CN111327225A - 一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器及其制备方法，包括测试腔以及进出气管道，所述进出气管道从测试腔内部延伸到测试腔的外部，所述测试腔内部设置有移动块和固定块。本发明的自供能一体化结构通过结合气囊涨缩与弹性部件的回复作用，使杠杆两侧的负摩擦薄膜组件与其相对的正摩擦薄膜组件相互滑动分离工作；通过不同结构补偿型这种基础的传感器工作模式，在可以得到外界机械能大小与频率的同时也可以推导出目标影响因素的确切大小；利用弹性部件具有横向的回弹性能，还可以用于检测横向周期摆动的幅度与频率，也可以用作对运动物体瞬间加速度的检测。

Description

一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器及其制备 方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、传感器和电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器及其制备方法。

背景技术

呼吸、走路、手臂摆动等自然周期性行为大量存在于人类日常生活中，如果可以将这些机械能转化成电能的话将会减少其他具有潜在污染的发电方式的使用，这对环境生态保护具有十分重要的意义。摩擦纳米发电机利用摩擦起电与静电感应的耦合作用，能够将环境中的机械能直接转换为电信号输出，具有输出信号强、结构简单、成本低廉、集成度高、环境友好等优点。更进一步说，基于摩擦纳米发电机的一体化自供能传感器将发电单元与敏感单元结合在一起，进一步提升器件的集成度与空间利用率，是未来无线无源传感器件发展的一个颇具潜力的方向。目前的摩擦纳米发电机主要采用接触分离式结构，这类器件具有高输出、能量利用率高、结构简单等优势。然而摩擦薄膜之间的长期接触产生的磨损会导致其工作寿命较短，严重制约了这类器件的大规模生产与使用。而另一类通过相对滑动分离的器件由于可以在非接触的情况下产生电荷交换，因此其工作寿命可以大幅度的延长。基于此，针对滑动分离器件的研究是自供能传感器实用化发展的重要组成部分。

目前利用滑动分离工作模式采集人体活动机械能的装置研究还比较少，主要集中在通过运动产生的气流驱动两个对立的扇叶进行周期性的转动来产生电信号输出。如CN107238652A公布了一种基于非对称静电屏蔽效应的一体化自供能气体传感器，该传感器通过采集呼吸气流驱动扇叶转动的同时，呼出气可以与目标气体发生反应产生相应的静电屏蔽最终改变最终的电压信号幅度。然而由于需要让扇叶能够被吹动，需要对器件结构进行比较巧妙的设计，相关的设计与制备方面成本偏高，若要实现大规模的生产还需要进行更为简便的设计。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述目前自供能传感器的能量收集单元和敏感单元的一体化设置导致对摩擦纳米发电机器件结构要求高、针对单向气流进行检测以及只能检测一个参数的问题，本发明的第一个目的是提供一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，包括测试腔以及进出气管道，所述进出气管道从测试腔内部延伸到测试腔的外部，所述测试腔内部设置有移动块和固定块；

所述移动块包括杠杆、分别固定设置在杠杆两端的负摩擦薄膜组件以及固定设置在杠杆上带有小孔的气囊，所述进出气管与气囊的小孔密封连接且形成气流的通路，所述杠杆通过弹性的部件悬空固定；所述气囊可以是气球；

所述固定块包括正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件，所述正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件的一端固定；

所述正摩擦薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件面对面的设置且相互隔离，所述正电性的敏感薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件面对面的设置且相互隔离；利用弹性部件的自回复性，通过采集前后摆动使固定块与移动块的前后滑动分离，或者通过采集呼吸驱动气囊膨胀收缩使固定块与移动块的上下滑动分离，产生交变电信号输出。所述弹性部件可以指轻质弹簧。

本发明的工作原理是：本申请的一体化自供能传感器通过结合气囊涨缩与弹性部件的回复作用，使杠杆两侧的负摩擦薄膜组件与其相对的正摩擦薄膜组件相互滑动分离，与此同时由于一侧的正摩擦薄膜组件为稳定的，因此该侧的信号输出将很好的反应作用机械能的幅度与频率；而另一侧的正摩擦薄膜组件可以与环境中的某个因素反应产生静电屏蔽产生幅度上的偏差，因此通过不同结构补偿型这种基础的传感器模式来反向推导出该因素的确切大小，即本申请的一体化自供能传感器可以针对多个参数进行同时检测；另外，由于弹性部件具有横向的回弹性能，还可以用于检测横向周期摆动的幅度与频率，也可以用作对运动物体瞬间加速度的检测。

进一步的，所述正摩擦薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件之间的间隔为0.2-0.6cm，优选为0.5cm；所述正电性的敏感薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件之间的间隔为0.2-0.6cm，优选的0.5cm。

进一步的，所述移动块中的负摩擦薄膜组件包括衬底和附着在衬底上的负摩擦薄膜；所述负摩擦薄膜为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或铁氟龙(PTFE)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)或铁氟龙(PTFE)为摩擦电序列偏向负电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料。

进一步的，所述固定块中的正摩擦薄膜组件从外侧向里侧分别为衬底、附着在衬底上的电极以及在电极上的正摩擦薄膜，所述正摩擦薄膜为尼龙、丝绸中的一种或其制成复合膜。尼龙、丝绸均为摩擦电序列偏向正电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料。

进一步的，所述固定块中的正电性的敏感薄膜组件从外侧向里侧分别为衬底、附着在衬底上的电极以及在电极上的正电性的敏感薄膜，所述正电性的敏感薄膜为聚苯胺(PANI)，氧化石墨烯(GO)，聚酰亚胺(PI)中的一种或形其成的复合膜。聚苯胺(PANI)，氧化石墨烯(GO)，聚酰亚胺(PI)均为摩擦电序列偏向正电性的、对某种环境因素有明显响应的材料。聚苯胺薄膜用于检测呼出气中氨气的浓度，气喷PI(湿敏材料)、GO(温敏材料)可以制备相应的检测呼出气温度、湿度的器件。

进一步的，所述电极材料为铝、镍、铜、银和金中的任意一种；所述电极的厚度为100-200nm。

本发明的另一个目的是提供一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)杠杆以及相应的组件的制备：取柔性有机薄膜，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，经过清洗并干燥，裁剪成杠杆以及相应的衬底，将衬底分别制备相应的负摩擦薄膜组件、正摩擦薄膜组件、正电性的敏感薄膜组件；

(2)组装：在杠杆两端分别固定负摩擦薄膜组件，杠杆中央粘贴带小孔的气囊，气囊两侧通过进出气管道相连，杠杆用轻质弹性部件固定；在移动块的两侧对立搭建正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件；通过亚克力玻璃板进行测试腔的组装，采用金电极引出导线与静电计相连。

进一步的，步骤(1)中所述正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件中的电极均是通过热蒸发方法制备。

进一步的，步骤(1)中所述衬底大小为4cmⅹ6cm。

优选地，玻璃板的厚度为3mm，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)厚度为0.1mm，静电计为Keithley 6514静电计。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1)本发明的自供能一体化结构通过结合气囊涨缩与弹性部件的回复作用，使杠杆两侧的负摩擦薄膜组件与其相对的正摩擦薄膜组件相互滑动分离工作；通过不同结构补偿型这种基础的传感器工作模式，在可以得到外界机械能大小与频率的同时也可以推导出目标影响因素的确切大小；利用弹性部件具有横向的回弹性能，还可以用于检测横向周期摆动的幅度与频率，也可以用作对运动物体瞬间加速度的检测；

2)本发明不需要外部供电系统，且通过一体化结构将发电单元、传感单元以及检测电路成功地集成在一个小型绝缘测试腔内部，不仅简化了器件结构而且方便携带、易于安装放置；

3)本发明提出的器件结构制作简单、对材料无特殊要求，成本低并且能够充分采集人体运动机械能并转换成电能输出，从而使得传感器能够自发自主地正常工作。

附图说明

图1为本发明所提供的自供能传感器设计图；

图2为本发明收集人体呼出气流机械能的发电机理图；

图3为本发明收集人体手臂摆动机械能的发电机理图；

图4为器件横向周期摆动时所测的发电机输出电压变化图；

图5为器件受到纵向周期压力时所测的发电机输出电压变化图；

图6为模拟呼吸驱动气囊运动时所测的发电机输出电压变化图。

图中标记为：1-气囊，2-负摩擦薄膜组件，3-导电电极，5-弹性部件，6-杠杆，7-进出气管道，8-测试腔，9-静电计，41-正摩擦薄膜组件，42-正电性的敏感薄膜组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，包括测试腔8以及进出气管道7，所述进出气管道7从测试腔8内部延伸到测试腔8的外部，所述测试腔8内部设置有移动块和固定块；

所述移动块包括杠杆6、分别固定设置在杠杆6两端的负摩擦薄膜组件2以及固定设置在杠杆6上带有小孔的气囊1，所述进出气管与气囊1的小孔密封连接且形成气流的通路，所述杠杆6通过弹性的部件悬空固定；

所述固定块包括正摩擦薄膜组件41以及正电性的敏感薄膜组件42，所述正摩擦薄膜组件41以及正电性的敏感薄膜组件42的一端固定；

所述正摩擦薄膜组件41与相应的负摩擦薄膜组件2面对面的设置且相互隔离，所述正电性的敏感薄膜组件42与相应的负摩擦薄膜组件2面对面的设置且相互隔离；利用弹性部件5的自回复性，通过采集前后摆动使固定块与移动块的前后滑动分离，或者通过采集呼吸驱动气囊1膨胀收缩使固定块与移动块的上下滑动分离，产生交变电信号输出。

本发明基于摩擦起电以及静电感应相结合的原理，利用不同材料之间的摩擦电序差使得相对的薄膜在接触分离的过程中不断积累/释放电荷，从而在外电路产生交变电流。本发明实现一种将气流、摆动等人类日常周期行为产生的机械能转化为电能的自供能一体化摩擦电纳米发电机，同时具备检测外界某个环境因素的变化量的能力。

其中，可采集呼吸与摆动机械能的“杠铃式”摩擦纳米发电机的发电原理分别如图2、图3所示。以呼吸驱动为例：当气囊1被吹起产生膨胀的瞬间，气囊1带着附着有负摩擦材料的移动块向一侧发生相对滑动，表面的负摩擦材料与空气发生摩擦，负摩擦材料带负电荷而附着在负摩擦材料表面的空气部分带等量的正电荷，由于移动块与固定块之间的间隙很小，且固定块表面的正摩擦材料具有大的比表面积，因此空气中的可移动的正电荷被正摩擦材料表面吸附，然后很快流向正摩擦材料背后的金属电极(图2(a))。当气囊1开始膨胀时：对固定块而言，在移动块发生相对滑动的过程中，移动块与固定块之间的相对面积减少导致所需屏蔽负摩擦薄膜表面的正电荷数目减少，固定块的金属电极多余的表面正电荷将会部分流向大地以维持整体静电平衡的状态，电压逐渐减少(图2(b，c))；当固定块与移动块完全错开时，固定块金属电极的所有正电荷将全部流向大地(图2(d))。当气囊1因为吸气收缩时：移动块重新开始与固定块之间产生相对面积，对固定块而言，移动块的相对面积增加导致相对摩擦薄膜负电荷数目增加，固定块电极将会从大地抽取正电荷以维持静电平衡状态，导致电压逐渐增大(图2(e，f))，当两部分完全重合时，固定块金属电极的所有失去的正电荷回到金属电极上，此时电极与地之间的正向电压最大(图2(a))。周期性摆动的发电过程与呼吸发电过程类似，通过周期性的摆动与弹性部件5的回复力作用使移动块产生横向简谐运动，导致器件产生周期性的静电屏蔽，最终产生周期性的感应电压(图3)。

图4为器件固定在手臂处摆动时所测的发电机输出电压变化图，图5为器件受到纵向周期按压时所测的发电机输出电压变化图，图6为模拟呼吸驱动气囊1运动(气流量1.5L/min，频率1.77Hz)时所测的发电机稳定输出电压变化图。

实施例2

在实施例1的基础上，所述正摩擦薄膜组件41与相应的负摩擦薄膜组件2之间的间隔为0.5cm；所述正电性的敏感薄膜组件42与相应的负摩擦薄膜组件2之间的间隔为0.5cm。

实施例3

在实施例1的基础上，所述负摩擦薄膜组件2包括衬底和附着在衬底上的负摩擦薄膜；所述负摩擦薄膜为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或铁氟龙(PTFE)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)或铁氟龙(PTFE)为摩擦电序列偏向负电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料。

实施例4

在实施例1的基础上，所述固定块中的正摩擦薄膜组件41从外侧向里侧分别为衬底、附着在衬底上的电极以及在电极上的正摩擦薄膜，所述正摩擦薄膜为尼龙、丝绸中的一种或其制成复合膜。尼龙、丝绸均为摩擦电序列偏向正电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料。

所述固定块中的正电性的敏感薄膜组件42从外侧向里侧分别为衬底、附着在衬底上的电极以及在电极上的正电性的敏感薄膜，所述正电性的敏感薄膜为聚苯胺(PANI)，氧化石墨烯(GO)，聚酰亚胺(PI)中的一种或形其成的复合膜。聚苯胺(PANI)，氧化石墨烯(GO)，聚酰亚胺(PI)均为摩擦电序列偏向正电性的、对某种环境因素有明显响应的材料。聚苯胺薄膜用于检测呼出气中氨气的浓度，气喷PI(湿敏材料)、GO(温敏材料)可以制备相应的检测呼出气温度、湿度的器件。

进一步的，所述电极材料为铝、镍、铜、银和金中的任意一种；所述电极的厚度为100-200nm。

实施例5

一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)杠杆6以及相应的组件的制备：取柔性有机薄膜，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，经过清洗并干燥，裁剪成杠杆6以及相应的衬底，将衬底分别制备相应的负摩擦薄膜组件2、正摩擦薄膜组件41、正电性的敏感薄膜组件42；

(2)组装：在杠杆6两端分别固定负摩擦薄膜组件2，杠杆6中央粘贴带小孔的气囊1，气囊1两侧通过进出气管道7相连，杠杆6用轻质弹性部件5固定；在移动块的两侧对立搭建正摩擦薄膜组件41以及正电性的敏感薄膜组件42；通过亚克力玻璃板进行测试腔8的组装，采用金电极引出导线与静电计9相连。

进一步的，步骤(1)中所述正摩擦薄膜组件41以及正电性的敏感薄膜组件42中的电极均是通过热蒸发方法制备。

进一步的，步骤(1)中所述衬底大小为4cmⅹ6cm。

优选地，玻璃板的厚度为3mm，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)厚度为0.1mm，静电计9为Keithley 6514静电计9。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，包括测试腔以及进出气管道，所述进出气管道从测试腔内部延伸到测试腔的外部，其特征在于，所述测试腔内部设置有移动块和固定块；

所述移动块包括杠杆、分别固定设置在杠杆两端的负摩擦薄膜组件以及固定设置在杠杆上带有小孔的气囊，所述进出气管与气囊的小孔密封连接且形成气流的通路，所述杠杆通过弹性的部件悬空固定；

所述固定块包括正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件，所述正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件的一端均固定；

所述正摩擦薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件面对面的设置且相互隔离，所述正电性的敏感薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件面对面的设置且相互隔离；利用弹性部件的自回复性，通过采集前后摆动使固定块与移动块的前后滑动分离，或者通过采集呼吸驱动气囊膨胀收缩使固定块与移动块的上下滑动分离，产生交变电信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，其特征在于，所述正摩擦薄膜组件与相应的负摩擦薄膜组件之间的间隔为0.2-0.6cm。

3.根据权利要求1所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，其特征在于，所述移动块中的负摩擦薄膜组件包括衬底和附着在衬底上的负摩擦薄膜；所述负摩擦薄膜为聚二甲基硅氧烷或铁氟龙。

4.根据权利要求1所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，其特征在于，所述固定块中的正摩擦薄膜组件从外侧向里侧分别为衬底、附着在衬底上的电极以及在电极上的正摩擦薄膜，所述正摩擦薄膜为尼龙、丝绸中的一种或其制成的复合膜。

5.根据权利要求1所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，其特征在于，所述固定块中的正电性的敏感薄膜组件从外侧向里侧分别为衬底、附着在衬底上的电极以及在电极上的正电性的敏感薄膜，所述正电性的敏感薄膜为聚苯胺，氧化石墨烯，聚酰亚胺中的一种或其制成的复合膜。

6.根据权利要求4或5所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器，其特征在于，所述电极材料为铝、镍、铜、银和金中的任意一种；所述电极的厚度为100-200nm。

7.基于权利要求1-6任一项所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)杠杆以及相应的组件的制备：取柔性有机薄膜，经过清洗并干燥，裁剪成杠杆以及相应的衬底，将衬底分别制备成相应的负摩擦薄膜组件、正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件；

(2)组装：在杠杆两端分别固定负摩擦薄膜组件，杠杆中央粘贴带小孔的气囊，气囊两侧通过进出气管道相连，杠杆用轻质弹性部件固定；在移动块的两侧对立搭建正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件；通过玻璃板进行测试腔的组装，采用金电极引出导线与静电计相连。

8.根据权利要求7所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述正摩擦薄膜组件以及正电性的敏感薄膜组件中的电极均是通过热蒸发方法制备。

9.根据权利要求7所述的一种杠铃式摩擦纳米发电机一体化自供能传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述衬底大小为4cmⅹ6cm。

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