CN110995052B - 一种自驱动型传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自驱动型传感器，属于传感器技术领域。该传感器包括：聚合物摩擦层、压电材料驻极体、电荷收集电极、导线、聚合物基底、电流信号处理器、金属摩擦电极、电荷屏蔽层和器件外壳；所述的聚合物摩擦层固定在器件外壳的一侧，并设置在金属摩擦电极的一侧，且于金属摩擦电极相接触；所述的金属摩擦电极上表面设有聚合物基底，聚合物基底上设有压电材料驻极体和电荷收集电极，压电材料驻极体和电荷收集电极相对设置，电荷收集电极通过导线与金属摩擦电极连接，导线上设有电流信号处理器；所述的金属摩擦电极下表明设有电荷屏蔽层。本发明涉及的传感器具有自驱动性，实现传感器器件的自驱动和信号检测。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种自驱动型传感器。
背景技术
随着生活水平的提高，人们对身体健康的监测的需求显著增加，但是目前现有的个人医疗监测器件需要外接电源，严重限制了其便携性。
美国佐治亚理工学院的王中林教授研究组最近发明一种摩擦纳米发电机，可将摩擦起电效应和静电感应效应相结合，能将微弱的机械能转换为电能。摩擦纳米发电机既不用磁铁也不用线圈，其核心部件是质轻价廉的高分子材料。摩擦纳米发电机的输出电流是具有两个内置特性脉冲序列的交流电。因此需要整流器来获得直流输出，这限制它用于便携式设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种自驱动型传感器，可以实现传感器器件的自驱动和信号检测。
本发明提供一种自驱动型传感器，该传感器包括：该传感器包括：聚合物摩擦层、压电材料驻极体、电荷收集电极、导线、聚合物基底、电流信号处理器、金属摩擦电极、电荷屏蔽层和器件外壳；
所述的聚合物摩擦层固定在器件外壳的一侧，并设置在金属摩擦电极的一侧，且于金属摩擦电极相接触；所述的金属摩擦电极上表面设有聚合物基底，聚合物基底上设有压电材料驻极体和电荷收集电极，压电材料驻极体和电荷收集电极相对设置，电荷收集电极通过导线与金属摩擦电极连接，导线上设有电流信号处理器；所述的金属摩擦电极下表明设有电荷屏蔽层。
优选的是，所述的聚合物摩擦层包括聚合物内摩擦层和外侧金属摩擦层。
优选的是，所述的外侧金属摩擦层通过固定器件连接在聚合物内摩擦层的底端外侧。
优选的是，所述的聚合物摩擦层的包括金属板和设置在金属板上若干个独立的聚合物突起。
优选的是，所述的聚合物内摩擦层的材料为聚偏二氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸醋或聚丙烯。
优选的是，所述的聚合物突起为聚二甲基硅氧烷。
优选的是，所述的压电材料驻极体为具有压电性质的纤维或薄膜材料，包括偏氟/三氟乙烯共聚物、奇数尼龙、亚乙烯基二氰共聚物、芳香族聚脲、脂肪族聚脲和聚四氟乙烯。
优选的是，所述的电荷收集电极的尖端为圆锥形或棱锥形。
优选的是，所述的金属摩擦电极的材料为铜、铁或铝。
优选的是，所述的电荷屏蔽层的材料为聚乙烯薄膜、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维(再生)海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚丙烯酸酯聚合物、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚缩聚物、氯丁橡胶、丁二烯-丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈或丙烯腈氯乙烯共聚物。
本发明的原理
本发明提供一种自驱动型传感器，其中聚合物摩擦层和金属摩擦电极构成摩擦生电单元，压电材料驻极体和电荷收集电极构成静电击穿单元，外部机械震动(运动)可导致传感器中聚合物摩擦层与金属摩擦电极产生相对滑动，摩擦生电(图3)。对于普通的摩擦发电机，当两者接触面达到饱和时不会产生新的电荷。但是由于本发明使用驻极体材料，驻极体材料具有长期保存电荷的能力，当聚合物摩擦层和金属摩擦电极发生相对滑动时产生电荷。由于电荷收集电极与金属摩擦电极由导线相连，正电荷由电荷收集电极转移到电荷收集电极，当电荷聚集到一定程度，压电聚合物驻极体与电荷收集电极会发生静电击穿现象。由于正电荷始终由聚合物摩擦层经过摩擦转移到金属摩擦层，再经过导线汇集于电荷收集电极。当电荷富集到一定程度，电荷收集电极会与压电驻极体发生静电击穿效应，使得电荷到达压电驻极体材料，因此形成的电流为直流电流。该电流的强度与生理活动产生微弱震动的速率、频率等因素直接相关，因此可以通过检测电流的变化实现对人体生理活动的监测。
本发明的有益效果
本发明提供一种自驱动型传感器，该传感器结构简单、成本低廉，且具有很高的灵敏度，同时，本发明涉及的传感器具有自驱动性，可在无外接电源的情况下直接将生理活动产生的微弱机械运动(例如脉搏跳动、声带震动、桡动脉脉搏，心尖搏动波等)转化为电信号，实现传感器器件的自驱动和信号检测，电流信号直接反映生理活动，避免信号传导带来的系统误差。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种自驱动型传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例1的一种自驱动型传感器作用在人体上的结构示意图；
图3为本发明实施例1的一种自驱动型传感器中金属摩擦层在外力下与聚合物摩擦层产生相对运动的原理示意图；
图4为本发明实施例2的一种自驱动型传感器的结构示意图；
图5为本发明实施例2的一种自驱动型传感器中聚合物摩擦层的结构示意图；
图6为本发明的一种自驱动型传感器用于测试脉搏的示意图。
图中，1、聚合物摩擦层，2、压电材料驻极体，3、电荷收集电极，4、导线，5、聚合物基底，6、电流信号处理器，7、金属摩擦电极，8、电荷屏蔽层，9、器件外壳，10、固定器件，11、外侧金属摩擦层，12、聚合物内摩擦层，13、金属板，14、聚合物突起。
具体实施方式
一种自驱动型传感器，该传感器包括：聚合物摩擦层1、压电材料驻极体2、电荷收集电极3、导线4、聚合物基底5、电流信号处理器6、金属摩擦电极7、电荷屏蔽层8和器件外壳9；
所述的聚合物摩擦层1固定在器件外壳9的一侧，并设置在金属摩擦电极7的一侧，且于金属摩擦电极7相接触；
所述的金属摩擦电极7上表面设有聚合物基底5，聚合物基底5上设有压电材料驻极体2和电荷收集电极3，压电材料驻极体2和电荷收集电极3相对设置且不接触，电荷收集电极3通过导线4与金属摩擦电极7连接，导线4上设有电流信号处理器6；
所述的金属摩擦电极7下表明设有电荷屏蔽层8。
按照本发明，所述的聚合物摩擦层1包括聚合物内摩擦层12和外侧金属摩擦层11，所述的外侧金属摩擦层11通过固定器件10连接在聚合物内摩擦层的底端外侧，所述的固定器件10的作用是将外侧金属摩擦层11固定在聚合物内摩擦层上，优选为卡扣，材料需使用绝缘材料。
按照本发明，所述的聚合物内摩擦层12的材料优选为聚偏二氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸醋或聚丙烯。所述的外侧金属摩擦层11的材料优选为铜、铁或铝。
按照本发明，所述的聚合物摩擦层1包括金属板13和设置在金属板13上若干个独立的聚合物突起14，所述的聚合物突起14之间相互独立，均匀的分布在金属板13上。
按照本发明，所述的金属板13优选为铜板，所述的聚合物突起14的材料优选为聚二甲基硅氧烷。
按照本发明，所述的压电材料驻极体2为具有压电性质的纤维或薄膜材料，优选包括偏氟/三氟乙烯共聚物、奇数尼龙、亚乙烯基二氰共聚物、芳香族聚脲、脂肪族聚脲和聚四氟乙烯。
按照本发明，所述的电荷收集电极3的材料优选为铜、铁或铝，电荷收集电极3的尖端为圆锥形或棱锥形。
按照本发明，所述的聚合物基底5是对压电材料驻极体2和电荷收集电极3起到支撑作用和绝缘作用的，材料选为固态绝缘聚合物材料，优选为聚丙烯酸材料。
按照本发明，所述的电流信号处理器6为电流表。
按照本发明，所述的金属摩擦电极7的材料优选为铜、铁或铝。
按照本发明，所述的电荷屏蔽层8的材料优选为聚乙烯薄膜、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维(再生)海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚丙烯酸酯聚合物、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚缩聚物、氯丁橡胶、丁二烯-丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈或丙烯腈氯乙烯共聚物。
按照本发明，所述器件外壳9为绝缘材料，并且能为器件内部整体上下滑动留有足够的空间。
按照本发明，所述的压电材料驻极体2和电荷收集电极3需与聚合物基底5紧密贴合放置，压电材料驻极体2和电荷收集电极3不接触，压电材料驻极体2也不与聚合物摩擦层1相接触，聚合物摩擦层1和金属摩擦电极7需紧密贴合放置。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
如图1和2所示，该传感器包括聚合物摩擦层1，聚合物摩擦层1包括聚四氟乙烯内摩擦层12和外侧铜摩擦层11，压电材料驻极体2材料为聚偏氟乙烯薄膜，电荷收集电极3为铜电极，聚合物基底5材料为聚丙烯酸材料，电流信号处理器6为电流表，金属摩擦电极7为铜摩擦电极，电荷屏蔽层8材料为聚乙烯，固定器件10的材料为聚乙烯；
聚四氟乙烯内摩擦层12固定在器件外壳9任意一侧面，并设置在金属摩擦电极7的一侧，且于金属摩擦电极7相接触；所述的金属摩擦电极7上表面设有聚合物基底5，聚合物基底5上设有压电材料驻极体2和电荷收集电极3，压电材料驻极体2和具有圆锥尖端的电荷收集电极3水平相对设置且不接触，电荷收集电极3通过导线4与金属摩擦电极7连接，导线4上设有电流表6；聚合物基底5放置于电荷收集电极3和金属摩擦电极7之间用作支撑体且不与聚四氟乙烯内摩擦层12接触。
所述的金属摩擦电极7下表面设有电荷屏蔽层8。
在初始状态，外侧铜摩擦层11与聚四氟乙烯内摩擦层12下端对齐并接触，在外力作用下，外侧铜摩擦层11沿着聚四氟乙烯内摩擦层12随力的方向滑动，由于摩擦生电效应，外侧铜摩擦层11带正电，聚四氟乙烯内摩擦层12带负电，聚四氟乙烯内摩擦层12具有长期保存电荷的能力，当使用这种材料时会产生电荷会停留在原滑动所经过的位置的现象，同时外侧铜摩擦层11在返复摩擦时消除聚四氟乙烯已经保存的电荷，使得内侧的金属摩擦电极7与聚四氟乙烯内摩擦层12在继续滑动时接触面还会继续电荷的传递来达到电荷的平衡状态，同时利用铜电荷收集电极3与压电材料驻极体2由于处于弯曲状态带负电端放电，当电荷收集电极3和压电材料驻极体2之间的电压超过它们之间空气的介电强度，就会使附近的空气部分电离并开始导电，电流的方向始终是由金属摩擦电极7指向铜电荷收集电极3的方向，产生的电流能被导线上的电流表识别记录。
当器件在进行脉搏心跳的测试时，电荷屏蔽层8紧贴皮肤，器件正立放置在脉搏处和心尖搏动处如图6所示。
实施例2
如图4和5所示，该传感器包括聚合物摩擦层1，聚合物摩擦层1包括金属板13和聚合物突起14，金属板1选为铜板，聚合物突起2材料选为聚二甲基硅氧烷，压电材料驻极体2材料为聚偏氟乙烯薄膜，电荷收集电极3为具有圆锥尖端的铝电极，聚合物基底5材料为聚丙烯酸材料，电流信号处理器6为电流表，金属摩擦电极7为铝摩擦电极，电荷屏蔽层8材料为聚乙烯薄膜；
其中聚合物摩擦层1为若干独立的聚甲基硅氧烷突起状立方体14集成在铜板13上(其中所述的独立的突起为中间带有空隙的突起)。铜板1固定在器件外壳9任意一侧面，电荷屏蔽层8与金属摩擦电极7下表面粘合为整体与聚合物突起14接触，且底端对齐放置同时铝电荷收集电极3通过导线4相连，导线4上有电流表6，具有圆锥尖端铝电极3与弯曲的压电材料驻极体2的拉伸端水平相对放置。聚丙烯酸作为聚合物基底5放置于电荷收集电极3和金属摩擦电极7之间用作支撑体且不与聚二甲基硅氧烷突起2接触。在初始状态时，金属摩擦电极7和电荷屏蔽层8与带有聚二甲基硅氧烷突起14的金属板13下端对齐，在外力作用下，金属摩擦电极7和电荷屏蔽层8沿着金属板13随力的方向滑动，产生电流。
Claims (10)
1.一种自驱动型传感器，其特征在于，该传感器包括：该传感器包括：聚合物摩擦层、压电材料驻极体、电荷收集电极、导线、聚合物基底、电流信号处理器、金属摩擦电极、电荷屏蔽层和器件外壳；
所述的聚合物摩擦层固定在器件外壳的一侧，并设置在金属摩擦电极的一侧，且与金属摩擦电极相接触；所述的金属摩擦电极上表面设有聚合物基底，聚合物基底上设有压电材料驻极体和电荷收集电极，压电材料驻极体和电荷收集电极相对设置，电荷收集电极通过导线与金属摩擦电极连接，导线上设有电流信号处理器；所述的金属摩擦电极下表面设有电荷屏蔽层；
所述的聚合物摩擦层和金属摩擦电极构成摩擦生电单元，压电材料驻极体和电荷收集电极构成静电击穿单元，外部机械震动导致传感器中聚合物摩擦层与金属摩擦电极产生相对滑动，摩擦生电，驻极体材料具有长期保存电荷的能力，当聚合物摩擦层和金属摩擦电极发生相对滑动时产生电荷，由于电荷收集电极与金属摩擦电极由导线相连，正电荷由电荷收集电极转移到电荷收集电极，当电荷聚集到一定程度，压电聚合物驻极体与电荷收集电极会发生静电击穿现象；由于正电荷始终由聚合物摩擦层经过摩擦转移到金属摩擦层，再经过导线汇集于电荷收集电极，当电荷富集到一定程度，电荷收集电极会与压电驻极体发生静电击穿效应，使得电荷到达压电驻极体材料，因此形成的电流为直流电流，通过检测电流的变化实现对人体生理活动的监测。
2.根据权利要求1所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的聚合物摩擦层包括聚合物内摩擦层和外侧金属摩擦层。
3.根据权利要求2所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的外侧金属摩擦层通过固定器件连接在聚合物内摩擦层的底端外侧。
4.根据权利要求2所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的聚合物内摩擦层的材料为聚偏二氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸醋或聚丙烯。
5.根据权利要求1所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的聚合物摩擦层的包括金属板和设置在金属板上若干个独立的聚合物突起。
6.根据权利要求5所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的聚合物突起为聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求1所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的压电材料驻极体为具有压电性质的纤维或薄膜材料，包括偏氟/三氟乙烯共聚物、奇数尼龙、亚乙烯基二氰共聚物、芳香族聚脲、脂肪族聚脲或聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的电荷收集电极的尖端为圆锥形或棱锥形。
9.根据权利要求1所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的金属摩擦电极的材料为铜、铁或铝。
10.根据权利要求1所述的一种自驱动型传感器，其特征在于，所述的电荷屏蔽层的材料为聚乙烯薄膜、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维再生海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚丙烯酸酯聚合物、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚缩聚物、氯丁橡胶、丁二烯-丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈或丙烯腈氯乙烯共聚物。
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