CN111641352B - 一种基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电‑摩擦耦合效应的自供能纳米传感器，所述纳米传感器的构型从上至下依次为压电‑摩擦结构层、电极层、支撑层、电极层和保护层，所述的压电‑摩擦纳米结构层是柔性基底上的纳米线结构。所述的结构层、支撑层和保护层都是柔性的聚合物材料。所述电极层是导电性能较好的金属或纤维材料。本发明采用纳米压印技术结合湿法腐蚀工艺实现纳米结构层的低成本制备，同时采用溅射、旋涂、粘接、蒸发和模压等技术集成电极层、支撑层和保护层，实现自供能纳米传感器制作。基于纳米线的压电‑摩擦耦合效应原理，传感器具有自供能、高能量转换效率和高灵敏度等性能，推动了其在植入式和穿戴式电子设备领域的实用化进程。
Description
技术领域
本发明属于纳米技术和传感技术领域，具体涉及一种压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器。
背景技术
物联网的搭建依赖于无数的分布式传感器，在军事侦察、航空航天探测、生命健康监测、环境和食品污染防控、基础设施安全等众多领域具有重要的应用价值。尽管单个传感器的能耗有限，但整个物联网包含上亿个无线、多功能和独立运作的传感器，对于需要循环充电、寿命有限和自身体积过大的传统电源来说，解决数量如此庞大的分布式传感系统的供能问题将是一个巨大挑战。纳米发电机的出现为微型化、分布式和便携式传感器的功能问题提供了一种解决思路。
纳米发电机可以将周围的微小机械能转化为电能，基于压电效应和摩擦静电感应原理的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机得到快速发展。这种纳米发电机既可以解决供能的问题，又可以产生电信号，发展了一类基于纳米发电机的自供能传感器。
压电纳米发电机和摩擦纳米发电机由于其效率高、重量轻、成本低和适合低频应用等优点，在多功能自供电传感方面具有广阔的应用前景。然而对于具有低频、随机及非线性等特征的环境机械能，压电或摩擦纳米发电机的共振频率和带宽依然不够理想。同时，机械能是自然界存在最广泛且最容易获取的一种能量，但是其产生形式是多种多样的，所以单一的压力或摩擦纳米发电机无法采集到不同的机械能，造成能量的浪费。为了改善能量转换效率及输出特性，将两种纳米发电机进行整合的复合纳米发电机成为发展的必然趋势。
因此，我们提出了一种基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器，集成了压电效应和摩擦静电感应原理，可以搜集周围的按压、接触、摩擦产生的机械能，大幅度提高了现有单一纳米发电机的能量转换效率，进而促进了基于纳米发电机的自供能传感器的发展，推动了其在物联网、人工智能和可穿戴电子设备中的广泛应用。
发明内容
本发明针对自供能传感器中，单一种类的纳米发电机的输出性能不稳定的缺点，设计了一种基于压力-摩擦耦合效应的自供能传感器。
本发明的技术方案：一种基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器，所述纳米传感器的构型从上至下依次为压电-摩擦结构层、电极层、支撑层、电极层和保护层，所述的压电-摩擦纳米结构层是柔性基底上的纳米线结构，通过诱导压电-摩擦耦合效应，产生感应电荷，所述电极层是导电性能较好的金属或纤维材料，两层电极层之间形成电势差，用于传输电荷，所述支撑层是支撑整个纳米传感器，并间隔开两个电极层，防止电荷的泄露，所述保护层是保护纳米传感器不被破坏，所述的结构层、支撑层和保护层都是柔性的聚合物材料。
优选地，所述纳米线的特征尺寸为50～200纳米，纵横比大于5:1。
优选地，所述纳米线结构为竖直纳米线阵列或杂乱的纳米纤维。
优选地，所述纳米线结构的制备采用纳米压印技术、电子束直写技术、聚焦离子束直写技术、激光直写技术、纺丝工艺和湿法腐蚀工艺中的一种或几种。
优选地，所述结构层材质为聚二甲基硅氧烷、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、碳纳米管、氟化乙丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和巯基-烯中的一种。
优选地，所述电极层材质为金、银、铝、铜、镍、氧化铟锡和导电纤维中的一种。
优选地，所述电极层的制备采用溅射、旋涂、粘接和蒸发工艺的一种或几种。
优选地，所述支撑层和保护层的材质为尼龙、织物、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和丙烯酸树脂中的一种。
优选地，所述支撑层和保护层的制备采用模压、粘接和热涂覆工艺中的一种。
优选地，所述保护层的材料根据应用场景的不同进行选择。
综上所述，与现有基于单一的压电纳米发电机或者摩擦纳米发电机相比，本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果。
(1)本发明中基于压力-摩擦耦合效应的复合纳米发电机包含两种电能转化机制，可以将更多的周围能量转换为电能，因此，具有更高的能量转换效率、平均能量密度、电信号输出性能。
(2)本发明的结构层采用纳米线结构，不仅具有良好的摩擦发电性能，而且具备优良的压电性能，因此本发明的结构实现了单一纳米结构具备两种发电机理，简化了结构，降低了加工的难度。
(3)本发明中的纳米传感器主要采用柔性的聚合物材料，绿色环保，具有良好的生物相容性，可用于植入式和穿戴式的电子设备中。
因此基于复合纳米发电机的自供能传感器具有更好的性能，应用范围更加广泛，在物联网、人工智能和可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述，其中：
图1为基于压力-摩擦耦合效应的自供能传感器原理图；
图2为直径为280纳米纵横比大于100:1的纳米线阵列结构上端面的电子扫描显微镜照片；
图3为直径为280纳米纵横比大于100:1的纳米线阵列结构横截面的电子扫描显微镜照片；
图4为直径为100纳米纵横比为30:1的纳米线阵列结构横截面的电子扫描显微镜照片。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器，纳米传感器的构型从上至下依次为压电-摩擦结构层、电极层、支撑层、电极层和保护层，压电-摩擦纳米结构层是柔性基底上的纳米线结构，通过诱导压电-摩擦耦合效应，产生感应电荷，电极层是导电性能较好的金属或纤维材料，两层电极层之间形成电势差，用于传输电荷，支撑层是支撑整个纳米传感器，并间隔开两个电极层，防止电荷的泄露，保护层是保护纳米传感器不被破坏，结构层、支撑层和保护层都是柔性的聚合物材料。
纳米线的特征尺寸为50～200纳米，纵横比大于5:1。
纳米线结构为竖直纳米线阵列或杂乱的纳米纤维。
纳米线结构的制备采用纳米压印技术、电子束直写技术、聚焦离子束直写技术、激光直写技术、纺丝工艺和湿法腐蚀工艺中的一种或几种。
结构层材质为聚二甲基硅氧烷、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、碳纳米管、氟化乙丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和巯基-烯中的一种。
电极层材质为金、银、铝、铜、镍、氧化铟锡和导电纤维中的一种。
电极层的制备采用溅射、旋涂、粘接和蒸发工艺的一种或几种。
支撑层和保护层的材质为尼龙、织物、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和丙烯酸树脂中的一种。
支撑层和保护层的制备采用模压、粘接和热涂覆工艺中的一种。
保护层的材料根据应用场景的不同进行选择。
通过选择合适的材料，设计合理的纳米线结构，采用适当的纳米结构制备工艺，就可以完成纳米传感器的制作，传感器的构型如图1所示，本传感器的结构包括压电-摩擦耦合效应层1，纳米结构2，电极层3，支撑层4，保护层5。选择适当的材料。
与现有基于单一的压电纳米发电机或者摩擦纳米发电机相比，基于压力-摩擦耦合效应的复合纳米发电机包含两种电能转化机制，可以将更多的周围能量转换为电能，因此，具有更高的能量转换效率、平均能量密度、电信号输出性能，结构层采用纳米线结构，不仅具有良好的摩擦发电性能，而且具备优良的压电性能，因此本发明的结构实现了单一纳米结构具备两种发电机理，简化了结构，降低了加工的难度。纳米传感器主要采用柔性的聚合物材料，绿色环保，具有良好的生物相容性，可用于植入式和穿戴式的电子设备中。因此基于复合纳米发电机的自供能传感器具有更好的性能，应用范围更加广泛，在物联网、人工智能和可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。
实施例1
自供能传感器压电-摩擦耦合层的材料为聚二甲基硅氧烷材料，表面布满了纳米线阵列结构，纳米线的直径为280纳米，长度为30微米，纵横比大于100:1，纳米线结构的上端面和横截面结构的电子扫描显微镜照片如图2和3所示。纳米线结构采用热压纳米压印技术结合湿法腐蚀工艺，热固化温度为90摄氏度，固化时间为2小时，湿法腐蚀工艺利用浓度为80％的氢氧化钠溶液，腐蚀时间为5小时。整个压电-摩擦耦合层的厚度为1毫米，电极层的材质为氧化铟锡，厚度为200纳米，两层电极层之间的支撑层材质为聚对苯二甲酸乙二酯，厚度为200微米，采用热模压技术制作聚碳酸酯支撑层，压力大小为1大气压，温度为200摄氏度。最后一层的保护层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为2毫米，采用热模压工艺，压力大小为2.026×105帕温度为300摄氏度。
布满PDMS上表面的纳米线结构具有压电和摩擦双重效应，在外界按压、接触、滑动时，产生压电电荷和摩擦电荷，产生电信号，将机械能转化为电能。
实施例2
如图1所示的基于压力-摩擦耦合效应的自供能传感器，压电-摩擦耦合层的材料为巯基-烯材料，表面布满了纳米线阵列结构，纳米线的直径为100纳米，长度为3微米，纵横比为30:1，纳米线结构的横截面电子扫描显微镜照片如图4所示。纳米线结构采用纳米压印技术结合湿法腐蚀工艺，基于柔性模板的压印无需提供外部压力，紫外光波长为365纳米，曝光强度为20mW/cm2，固化时间为1分钟，湿法腐蚀工艺利用浓度为80％的氢氧化钠溶液，腐蚀时间为10小时。整个压电-摩擦耦合层的厚度为1毫米，电极层的材质为铝，厚度为100纳米，采用电子束蒸发镀膜工艺制备铝膜，时间为30分钟。两层电极层之间的支撑层材质为聚碳酸酯，厚度为200微米，采用热模压技术制作聚碳酸酯支撑层。最后一层的保护层的材质为聚对苯二甲酸乙二酯，厚度为2毫米，采用热模压技术工艺，压力大小为1.013×105帕，温度为200摄氏度。
布满巯基-烯材料上表面的纳米线结构具有压电和摩擦双重效应，在外界按压、接触、滑动时，产生压电电荷和摩擦电荷，产生电信号，将机械能转化为电能。
Claims (1)
1.一种基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器，其特征在于，所述纳米传感器的构型从上至下依次为压电-摩擦结构层、电极层、支撑层、电极层和保护层，所述的压电-摩擦纳米结构层是柔性基底上的纳米线结构，通过诱导压电-摩擦耦合效应，产生感应电荷，所述电极层是导电性能较好的金属或纤维材料，两层电极层之间形成电势差，用于传输电荷，所述支撑层是支撑整个纳米传感器，并间隔开两个电极层，防止电荷的泄露，所述保护层是保护纳米传感器不被破坏，所述的结构层、支撑层和保护层都是柔性的聚合物材料；
所述纳米线的特征尺寸为50～200纳米，纵横比大于5:1；
所述纳米线结构为竖直纳米线阵列或杂乱的纳米纤维；
纳米线结构采用热压纳米压印技术结合湿法腐蚀工艺，热固化温度为90摄氏度，固化时间为2小时，湿法腐蚀工艺利用浓度为80％的氢氧化钠溶液，腐蚀时间为5小时，整个压电-摩擦耦合层的厚度为1毫米，电极层的材质为氧化铟锡，厚度为200纳米，两层电极层之间的支撑层材质为聚对苯二甲酸乙二酯，厚度为200微米，采用热模压技术制作聚碳酸酯支撑层，压力大小为1大气压，温度为200摄氏度，最后一层的保护层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为2毫米，采用热模压工艺，压力大小为2.026×105帕温度为300摄氏度；
布满PDMS上表面的纳米线结构具有压电和摩擦双重效应，在外界按压、接触、滑动时，产生压电电荷和摩擦电荷，产生电信号，将机械能转化为电能；
或者，纳米线结构采用纳米压印技术结合湿法腐蚀工艺，基于柔性模板的压印无需提供外部压力，紫外光波长为365纳米，曝光强度为20mW/cm2，固化时间为1分钟，湿法腐蚀工艺利用浓度为80％的氢氧化钠溶液，腐蚀时间为10小时，整个压电-摩擦耦合层的厚度为1毫米，电极层的材质为铝，厚度为100纳米，采用电子束蒸发镀膜工艺制备铝膜，时间为30分钟，两层电极层之间的支撑层材质为聚碳酸酯，厚度为200微米，采用热模压技术制作聚碳酸酯支撑层，最后一层的保护层的材质为聚对苯二甲酸乙二酯，厚度为2毫米，采用热模压技术工艺，压力大小为1.013×105帕，温度为200摄氏度；布满巯基-烯材料上表面的纳米线结构具有压电和摩擦双重效应，在外界按压、接触、滑动时，产生压电电荷和摩擦电荷，产生电信号，将机械能转化为电能；
所述纳米线结构的制备采用纳米压印技术、电子束直写技术、聚焦离子束直写技术、激光直写技术、纺丝工艺和湿法腐蚀工艺中的一种或几种；
所述结构层材质为聚二甲基硅氧烷、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、碳纳米管、氟化乙丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和巯基-烯中的一种；
所述电极层材质为金、银、铝、铜、镍、氧化铟锡和导电纤维中的一种；
所述电极层的制备采用溅射、旋涂、粘接和蒸发工艺的一种或几种；
所述支撑层和保护层的材质为尼龙、织物、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和丙烯酸树脂中的一种；
所述支撑层和保护层的制备采用模压、粘接和热涂覆工艺中的一种；
所述保护层的材料根据应用场景的不同进行选择；
所述基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器中基于压力-摩擦耦合效应的复合纳米发电机包含两种电能转化机制，可以将更多的周围能量转换为电能，因此，具有更高的能量转换效率、平均能量密度、电信号输出性能；
所述基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器的结构层采用纳米线结构，不仅具有良好的摩擦发电性能，而且具备优良的压电性能，所述基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器的结构实现了单一纳米结构具备两种发电机理，简化了结构，降低了加工的难度；
所述基于压电-摩擦耦合效应的自供能纳米传感器中的纳米传感器主要采用柔性的聚合物材料，绿色环保，具有良好的生物相容性，可用于植入式和穿戴式的电子设备中。
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