CN111174945A - 基于摩擦纳米发电机的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器，包括：摩擦纳米发电机及与所述压力摩擦纳米发电机连接的感应元件。本发明提供的基于摩擦纳米发电机的压力传感器通过摩擦纳米发电机将机械能有效地转化为电能，以实现白驱动，避免了压力传感器需要额外能量驱动的情况，从而提高了压力传感器的适应性，还可以大大降低系统的尺寸和重量。

Description

基于摩擦纳米发电机的压力传感器

技术领域

本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器。

背景技术

随着人们生活水平的提高和技术的不断发展，越来越多的智能电子器件进入我们的生活，其中的核心部件传感器担负着感知周围环境和外界变化的作用。

然而，现有的传感器大都基于有源电子器件来设计，无论在进行信号采集还是信号处理都需要额外的能量供给，这不仅缩短了传感器的使用寿命和续航本领，同时也限制了传感器的适用范围。

发明内容

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器。

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器，包括：摩擦纳米发电机及与所述压力摩擦纳米发电机连接的感应元件。

根据一些实施方式，所述摩擦纳米发电机包括下支撑板、电极、下垫片、振动膜、上垫片及上支撑板，所述电极固定于所述下支撑板的上表面，所述下垫片设置于所述电极的两端且固定于所述下支撑板的上表面，所述振动膜固定于所述下垫片的上表面，所述上垫片与所述下垫片相对设置，所述上垫片的下表面固定于所述振动膜的上表面，所述上支撑板固定于所述上垫片的上表面。

根据一些实施方式，所述摩擦纳米发电机包括下支撑板、电极、振动膜、上支撑板及弹簧，所述下支撑板与所述上支撑板相对设置并通过所述弹簧相连接，所述电极固定于所述上支撑板，所述振动膜固定于所述下支撑板。

根据一些实施方式，所述摩擦纳米发电机包括下支撑板、电极及振动膜，所述下支撑板、电极、振动膜均为叶片式结构且同轴设置，所述下支撑板、振动膜固定，所述电极可绕中心轴旋转。

根据一些实施方式，所述摩擦纳米发电机还包括安装管，所述上支撑板设有凹槽，所述安装管固定于所述上支撑板的凹槽。

根据一些实施方式，所述感应元件设置于所述安装管中，所述感应元件的底面与所述上支撑板的凹槽的底面贴合。

根据一些实施方式，所述感应元件放置于所述摩擦纳米发电机附近固定位置与所述摩擦纳米发电机串联。

根据一些实施方式，所述感应元件为弹性泡沫状导电物体。

根据一些实施方式，所述感应元件可选聚氨酯、聚酰亚胺、三聚氰胺、聚氯乙烯或酚醛作为弹性泡沫骨架，并与石墨烯、导电炭黑、碳纳米管或细菌纤维素复合而制成。

根据一些实施方式，所述感应元件为聚酰亚胺与二维导电材料石墨烯制备而成的弹性气凝胶。

根据一些实施方式，还包括若干LED灯，用于可视化显示电流。

本发明的基于摩擦纳米发电机的传感器的有益效果为：

1、通过摩擦纳米发电机将机械能有效地转化为电能，以实现自驱动，避免了压力传感器需要额外能量驱动的情况，从而提高了压力传感器的适应性，还可以大大降低系统的尺寸和重量。

2、采用摩擦纳米发电机与弹性气凝胶组合而成，结构简单、制作简便、成本低、灵敏度高，实现了对不同压力的快速响应。

3、采用机械性能优异的弹性气凝胶作为感应元件，可以在多次压力循环后保持较好的机械循环性能，稳定性好、使用寿命长。

4、可根据实际需求设计出不同材料、不同形状规则的弹性气凝胶作为感应元件，以实现不同压力的检测，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例的摩擦纳米发电机的工作原理示意图；

图4为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为15mm弹性气凝胶且在0N压力条件下的输出电压示意图；

图5为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为15mm弹性气凝胶且在0N压力条件下的输出电流示意图；

图6为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为15mm弹性气凝胶且在6N压力条件下的输出电压示意图；

图7为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为15mm弹性气凝胶且在6N压力条件下的输出电流示意图；

图8为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为15mm弹性气凝胶且在6N压力条件下外接可变电阻时电流变化示意图及相应的功率变化示意图；

图9为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为30mm弹性气凝胶且在0N压力条件下的输出电压示意图；

图10为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为30mm弹性气凝胶且在0N压力条件下的输出电流示意图；

图11为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为30mm弹性气凝胶且在30N压力条件下的输出电压示意图；

图12为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为30mm弹性气凝胶且在30N压力条件下的输出电流示意图；

图13为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为30mm弹性气凝胶且在0-30N压力条件下输出电压随压力变化的示意图及输出电压的变化率示意图；

图14为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器在放置高度为30mm弹性气凝胶且在0-30N压力条件下输出电压随压力变化的循环变化曲线示意图；

图15为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器与LED耦合的器件结构示意图；

图16为本发明另一实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器的结构示意图；

图17为本发明又一实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1及图2所示，为本发明实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器100。本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100包括摩擦纳米发电机10及与压力摩擦纳米发电机10连接的感应元件19。

摩擦纳米发电机10包括下支撑板11、电极12、下垫片13、振动膜14、上垫片15、上支撑板16及安装管17。

下支撑板11为长方体形状。本实施例中，下支撑板11为亚克力板，尺寸规格为100×15×5mm，即长度为100mm，宽度为15mm，厚度为5mm。

电极12固定于下支撑板11的上表面。电极12为上表面附着银纳米颗粒的相纸。相纸的下表面通过PET双面胶粘贴在下支撑板11的上表面。电极12上表面附着银纳米颗粒而作为摩擦纳米发电机10的电极并与导线连接形成输出电极。电极12为长条状，宽度与下支撑板11相同，厚度为0.2mm。电极12中相纸需经电动对辊机辊压，使得银纳米颗粒紧密附着在相纸上，以避免在吹风环境下银纳米颗粒脱落，同时相纸须紧密粘贴在下支撑板11的上表面。

下垫片13为两个，分别设置于电极12的两端且固定于下支撑板11的上表面。下垫片13用于支撑和固定振动膜14。本实施例中，下垫片13为亚克力薄片，尺寸规格为10×10×2mm，即长度为10mm，宽度为10mm，厚度为2mm。

振动膜14固定于两个下垫片13的上表面。振动膜14能够在吹风环境下于下支撑板11和上支撑板16之间发生弹性形变。可以理解，振动膜14为有机高分子薄膜材料，可选自尼龙、聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物等材料。本实施例中，振动膜14为尼龙振动膜，尺寸规格为100×15×0.05mm，即长度为100mm，宽度为15mm，厚度为0.05mm。

上垫片15为两个，分别与两个下垫片13相对设置。上垫片15下表面固定于振动膜14的上表面，上表面固定于上支撑板16的下表面。上垫片15与下垫片13将振动膜14夹设于中间以固定。本实施例中，上垫片13为亚克力薄片，尺寸规格为10×10×2mm，即长度为10mm，宽度为10mm，厚度为2mm。

上支撑板16固定于上垫片15的上表面。上支撑板16的上表面设有用于放置安装管17的凹槽162。本实施例中，上支撑板16为亚克力板，尺寸规格为100×15×10mm，即长度为100mm，宽度为15mm，厚度为10mm。本实施例中，凹槽162是边长为14mm的正方形凹槽，深度为8-9mm。

安装管17固定于上支撑板16的凹槽162。安装管17为四块围板粘贴而形成的空心方管，且四块围板分别粘贴于上支撑板16的凹槽162的四周内壁上。围板的尺寸规格14×30×2mm，即边长为14mm，高度为30mm，厚度为2mm。安装管17用于容纳感应元件19，可以起到避免感应元件19在吹风条件下发生形变的作用。

可以理解，摩擦纳米发电机10还包括螺钉18，螺钉18依次穿过上支撑板16、上垫片15、振动膜14、下垫片13、下支撑板11，以起到固定和支撑作用，使得摩擦纳米发电机10在吹风环境下可以保持稳定的状态。

感应元件19设置于安装管17中，感应元件19的底面与上支撑板16的凹槽162的底面贴合。可以理解，感应元件19可以放置于上支撑板16的任何位置，或者放置于摩擦纳米发电机10附近固定位置与摩擦纳米发电机10串联。本实施例中，感应元件19为长方体形状，底面是边长为14mm的正方形，高度按照实验设计和压力测量范围可以实现相应的数值。感应元件19由于静电感应可感应出电荷作为传感器的另一电极并与导线连接而形成输出电极。感应元件19为机械性能较好的弹性泡沫状导电物体，可选聚氨酯、聚酰亚胺、三聚氰胺、聚氯乙烯或酚醛作为弹性泡沫骨架，并与石墨烯、导电炭黑、碳纳米管或细菌纤维素复合，制备出感应元件19。本实施例中，感应元件19为聚酰亚胺与二维导电材料石墨烯制备而成的弹性气凝胶。感应元件19在压力作用下，高度会逐渐降低，随着高度降低，整体电阻会随之减小。

本实施例中的弹性气凝胶制备方法如下：

首先，在低温环境下制备出聚酰亚胺前驱体粉末。然后，将一定浓度的氧化石墨溶液和聚酰亚胺溶液按照一定的体积比混合均匀，并将混合物在-80℃冷冻成固体，再将其放入冷冻干燥机进行48小时的冷冻干燥。最后，在氮气氛围下以5℃/min的升温速度升温到300℃，并在300℃温度下热处理2小时后自然冷却至室温而得到弹性气凝胶。

如图3所示，本发明实施例的摩擦纳米发电机10的工作原理如下：

电极12上表面附着银纳米颗粒而形成输出电极。感应元件19由于静电感应可感应出电荷而形成另一输出电极。由于电极12与振动膜14对电子的束缚本领有差异，导致在吹风环境下相互摩擦时电极12得到电子带负电，振动膜14失去电子带正电，同时，上支撑板16得到电子带负电，感应元件19会感应出正电荷带正电，电极12、振动膜14、上支撑板16和感应元件19这四个部件所带正负电荷的数目和相等。当振动膜14向下运动接近电极12时，电极12感应出更多的负电荷，感应元件19感应出更多的正电荷，因而产生自下而上的电流；当振动膜14向上运动远离电极12时，感应元件19感应出更多的负电荷，电极12感应出更多的正电荷，因而产生自上而下的电流。振动膜14在风力作用下于电极12和上支撑板16之间往复运动，在感应元件19和电极12之间产生周期性变化的输出信号，有效的将风能转化为电能。

结合图3，本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100的基本原理如下：

振动膜14在风力作用下于电极12和上支撑板16之间往复运动，在感应元件19和电极12之间产生周期性变化的输出信号，当有物体落在感应元件19上或有压力施加在感应元件19上时，感应元件19的高度会逐渐降低，因此感应元件19的电阻会逐渐减小，从而摩擦纳米发电机10的输出电压和输出电流都会增大；相反，当落在感应元件19上的物体或所施加的压力撤去时，感应元件19高度恢复初始状态，摩擦纳米发电机10的输出电压和输出电流也会回到初始值。可以理解，感应元件19对所施加的不同大小的压力，其形变响应不同，因此，电阻变化也不同，相应的，摩擦纳米发电机10的输出电压曲线和输出电流曲线也不同。输出电压与所施加的压力大小呈一定的规律和相关性，以此可根据摩擦纳米发电机10的输出电压计算出所施加的压力大小，从而实现本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100感知压力的功能。

可以理解，初始高度不同的感应元件19具有不同的初始电阻，因此，高度不同的感应元件19对于外界压力具有不同的响应能力。高度越小的感应元件19对于较小的压力具有较大的灵敏度，同时压力到达一定范围后不会有更大的形变和输出响应；相反，高度越大的感应元件19在较大压力下会有比较好的响应，同时具有较大的压力响应范围。因此，可以通过调控感应元件19的高度(H)与底面积(S)的比值来探究不同比值对于压力的响应灵敏度，H/S的比值越小感应元件19因压力变化引起的电阻变化较小，输出信号的改变率较小，适当提高H/L的比值可以增大传感器对于压力的响应变化率，但是同时考虑到感应元件2制备工艺和对感应元件2机械强度的高要求，H/L的比值需要适中。

如图4及图5所示，本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100放置高度为15mm的弹性气凝胶(感应元件19)，当摩擦纳米发电机10放置于风速为10m/s的环境中时，在没有压力作用下摩擦纳米发电机10的输出电压为92V，输出电流为6.2μA。如图6及图7所示，当压力增加到6N时，弹性气凝胶的高度降低，整体电阻减小，摩擦纳米发电机10的输出电压增加到150V，输出电流为8μA。如图8所示，当在高度为15mm的弹性气凝胶上施加6N压力，外接可变电阻时，可以得到摩擦纳米发电机10的电流及功率的变化曲线，摩擦纳米发电机10的最大功率为0.22mW，内阻为10MΩ。

如图9及图10所示，本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100放置高度为30mm的弹性气凝胶(感应元件19)，当摩擦纳米发电机10放置于风速为10m/s的环境中时，在没有压力作用下摩擦纳米发电机10的输出电压为60V，输出电流为4.2μA。与高度为15mm的弹性气凝胶相比，放置高度为30mm的弹性气凝胶的摩擦纳米发电机10的输出信号要小很多，这是因为弹性气凝胶在电场中通过静电感应获得电荷，因此弹性气凝胶高度越高，感应到的电荷就越少，输出信号也随之减小。如图11及图12所示，当压力增加到30N时，弹性气凝胶的高度降低，整体电阻减小，摩擦纳米发电机10的输出电压增加到130V，输出电流为7.5μA。

如图13所示，在高度为30mm的弹性气凝胶上施加0-30N的压力，对摩擦纳米发电机10的输出电压进行采集并绘制图像，可以得到摩擦纳米发电机10的输出电压随压力的变化曲线及输出电压的变化率曲线，通过数据处理软件对输出电压随压力的变化曲线进行拟合，拟合出输出电压随压力的变化函数关系式：Voltage＝85·Stress^0.12，可根据这一变化函数关系在输出电压已知的条件下直接得到此时施加在弹性气凝胶上的压力大小。

如图14所示，在高度为30mm的弹性气凝胶上施加0-30N的压力，对弹性气凝胶进行多次挤压循环，通过测量摩擦纳米发电机10的输出电压，可以看出发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100保持较好的机械循环性能，稳定性好、使用寿命长。

如图15所示，为本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器100与LED 101进行耦合形成的可视化器件结构。其中，弹性气凝胶高度为30mm，LED为12颗。将12颗LED灯泡首尾依次相连，摩擦纳米发电机10的电极12、弹性气凝胶(感应元件19)分别作为正极、负极，在吹风环境内，将风能转化成为电能，当有压力施加在弹性气凝胶上时，输出电流变大，LED灯泡的亮度逐渐变亮，相反，当所施加压力逐渐减小时，LED灯泡的亮度逐渐变暗，以此将施加在弹性气凝胶上的压力变化情况实现可视化展现。

如图16所示，本发明另一实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器200包括摩擦纳米发电机20及与压力摩擦纳米发电机20连接的感应元件(图未示)。其中，摩擦纳米发电机20包括下支撑板21、电极22、振动膜24、上支撑板26及弹簧28。可以理解，感应元件可以放置于上支撑板26的任何位置，或者放置于摩擦纳米发电机20附近固定位置与摩擦纳米发电机20串联。

下支撑板21与上支撑板26相对设置并通过弹簧28相连接。本实施例中，电极22固定于上支撑板26，振动膜24固定于下支撑板21。可以理解，电极22也可以固定于下支撑板21，振动膜24固定于上支撑板26。

本实施例的摩擦纳米发电机20为震动摩擦型，通过震动使得上支撑板26相对下支撑板21上下运动，从而带动电极22相对振动膜24做远离或靠近运动，进而实现感应元件和电极22之间产生周期性变化的输出信号，以有效的将震动能转化为电能。

如图17所示，本发明又一实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器300包括摩擦纳米发电机30及与压力摩擦纳米发电机30连接的感应元件(图未示)。其中，摩擦纳米发电机30包括下支撑板31、电极32、振动膜34。可以理解，感应元件可以放置于下支撑板31的任何位置，或者放置于摩擦纳米发电机30附近固定位置与摩擦纳米发电机30串联。

下支撑板31、电极32、振动膜34均为叶片式结构且同轴，下支撑板31、振动膜34固定，电极32可绕中心轴旋转。

本实施例的摩擦纳米发电机30为旋转摩擦型，通过外力使得电极32旋转而相对振动膜34做远离或靠近运动，进而实现感应元件和电极32之间产生周期性变化的输出信号，以有效的将震动能转化为电能。

本发明实施例的基于摩擦纳米发电机的压力传感器的有益效果为：

1、通过摩擦纳米发电机将机械能有效地转化为电能，以实现自驱动，避免了压力传感器需要额外能量驱动的情况，从而提高了压力传感器的适应性，还可以大大降低系统的尺寸和重量。

2、采用摩擦纳米发电机与弹性气凝胶组合而成，结构简单、制作简便、成本低、灵敏度高，实现了对不同压力的快速响应。

3、采用机械性能优异的弹性气凝胶作为感应元件，可以在多次压力循环后保持较好的机械循环性能，稳定性好、使用寿命长。

4、可根据实际需求设计出不同材料、不同形状规则的弹性气凝胶作为感应元件，以实现不同压力的检测，适用范围广。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (11)

1.一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器，其特征在于，包括：摩擦纳米发电机及与所述摩擦纳米发电机连接的感应元件。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括下支撑板、电极、下垫片、振动膜、上垫片及上支撑板，所述电极固定于所述下支撑板的上表面，所述下垫片设置于所述电极的两端且固定于所述下支撑板的上表面，所述振动膜固定于所述下垫片的上表面，所述上垫片与所述下垫片相对设置，所述上垫片的下表面固定于所述振动膜的上表面，所述上支撑板固定于所述上垫片的上表面。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括下支撑板、电极、振动膜、上支撑板及弹簧，所述下支撑板与所述上支撑板相对设置并通过所述弹簧相连接，所述电极固定于所述上支撑板，所述振动膜固定于所述下支撑板。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括下支撑板、电极及振动膜，所述下支撑板、电极、振动膜均为叶片式结构且同轴设置，所述下支撑板、振动膜固定，所述电极可绕中心轴旋转。

5.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括安装管，所述上支撑板设有凹槽，所述安装管固定于所述上支撑板的凹槽。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述感应元件设置于所述安装管中，所述感应元件的底面与所述上支撑板的凹槽的底面贴合。

7.根据权利要求1-4任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述感应元件放置于所述摩擦纳米发电机附近固定位置与所述摩擦纳米发电机串联。

8.根据权利要求1-7任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述感应元件为弹性泡沫状导电物体。

9.根据权利要求1-8任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述感应元件可选聚氨酯、聚酰亚胺、三聚氰胺、聚氯乙烯或酚醛作为弹性泡沫骨架，并与石墨烯、导电炭黑、碳纳米管或细菌纤维素复合而制成。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述感应元件为聚酰亚胺与二维导电材料石墨烯制备而成的弹性气凝胶。

11.根据权利要求1-10任一项所述的压力传感器，其特征在于，还包括若干LED灯，用于可视化显示电流。

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