CN111487802A - 自驱动光学开关及无线传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自驱动光学开关及无线传感系统，自驱动光学开关，包括：集成的聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光学器件与柔性摩擦纳米发电机，其中，该柔性摩擦纳米发电机的输出电压加载于该PDLC光学器件上，以调控该PDLC光学器件中液晶分子取向，从而改变该PDLC光学器件的光学性质。该自驱动光学开关将摩擦起电效应和聚合物分散液晶薄膜的电控光散射效应相结合，实现机械‑电‑光信号的转换，并且不需要额外的电源进行供能，实现自驱动传感，在规模化、耐久性、响应速度、价格、安装等方面都具有较大的优势。另外，将该光学开关作为传感节点与可见光信号处理电路进行集成，可以得到光学无线传感系统，在人机交互领域展现出巨大的应用前景。

Description

自驱动光学开关及无线传感系统
技术领域
本公开属于摩擦发电技术与无线传感技术领域，涉及一种自驱动光学开关及无线传感系统。
背景技术
近年来，人机交互界面在无线传感器、便携式可穿戴电子、安全与安防系统、工业自动化、以及物联网等领域展现出了巨大的应用潜力，因此受到了越来越多的关注。而且，随着各种发电技术的飞跃发展，比如：太阳能光伏、热电、压电技术等，自驱动的人机交互系统也成为了研究的焦点。系统无源化的发展，不仅可以有效地减缓系统电池更换的相关问题，还可以显著地提高系统本身的适用性、操作性和机动性。其中，由于机械能的存在形式多、分布范围广、无时间、地点限制等，依赖于转换机械能为电能的自驱动人机交互系统目前受到了集中的研究。
关于自驱动光学调制系统的研究报道仍然较少。而且，之前报道过的此类系统，它们的实际应用也被其自身的缺陷所限制。比如，目前报道的基于弹性体的光学调制器，因其较高的驱动电压(～1000V)、慢的响应速率(几秒)、窄的调光范围(30％)以及复杂的制备工艺，使其难以被广泛的采用。
因此，如何改善自驱动光学调制系统的缺陷与不足成为亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种自驱动光学开关及无线传感系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种自驱动光学开关，包括：集成的聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光学器件与柔性摩擦纳米发电机，其中，该柔性摩擦纳米发电机的输出电压加载于该PDLC光学器件上，以调控该PDLC光学器件中液晶分子取向，从而改变该PDLC光学器件的光学性质。
在本公开的一些实施例中，在没有外接电源和光学元件的条件下，当有物体与该柔性摩擦纳米发电机接触时，产生的电压信号调控PDLC光学器件中液晶分子取向，当加载于该PDLC光学器件上的电压信号超过PDLC光学器件的驱动阈值电压时，该PDLC光学器件从初始的不透明状态变为瞬间的透明态，实现自驱动的光学开关。
在本公开的一些实施例中，PDLC光学器件包含固化的PDLC溶液以及上、下透明电极，该PDLC溶液是由一液晶材料与一聚合物材料混溶形成，之后以特定方式将液晶材料中的液晶分子从聚合物材料中析出形成液晶微滴，该聚合物材料为各向同性聚合物，该液晶材料为向列相液晶材料。
在本公开的一些实施例中，PDLC溶液在紫外光照下进行固化，通过改变工艺参数，该工艺参数包括：聚合物材料与液晶材料的质量比、紫外光功率密度和固化时间，来调节该PDLC光学器件的电光效应；和/或，特定方式为以下方式中的一种或几种：溶剂挥发、热引发或聚合诱导相分离。
在本公开的一些实施例中，向列相液晶材料为向列相液晶混合物E7；和/或，各向同性聚合物为紫外光固胶NOA65；和/或，液晶微滴的尺寸为纳米级。
在本公开的一些实施例中，柔性摩擦纳米发电机为单电极式摩擦纳米发电机结构，该柔性摩擦纳米发电机的电极与该PDLC光学器件的一个电极连接，该PDLC光学器件的另一个电极接地；优选的，在该单电极式摩擦纳米发电机结构的摩擦层上设置有纳米微结构。
在本公开的一些实施例中，柔性摩擦纳米发电机的电极与地之间的等效电容为CT，PDLC光学器件的等效电容为CP；该自驱动开关的电学响应与接触材料的种类、接触面积、接触速度、分离距离、运动频率以及对应的CP/CT值有关。
在本公开的一些实施例中，自驱动开关透过光的相对光强随接触材料种类的变化与自驱动开关的电学响应的变化一致；可选的，相对光强的调节范围介于0.05～0.85之间。
在本公开的一些实施例中，自驱动开关透过光的相对光强能够通过控制分离距离实现调控，设定不同的分离距离区间对应不同的开关级别。
根据本公开的另一个方面，提供了一种无线传感系统，包括：本公开提到的任一种自驱动光学开关以及可见光信号处理电路，其中，该自驱动光学开关与可见光信号处理电路集成，该自驱动光学开关中PDLC光学器件的光学性质的变化驱动可见光信号处理电路进行传感表征；
可选的，该可见光信号处理电路包含光敏电阻和报警器。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的自驱动光学开关及无线传感系统，具有以下有益效果：
(1)通过集成聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光学器件和柔性摩擦纳米发电机，将摩擦起电效应和聚合物分散液晶薄膜的电控光散射效应相结合，实现机械-电-光信号的转换，并且不需要额外的电源进行供能，实现自驱动传感，在规模化、耐久性、响应速度、价格、安装等方面都具有较大的优势。
(2)通过选用单电极摩擦纳米发电机、向列相液晶材料与各向同性聚合物形成的PDLC光学器件进行集成，对应的PDLC光学器件中液晶微滴的非寻常光折射率(ηe)与聚合物的光折射率(ηp)分别为1.746和1.524，具有较大的差异，同时通过调节聚合过程中的紫外光功率密度，有效地将液晶微滴的尺寸由几十微米调节至几百纳米，限制液晶微滴的尺寸为纳米级，一方面保证了ηe与ηp的失配，另一方面实现了液晶微滴的尺寸与可见光的波长近似，整体上保证了有效的光散射以及该自驱动光学开关具有较大的光透过率调节范围和优良的响应传感效果。
(3)通过将自驱动光学开关与可见光信号处理电路集成，得到具有无源传感节点的无线传感系统。在一实例中，当有物体接触摩擦纳米发电机时，会使自驱动光学开关瞬间透明，透过的光信号会触发可见光信号处理电路中光敏电阻的变化，继而驱动报警器报警，可应用于手触摸或者脚踩触发报警的应用展示等等人机交互场面。此外，该自驱动光学开关作为传感节点，与信号接收端的最大距离只取决于光源强度，因此该传感系统非常适用于远程监测和控制。而且，可以通过光路的设计，实现一个光源控制多个传感节点(自驱动光学开关)。该无线传感系统在安全与安防系统、自动化控制、远程监控与操作等人机交互领域具有非常大的应用潜力，并且在规模化、耐久性、响应速度等方面都具有较大的优势。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的自驱动光学开关的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的PDLC光学器件的电光效应原理示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的PDLC光学器件在波长为560nm处的透光率随电压的变化曲线。
图4为根据本公开一实施例所示的在不同紫外光功率密度下制备的PDLC薄膜的扫描电镜图，(a)为60mW/cm2、(b)为30mW/cm2、(c)为20mW/cm2、(d)为10mW/cm2、(e)为5mW/cm2、(f)为3mW/cm2，图中所有标尺均为20μm。
图5为根据本公开一实施例所示的在不同紫外光功率密度下制备的PDLC薄膜的正交偏光显微镜照片，(a)为5mW/cm2、(b)为4mW/cm2、(c为3mW/cm2、(d)为2mW/cm2、(e)为1mW/cm2、(f)为0.5mW/cm2，图中所有标尺均为110μm。
图6为根据本公开一实施例所示的在不同紫外光功率密度下制备的PDLC光学器件的原位紫外可见透光率光谱，其中(a)为20mW/cm2、(b)为10mW/cm2、(c)为5mW/cm2、(d)为3mW/cm2。
图7为根据本公开一实施例所示的不同紫外光功率密度下制备的PDLC光学器件：(a)在波长560nm处的透光率随电压的变化；(b)未加电压时该PDLC器件置于物体表面的光学照片。
图8为根据本公开一实施例所示的自驱动光学开关的电学模型示意图。
图9为根据本公开一实施例所示的无线传感系统作为报警系统的工作电路图。
图10为根据本公开一实施例所示的手触摸和脚踩踏时对应的自驱动光学开关的电光性能。
【符号说明】
1-柔性摩擦纳米发电机；
11-第一基底； 12-电极层；
13-摩擦层；
2-PDLC光学器件；
21-第二基底； 22-第一透明电极；
23-固化的PDLC溶液； 24-第二透明电极；
3-物体。
具体实施方式
摩擦纳米发电机的优点较多，比如：器件的结构简单、成本低廉、制备容易、输出电压高等。近两年来，通过将摩擦纳米发电机作为电源和激励源，一系列自驱动机电系统被相继报道，涵盖了各个应用领域，包括电化学、微流体控制、光学调节、静电驱动等。这些研究进展都证实了摩擦纳米发电机应用于人机交互系统的希望，也激发出了更浓厚的兴趣去进一步普及摩擦纳米发电机在自驱动人机交互系统中的实际适用性。
液晶材料作为一种介于晶体与液体状态之间的物质，具有非常独特的电光特性，即电控双折射效应。外加电场可以调控液晶分子取向，从而引起液晶分子的光折射率或者其它结构参数的变化，使液晶器件对光的透射率或吸收峰发生改变。另外，液晶分子对电场的响应速度快，且光学性能可调范围广。
本公开将液晶器件与摩擦发电相结合，提出一种自驱动光学开关，通过将自驱动光学开关与可见光信号处理电路集成，得到具有无源传感节点的无线传感系统，即利用摩擦发电技术产生的电学信号去调控液晶分子取向，使其光学性质发生变化，实现自驱动的机械-电-光信号转换。该自驱动光学开关及无线传感系统在没有外界电源和光学元件的条件下，可以通过调节机械参数来控制其光学性质，因此将在压力传感、无线传感网络、安全与安防系统、自动化控制、远程监控与操作等人机交互领域展现出巨大的应用前景。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种自驱动光学开关。
图1为根据本公开一实施例所示的自驱动光学开关的结构示意图。
参照图1所示，本公开的自驱动光学开关，包括：集成的聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光学器件2与柔性摩擦纳米发电机1，其中，该柔性摩擦纳米发电机1的输出电压加载于该PDLC光学器件2上，以调控该PDLC光学器件2中液晶分子取向，从而改变该PDLC光学器件2的光学性质。
参照图1所示，图1中箭头示意物体3与该自驱动光学开关中的柔性摩擦纳米发电机进行接触-分离的过程，在没有外接电源和光学元件的条件下，当有物体3与该柔性摩擦纳米发电机1接触时，产生的电压信号调控PDLC光学器件2中液晶分子取向，当加载于该PDLC光学器件2上的电压信号超过PDLC光学器件2的驱动阈值电压时，该PDLC光学器件2从初始的不透明状态变为瞬间的透明态，实现自驱动的光学开关。
在本公开的一些实施例中，PDLC光学器件包含固化的PDLC溶液以及上、下透明电极，该PDLC溶液是由一液晶材料与一聚合物材料混溶形成，之后以特定方式将液晶材料中的液晶分子从聚合物材料中析出形成液晶微滴，该聚合物材料为各向同性聚合物，该液晶材料为向列相液晶材料。
其中，该特定方式包括但不限于以下方式中的一种或几种：溶剂挥发、热引发或聚合诱导相分离等。
例如，PDLC光学器件2的结构如如图1所示意，该PDLC光学器件2包括：依次层叠的第二基底21、第一透明电极22、固化的PDLC溶液23、以及第二透明电极24。本实施例中，第二基底21的材料为PET，第一透明电极22和第二透明电极24的材料均为氧化铟锡(ITO)，PDLC溶液23注入液晶盒子中在紫外光照下进行室温固化。
PDLC溶液在紫外光照下进行固化，通过改变如下示例的工艺参数：聚合物材料与液晶材料的质量比、紫外光功率密度和固化时间等，来调节该PDLC光学器件的电光效应。
向列相液晶(nematic liquid crystals)是由长径比很大的棒状分子所组成，分子质心没有长程有序性，具有类似于普通液体的流动性，分子不排列成层，能够上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或者近于平行。分子间短程作用力微弱，属于范得瓦尔斯力，这种分子长轴彼此相互平行的自发取向过程使液晶产生高度的双折射性。
在本公开的一些实施例中，向列相液晶材料为向列相液晶混合物E7；和/或，各向同性聚合物为紫外光固胶NOA65；和/或，液晶微滴的尺寸为纳米级。
本实施例中，优选的，PDLC溶液23通过如下材料进行制备：将向列相液晶混合物E7和紫外光固胶NOA65按照一定质量比进行混合、搅拌和超声各1小时制备得到PDLC溶液。
下面以一实例简单介绍该PDLC光学器件2的制备过程：
首先，利用磁控溅射技术在PET基板上镀一层ITO，作为透明电极；将制备好的电极进行裁剪，用聚酰亚胺双面胶作为间隔，制备液晶盒子；然后，将向列相液晶混合物E7和紫外光固胶NOA65按照一定质量比进行混合、搅拌和超声各1小时制备PDLC溶液；接下来，利用毛细作用将配制的PDLC溶液灌入液晶盒子中，在紫外光照下进行室温固化。通过改变工艺参数，包括：E7与NOA65的质量比、紫外光功率密度和固化时间等，来调节PDLC器件的电光效应。
在本公开的一些实施例中，柔性摩擦纳米发电机为单电极式摩擦纳米发电机结构，该柔性摩擦纳米发电机的电极与PDLC光学器件的一个电极连接，该PDLC光学器件的另一个电极接地；优选的，在该单电极式摩擦纳米发电机结构的摩擦层上制备有纳米微结构。
柔性摩擦纳米发电机具有多种模式和结构，本实施例中，优选柔性摩擦纳米发电机为单电极式摩擦纳米发电机结构。参照图1所示，示例一种单电极式摩擦纳米发电机结构，该柔性摩擦纳米发电机1包括：依次层叠的第一基底11、电极层12、以及摩擦层13。在一实例中，第一基底11为PET薄膜基板，电极层12为柔性导电无纺布，摩擦层13为摩擦序列中电负性最强的PTFE薄膜。更进一步的，为了增大电学输出，在摩擦层13的表面制备纳米微结构，例如在PTFE薄膜表面进行感应耦合等离子体反应刻蚀来制备表面纳米纤维结构。
为了表征单电极摩擦纳米发电机的电学输出，利用COMSOL软件通过有限元模拟的方法，对其在不同状态下的电学输出进行了一系列模拟计算。接触材料选择丁腈橡胶薄膜，当丁腈橡胶与PTFE薄膜接触时，等量异号的摩擦电荷会分别产生在它们的表面上。有限元模拟得出的结论是：摩擦纳米发电机的本征电容(后面也称等效电容)CT越小，越多的摩擦电荷就会转移至负载电容CL，从而达到更好的驱动效果。相比其它类型的摩擦纳米发电机而言，单电极摩擦纳米发电机具有相当小的CT，使其更适用于构建电容性的机电系统。
下面以一实例简单介绍该单电极柔性摩擦纳米发电机1的制备过程：
利用激光切割机切一块PET薄膜基板，将尺寸相同的带胶导电布粘在PET基板上；然后，再将尺寸相同的PTFE薄膜粘在导电布上；其中，在导电布和PTFE薄膜之间引出细铜丝作为导线；最后，对PTFE薄膜表面进行感应耦合等离子体反应刻蚀来制备表面纳米纤维结构。
将制备的PDLC光学器件2的一个电极与柔性摩擦纳米发电机1的电极连接，PDLC光学器件2的另外一个电极接地，此时，柔性摩擦纳米发电机的输出电压可以施加在PDLC光学器件上。
图2为根据本公开一实施例所示的PDLC光学器件的电光效应原理示意图。
由于液晶微滴具有双折射效应，且液晶分子取向可以被电场、温度、光等因素调控，因此PDLC薄膜具有特殊的电控光学性质。如图2中(a)所示，在没有外加电场的初始状态下，聚合物基体中液晶微滴的光轴随机取向。此时，由于液晶微滴的非寻常光折射率(ηe)与聚合物的光折射率(ηp)失配，使PDLC薄膜产生空间变化的折射率，从而对入射光造成强烈的散射而呈现出不透明的状态。如图2中(b)所示，施加电场后，液晶分子(具有正性介电各向异性)的长轴将会沿电场方向取向。此时，如果液晶微滴的寻常光折射率(ηo)与ηp相匹配，PDLC薄膜就会变成透明状态。由此，PDLC器件的电光效应即通过电场的变化来调节器件的透光率。
本实施例中通过选用单电极摩擦纳米发电机、向列相液晶材料与各向同性聚合物形成的PDLC光学器件进行集成，对应的PDLC光学器件中液晶微滴的非寻常光折射率(ηe)与聚合物的光折射率(ηp)分别为1.746和1.524，具有较大的差异，同时通过调节聚合过程中的紫外光功率密度，有效地将液晶微滴的尺寸由几十微米调节至几百纳米，限制液晶微滴的尺寸为纳米级，一方面保证了ηe与ηp的失配，另一方面实现了液晶微滴的尺寸与可见光的波长近似，整体上保证了有效的光散射以及该自驱动光学开关具有较大的光透过率调节范围和优良的响应传感效果。
根据本实施例对不同紫外光功率密度下制备的PDLC光学器件进行了性能表征。
图3为根据本公开一实施例所示的PDLC光学器件在波长为560nm处的透光率随电压的变化曲线。
由图3可知，PDLC光学器件的驱动阈值电压和饱和电压分别为60V、180V。
图4为根据本公开一实施例所示的在不同紫外光功率密度下制备的PDLC薄膜的扫描电镜图，(a)为60mW/cm2、(b)为30mW/cm2、(c)为20mW/cm2、(d)为10mW/cm2、(e)为5mW/cm2、(f)为3mW/cm2，图中所有标尺均为20μm。图5为根据本公开一实施例所示的在不同紫外光功率密度下制备的PDLC薄膜的正交偏光显微镜照片，(a)为5mW/cm2、(b)为4mW/cm2、(c为3mW/cm2、(d)为2mW/cm2、(e)为1mW/cm2、(f)为0.5mW/cm2，图中所有标尺均为110μm。
由图4中(a)-(f)以及图5中(a)-(f)可知，随着紫外光功率密度的增大，对应的PDLC薄膜中的液晶微滴的尺寸逐渐减小。本实施例中，通过调节PDLC溶液聚合过程中的紫外光功率密度，有效地将液晶微滴的尺寸由几十微米调节至几百纳米，实现了液晶微滴的尺寸限制在纳米级。
图6为根据本公开一实施例所示的在不同紫外光功率密度下制备的PDLC光学器件的原位紫外可见透光率光谱，其中(a)为20mW/cm2、(b)为10mW/cm2、(c)为5mW/cm2、(d)为3mW/cm2。图7为根据本公开一实施例所示的不同紫外光功率密度下制备的PDLC光学器件：(a)在波长560nm处的透光率随电压的变化；(b)未加电压时该PDLC器件置于物体表面的光学照片。
由图6中(a)-(d)可知，在每幅图中，不同紫外光功率密度下制备的PDLC光学器件大致都呈现：随着加载电压的增大，透光率曲线向上移动，透光率呈增大趋势；对比这4幅图可知，随着紫外光功率密度的减小，对应液晶微滴的尺寸逐渐增大，PDLC光学器件的驱动阈值电压和饱和电压也都减小，甚至可以在液晶微滴尺寸增大到10μm左右时分别降低至20V和40V。然而，对应参照图7中(a)可知，随着紫外光功率密度的减小，对应的液晶微滴的尺寸变大，，PDLC光学器件相应的透光率的可调节范围会变窄，参照图7中(b)可知，这是由于器件初始的光散射效应变弱，使其初始透光率较高而造成其光透过率的可调节范围变窄导致的。因此，基于上述实验与性能表征的结果，为了实现该自驱动光开关具有较大的光透过率调节范围，优选采用具有纳米尺度液晶微滴的PDLC光学器件用来构建自驱动光学开关。
图8为根据本公开一实施例所示的自驱动光学开关的电学模型示意图。
参照图8所示，将柔性摩擦纳米发电机的电极与地之间的等效电容为CT，PDLC光学器件的的等效电容为CP，该自驱动光学开关的电学响应与接触材料的种类、接触面积、接触速度、分离距离、运动频率以及对应的CP/CT值有关。
其中，接触速度是指物体由远离到靠近柔性摩擦纳米发电机，与摩擦层接触时对应的瞬时速度，分离距离是指物体远离柔性摩擦纳米发电机后静止对应的距离；运动频率是指物品接触-分离的运动频率。
在一实验中，采用五种不同的薄膜材料与摩擦层13材料PTFE之间进行接触-分离运动，来驱动该自驱动光学开关，测试其机械-电-光信号转换性能，测试系统如图1所示。接触面积、接触速度、分离距离与运动频率分别设置为25cm2、0.4m s-1、8cm和0.35Hz。在此，同时测试单独的摩擦纳米发电机在相同的条件下的电学输出作为对比。
实验结果表明，自驱动光学开关的电学输出对接触材料种类的依赖性大致与单电极摩擦纳米发电机的电学输出对接触材料种类的依赖性相一致。唯一的不同在于尼龙薄膜作为接触材料时，自驱动光学开关的转移电荷量比铝箔作为接触材料时更多。这意味着自驱动光学开关在PDLC光学器件上感应电荷的能力与接触材料的种类密切相关。与其它四种接触材料不同，尼龙薄膜产生的摩擦电荷几乎可以全部感应在PDLC组件上，这可能是由于其较小的CT造成的，因此，其他变量保持固定，从接触材料一个变量上来说，该自驱动开关的电学响应与接触材料的种类以及对应的CP/CT值有关。
在该实验中，自驱动开关透过光的相对光强随接触材料种类的变化与自驱动开关的电学响应的变化一致，相对光强的调节范围介于0.05～0.85之间，调节范围很宽，展现出了非常好的光开关效果，说明本公开的自驱动光学开关能够感应多种材料，显示出非常广泛的适用范围。
探究其他变量与自驱动开关的电学响应之间的关系的实验过程与之类似，这里不再赘述。
需要特别提出的是，在本公开的一些实施例中，自驱动开关透过光的相对光强能够通过控制分离距离实现调控，设定不同的分离距离区间对应不同的开关级别。这显示出该自驱动光学开关在分级开关上的应用前景。
另外，自驱动光学开关在接触速度小于0.05m/s时仍然可以响应，这得益于PDLC光学器件的低频响应特性。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种无线传感系统。
图9为根据本公开一实施例所示的无线传感系统作为报警系统的工作电路图。
参照图9所示，本公开的无线传感系统，包括：本公开提到的任一种自驱动光学开关以及可见光信号处理电路，其中，该自驱动光学开关与可见光信号处理电路集成，该自驱动光学开关中PDLC光学器件的光学性质变化驱动可见光信号处理电路进行传感表征；
本实施例中，该可见光信号处理电路包含光敏电阻和报警器。图9中还示意了用于进行处理的微控制单元MCU。
通过将自驱动光学开关与可见光信号处理电路集成，得到具有无源传感节点的无线传感系统。在一实例中，当有物体接触摩擦纳米发电机时，会使自驱动光学开关瞬间透明，透过的光信号会触发可见光信号处理电路中光敏电阻的变化，继而驱动报警器报警。
图10为根据本公开一实施例所示的手触摸和脚踩踏时对应的自驱动光学开关的电光性能。
参照图10所示，当手触摸或者脚踩PTFE薄膜时，光学开关产生的输出电压均超过其驱动饱和电压，此时光信号透过光开关触发报警，说明该无线传感系统可应用于手触摸或者脚踩触发报警的应用展示等人机交互场面。此外，该自驱动光学开关作为传感节点，与信号接收端的最大距离只取决于光源强度，因此该传感系统非常适用于远程监测和控制，而且，可以通过光路的设计，实现一个光源控制多个传感节点(自驱动光学开关)。该无线传感系统在安全与安防系统、自动化控制、远程监控与操作等人机交互领域展现出非常大的应用潜力，并且在规模化、耐久性、响应速度等方面都具有较大的优势。
综上所述，本公开提供了一种自驱动光学开关及无线传感系统，通过集成PDLC光学器件和柔性摩擦纳米发电机，将摩擦起电效应和聚合物分散液晶薄膜的电控光散射效应相结合，实现机械-电-光信号的转换，并且不需要额外的电源进行供能，实现自驱动传感，在规模化、耐久性、响应速度、价格、安装等方面都具有较大的优势，通过将自驱动光学开关与可见光信号处理电路进行集成，得到具有无源传感节点的无线传感系统，该无线传感系统在安全与安防系统、自动化控制、远程监控与操作等人机交互领域具有非常大的应用潜力。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自驱动光学开关，其特征在于，包括：
集成的聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光学器件与柔性摩擦纳米发电机，其中，该柔性摩擦纳米发电机的输出电压加载于该PDLC光学器件上，以调控该PDLC光学器件中液晶分子取向，从而改变该PDLC光学器件的光学性质。
2.根据权利要求1所述的自驱动光学开关，其中，在没有外接电源和光学元件的条件下，当有物体与该柔性摩擦纳米发电机接触时，产生的电压信号调控PDLC光学器件中液晶分子取向，当加载于该PDLC光学器件上的电压信号超过PDLC光学器件的驱动阈值电压时，该PDLC光学器件从初始的不透明状态变为瞬间的透明态，实现自驱动的光学开关。
3.根据权利要求1或2所述的自驱动光学开关，其中，所述PDLC光学器件包含固化的PDLC溶液以及上、下透明电极，该PDLC溶液是由一液晶材料与一聚合物材料混溶形成，之后以特定方式将液晶材料中的液晶分子从聚合物材料中析出形成液晶微滴，该聚合物材料为各向同性聚合物，该液晶材料为向列相液晶材料。
4.根据权利要求3所述的自驱动光学开关，其中，
所述PDLC溶液在紫外光照下进行固化，通过改变工艺参数，该工艺参数包括：聚合物材料与液晶材料的质量比、紫外光功率密度和固化时间，来调节该PDLC光学器件的电光效应；和/或，
所述特定方式为以下方式中的一种或几种：溶剂挥发、热引发或聚合诱导相分离。
5.根据权利要求3所述的自驱动光学开关，其中，
所述向列相液晶材料为向列相液晶混合物E7；和/或，
所述各向同性聚合物为紫外光固胶NOA65；和/或，
所述液晶微滴的尺寸为纳米级。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的自驱动光学开关，其中，所述柔性摩擦纳米发电机为单电极式摩擦纳米发电机结构，该柔性摩擦纳米发电机的电极与该PDLC光学器件的一个电极连接，该PDLC光学器件的另一个电极接地；
优选的，在该单电极式摩擦纳米发电机结构的摩擦层上制备有纳米微结构。
7.根据权利要求6所述的自驱动光学开关，其中，
所述柔性摩擦纳米发电机的电极与地之间的等效电容为CT，所述PDLC光学器件的的等效电容为CP；
所述自驱动开关的电学响应与接触材料的种类、接触面积、接触速度、分离距离、运动频率以及对应的CP/CT值有关。
8.根据权利要求7所述的自驱动光学开关，其中，所述自驱动开关透过光的相对光强随接触材料种类的变化与自驱动开关的电学响应的变化一致；
可选的，所述相对光强的调节范围介于0.05～0.85之间。
9.根据权利要求7所述的自驱动光学开关，其中，所述自驱动开关透过光的相对光强能够通过控制分离距离实现调控，设定不同的分离距离区间对应不同的开关级别。
10.一种无线传感系统，其特征在于，包括：权利要求1至9中任一项所述的自驱动光学开关以及可见光信号处理电路，其中，该自驱动光学开关与可见光信号处理电路集成，所述自驱动光学开关中PDLC光学器件的光学性质的变化驱动可见光信号处理电路进行传感表征；
可选的，该可见光信号处理电路包含光敏电阻和报警器。
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