的双网络薄膜、PDMS和EGDMA的双网络薄膜以及PDMS和HEMA的双网络薄膜。

在步骤A3中，所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的单网络薄膜的介质层旋涂速度范围为500-3000rpm/min，旋涂时间范围为30-120s；旋涂完退火时间以及退火速度随实验者要求而定，可选范围是在60-120°C范围下退火2-12 h，形成单网络薄膜的介质层微结构薄膜。

在步骤A6中，所述单分子溶液需在遮光室温下放置2-24h使该溶液充分溶解。

在步骤A11加热去除剩余单分子溶液的操作，需在大于100℃条件的加热台上加热至少5min。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明首先通过化学改性的方式制备了双网络摩擦层薄膜，该方式从根本上改变了原来的摩擦纳米发电机中摩擦层薄膜固有的介电常数，从而改变了摩擦层的表面电荷密度，最后通过物理改性的方式实现了表面积的增大，得到了该输出特性的摩擦纳米发电机。

（2）本发明通过后处理得到的微结构的摩擦层有利于实现高灵敏度的触觉传感器，同时由于摩擦纳米发电机自有的将机械能转化为电能的能力，可以实现自供电的触觉传感器。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明通过后处理制备双网络的摩擦层薄膜的制备过程示意图；

附图3是本发明的工作原理；

附图4是本发明应用不同摩擦层得到的开路电压示意图；

附图5是本发明应用不同摩擦层得到的短路电流密度示意图；

图中：100-下基板；110-下电极；120-摩擦介质层；130-上电极；140-上基板； 150-供电导线；160-单分子溶液；200-光照掩膜版（立方体光照掩膜版）；210-紫外光固化灯；220-长方体光照掩膜版。

具体实施方式

如图1-5所示，一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机，所述纳米发电机包括下基板100、下电极110、摩擦介质层120、上电极130和上基板140，所述下电极设于下基板上；所述摩擦介质层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，所述摩擦介质层为双网络薄膜；所述纳米发电机初始状态下的摩擦介质层与上电极分离，当纳米发电机受到预压力而进入工作状态时，双网络薄膜与上基板摩擦使两者表面积累电荷并在上电极和下电极间形成平衡电位；当因受到触摸使纳米发电机所受压力变化时，上电极与下电极的间距变化使电位的平衡状态无法维持，从而形成上电极与下电极之间的信号电流和开路电压。

所述上电极、下电极处均引出供电导线150；所述上电极与下电极之间的开路电压或信号电流形成可高灵敏度地衡量纳米发电机所受压力变化的电信号。

所述上电极、下电极通过外接导线相连。

所述纳米发电机下基板100和上基板140的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板，所述下电极110和上电极130为氧化铟锡（ITO）电极，所述摩擦介质层120由聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液和甲基丙烯酸（MAA）单分子溶液、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）单分子溶液、甲基丙烯酸羟乙基（HEMA）单分子溶液组成的双网络薄膜。

A6、将A5制备所得的单分子溶液160放置在遮光室温下，使该溶液充分溶解；

A8、将A7静置后得到的薄膜用无尘布擦干后静置；

A9、将A8 擦干后得到的薄膜上放置所需要的光掩膜版200；

A10、将A9制备所得的薄膜放置在紫外光固化灯210下，曝光时间大于1min；

实施例一：

如图1-5所示，所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机包括下基板100、下电极110、摩擦层120、上电极130和上基板140，所述下电极设于下基板上；所述摩擦层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，上电极、下电极处均引出供电导线200；

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机下基板（100）和上基板（140）的材料为PET基板，所述下电极（110）和上电极（130）为ITO 电极，所述摩擦介质层（120）由PDMS 溶液和MAA单分子溶液、EGDMA 单分子溶液组成的双网络结构。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤；

A1、将两片1 cm ×1 cm的PET 基板清洗干净，作为摩擦纳米发电机的上基板、下基板；

A2、利用磁控溅射在已经清洗干净的基板上溅射ITO为摩擦纳米发电机的上电极、下电极；

A3、用胶头滴管取充分混合的PDMS溶液旋涂在步骤A3溅射处理所得的下电极上，得到单网络薄膜的介质层（P-PDMS）；

A4、用移液枪取适量的MAA 单分子溶液、EGDMA 溶液混合，两种溶液的质量比例为96:3；

A5、用称量天平取适量的紫外光固化剂溶入，A4所取的溶液和固化剂的质量比为96：3：1；

A7、用胶头滴管取适量A6充分溶解好的单分子溶液滴到A3制备好的单网络PDMS薄膜上，静置10 min；

A8、将A7静置后得到的薄膜用无尘布擦干后静置；

A9、将A8 擦干后得到的薄膜上放置所需要的立方体光掩膜版；

A10、将A9制备所得的薄膜放置在紫外光固化灯下10min；

A11、将A10制备所得的固化后的薄膜取下掩膜版，加热去除剩余单分子溶液，制备出完整的高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机。

所述摩擦纳米发电机的上、下基板的尺寸均为1 cm×1 cm；所述摩擦纳米发电机下电极和上电极的材质为ITO；所述摩擦纳米发电机的介质层为PDMS 溶液和MAA单分子溶液、EGDMA 单分子溶液组成的双网络结构（PDMS-MAA）。

所述双网络薄膜，需要后处理所需单体分子比例分别为MAA:EGDMA:紫外光固化剂为96:3:1。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的单网络薄膜的介质层旋涂速度为1000rpm/min，时间为60s；旋涂完后在120°下退火2 h，形成厚度为100 um的单网络薄膜的介质层微结构薄膜。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的双网络薄膜的介质层的制备过程中的单分子溶液放置在遮光室温下放置12h。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的双网络微结构薄膜包括多种不同的微结构，包括立方体、长方体和棋盘结构。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的双网络薄膜的介质层的制备过程中的加热去除剩余单分子溶液需在120℃条件的加热台上加热10min。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的上下电极通过外接导线相连。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机能够检测到较微弱的触觉信号。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的工作原理为：在初始状态下，顶部电极和双网络薄膜相互不接触，然后将摩擦纳米发电机设置为“原始状态”，即接触时由于摩擦带电作用，正电荷和负电荷积聚在上电极和双网络薄膜的表面上。之后在正常工作状态下，处于接触状态时将没有额外的载流子流过外部电路。当压力释放时，两层之间的平衡电位被破坏，将驱动电子从上电极流向下电极。当分离到一定状态时，在底电极和双网络薄膜上出现了新的平衡。当压力再次施加在上电极上时，电子将通过下电极流回上电极。在顶电极和双网络薄膜之间，通过反复的压力释放运动记录开路电压和短路电流。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机对于触觉的检测为：对于一个微小的物体能够检测到该物体的放置和抬起，可以通过这种方式在触觉检测的同时得到输出的电压，实现了能量的收集和触觉的检测。

实施例二：

本实施例中，所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机包括下基板100、下电极110、摩擦层120、上电极130和上基板140，所述下电极设于下基板上；所述摩擦层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，上电极、下电极处均引出供电导线200；

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机下基板（100）和上基板（140）的材料为PET基板，所述下电极（110）和上电极（130）为ITO 电极，所述摩擦介质层（120）由PDMS 溶液和HEMA单分子溶液、EGDMA 单分子溶液组成的双网络结构（PDMS-HEMA）。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的制备方法与实施例一类似，其中在A4步骤中用移液枪所取的溶液为适量HEMA 单分子溶液、EGDMA 溶液，两种溶液的质量比例为96:3；

本实施例的高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的工作原理以及对于触觉的检测与实施例一类似，在这里不重复描述。

实施例三：

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机下基板（100）和上基板（140）的材料为PET基板，所述下电极（110）和上电极（130）为ITO 电极，所述摩擦介质层（120）由PDMS 溶液和EGDMA 单分子溶液组成的双网络结构（PDMS-EGDMA）。

所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的制备方法与实施例一类似，其中在A4步骤中用移液枪所取的溶液为适量EGDMA 溶液；在A5步骤中用称量天平所取得适量紫外光固化剂，A4所取的溶液和固化剂的质量比为99： 1。

本发明专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机及其制备，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机，其特征在于：所述纳米发电机包括下基板（100）、下电极（110）、摩擦介质层（120）、上电极（130）和上基板（140），所述下电极设于下基板上；所述摩擦介质层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，所述摩擦介质层为双网络薄膜；所述纳米发电机初始状态下的摩擦介质层与上电极分离，当纳米发电机受到预压力而进入工作状态时，双网络薄膜与上基板摩擦使两者表面积累电荷并在上电极和下电极间形成平衡电位；当因受到触摸使纳米发电机所受压力变化时，上电极与下电极的间距变化使电位的平衡状态无法维持，从而形成上电极与下电极之间的信号电流和开路电压。

2.根据权利要求1所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上电极、下电极处均引出供电导线；所述上电极与下电极之间的开路电压或信号电流形成可高灵敏度地衡量纳米发电机所受压力变化的电信号。

3.根据权利要求1所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上电极、下电极通过外接导线相连。

4.根据权利要求1所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机，其特征在于：所述纳米发电机下基板（100）和上基板（140）的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板，所述下电极（110）和上电极（130）为氧化铟锡（ITO）电极，所述摩擦介质层（120）由聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液和甲基丙烯酸（MAA）单分子溶液、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）单分子溶液、甲基丙烯酸羟乙基（HEMA）单分子溶液组成的双网络薄膜。

5.一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，其特征在于：权利要求4中所述纳米发电机的制备方法包括以下步骤；

A8、将A7静置后得到的薄膜用无尘布擦干后静置；

A9、将A8 擦干后得到的薄膜上放置所需要的光掩膜版；

6.根据权利要求5所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的上、下基板的尺寸随所需电压而定；所述摩擦纳米发电机下电极和上电极的材质为ITO或其他金属材料；所述摩擦纳米发电机的摩擦介质层为PDMS与小分子溶液渗透所得的双网络薄膜，具备双分子网络结构。

7.根据权利要求5所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，其特征在于：所述自供电触觉传感摩擦纳米发电机的双网络薄膜的选材范围包括多种不同材料组合形成的双网络薄膜，包括PDMS和MAA的双网络薄膜、PDMS和EGDMA的双网络薄膜以及PDMS和HEMA的双网络薄膜。

8. 根据权利要求5所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，其特征在于：在步骤A3中，所述高灵敏度的自供电触觉传感摩擦纳米发电机的单网络薄膜的介质层旋涂速度范围为500-3000rpm/min，旋涂时间范围为30-120s；旋涂完退火时间以及退火速度随实验者要求而定，可选范围是在60-120°C范围下退火2-12 h，形成单网络薄膜的介质层微结构薄膜。

9.根据权利要求5所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，其特征在于：在步骤A6中，所述单分子溶液需在遮光室温下放置2-24h使该溶液充分溶解。

10.根据权利要求5所述的一种自供电触觉传感摩擦纳米发电机制备方法，其特征在于：在步骤A11加热去除剩余单分子溶液的操作，需在大于100℃条件的加热台上加热至少5min。