CN112747841A - 一种自驱动压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自驱动压力传感器及其制备方法。该自驱动压力传感器，包括基板、形成在所述基板的上表面的电极层、放置在所述电极层的上表面的且用于作为第一摩擦层的磁流体、设置在基板的下方的永磁体以及设置在所述磁流体的上方的第二摩擦层；所述第二摩擦层设置成在受到外界压力时朝向所述第一摩擦层方向移动，并通过与第一摩擦层接触并分离，从而产生电信号；所述磁流体和永磁体之间具有预设距离，且所述预设距离设置成可变的，以在所述预设距离发生改变时改变所述磁流体的形状，从而改变自驱动压力传感器的灵敏度。根据本发明的方案，通过改变永磁体与磁流体之间的预设距离，从而改变永磁体的形状，进而改变自驱动压力传感器的灵敏度。

Description

一种自驱动压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种自驱动压力传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着物联网技术的飞速发展，传感器成为人们日常生活中必不可少的一部分。但是目前的大多数传感器仍然依赖于传统电池，需要频繁地充电或更换电池，因此开发自驱动且方便使用的传感器成为亟须解决的问题。自驱动传感器具有环保、轻便、低成本以及使用寿命长等特点，可以将环境中的各种能量转换为电能，并在一定程度上取代电池。在各种可自驱动能源收集器件中，摩擦纳米发电机(TENG)以其材料普遍、结构简单、成本低廉和易于制造等突出优势，引起了人们的极大兴趣。
对于压力传感这一重要领域，将摩擦纳米发电机与特殊的微结构相结合，出现了基于摩擦效应的自驱动压力传感器，能够将外部压力刺激实时转化为电信号输出。通过在材料表面构造微结构，降低了摩擦层的表面刚度以及增加了接触面面积，因而有效提升传感灵敏度。然而现阶段，微结构制造方法大多集中于光刻、激光刻蚀、3D打印技术等，不仅工序繁杂，而且成本不菲。同时，每完成一个器件，生成的微结构就被固定，那么它的灵敏度则不会变化。不同器件对灵敏度要求不同，这时就需要调整形态来调控灵敏度，重新设计传感器的微结构，耗时耗力。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可以在同一个器件上灵活调节灵敏度的自驱动压力传感器。
本发明的一个进一步的目的在于提供一种灵敏度较高的自驱动压力传感器。
特别地，本发明提供了一种自驱动压力传感器，包括基板、形成在所述基板的上表面的电极层、放置在所述电极层的上表面的且用于作为第一摩擦层的磁流体、设置在所述基板的下方的永磁体以及设置在所述磁流体的上方的第二摩擦层；
所述第二摩擦层设置成在受到外界压力时朝向所述第一摩擦层方向移动，并通过与所述第一摩擦层接触并分离，从而产生电信号；
所述磁流体和所述永磁体之间具有预设距离，且所述预设距离设置成可变的，以在所述预设距离发生改变时改变所述磁流体的形状，从而改变自驱动压力传感器的灵敏度。
可选地，所述磁流体形成有多个尖端，且所述尖端具有预设高度。
可选地，所述预设距离选择为范围在0-2cm中任一值。
可选地，所述预设距离选择为范围在1-1.4cm中任一值。
可选地，述磁流体的所述尖端的形状随着所述预设距离的增大而变尖变高，直至距离达到一预设距离后，随着预设距离的增大而变低变钝；
所述磁流体的所述尖端的数量随着所述预设距离的增大而减少。
可选地，所述第一摩擦层的材料选择为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯。
可选地，所述电极层的材料选择为铝、铜或金金属。
特别地，本发明还提供了一种自驱动压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
提供一基板；
在所述基板的上表面形成电极层；
在所述电极层的上表面放置磁流体，所述磁流体作为第一摩擦层；
在所述基板的下方设置永磁体；
在所述磁流体的上方设置第二摩擦层，所述第二摩擦层在受到外界压力时朝向所述第一摩擦层方向移动，并通过与所述第一摩擦层接触并分离，从而产生电信号；
所述磁流体和所述永磁体之间具有预设距离，且所述预设距离设置成可变的，以在所述预设距离发生改变时改变所述磁流体的形状，从而改变自驱动压力传感器的灵敏度。
可选地，所述预设距离选择为范围在0-2cm中任一值。
可选地，所述预设距离选择为范围在1-1.4cm中任一值。
根据本发明的方案，通过改变永磁体与磁流体之间的预设距离，从而改变永磁体的形状，进而改变自驱动压力传感器的灵敏度。由此可以实现，在使用者有不同的灵敏度需求时，仅仅通过改变预设距离即可实现对灵敏度的改变，不需要重新设计自驱动压力传感器的结构，从而极大地降低了重新设计的成本，且可以灵活适应使用者的使用需求。
进一步地，通过改变预设距离的大小来改变磁流体的尖端的数量以及高度，并将预设距离选择在一个合适的范围值时，可以提供一个灵敏度相对较高的压力传感器。通过验证获得，该压力传感器在预设距离为1.2cm时，获得的尖端的数量以及高度对应的压力传感器的灵敏度最高，能够达到21.48kPa-1非常卓越的传感性能。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的示意性结构图；
图2示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的接触分离产生电信号的示意性原理图；
图3示出了根据本发明实施例的自驱动压力传感器在不同频率下的开路电压、短路电流以及转移电荷量的曲线图；
图4示出了根据本发明实施例的自驱动压力传感器在预设距离分别为0cm、0.4cm、0.8cm、1.2cm、1.6cm和2cm时的对比图；
图5示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在预设距离为0.4cm时的灵敏度曲线图；
图6示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在预设距离为0.8cm时的灵敏度曲线图；
图7示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在预设距离为1.2cm时的灵敏度曲线图；
图8示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在预设距离为1.6cm时的灵敏度曲线图；
图9示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在预设距离为2cm时的灵敏度曲线图；
图10示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的预设距离改变时灵敏度的变化曲线；
图11示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的制备方法的示意性流程图；
图中：1-基板，2-电极层，3-第一摩擦层，31-尖端，4-永磁体，5-第二摩擦层。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的示意性结构图。如图1所示，该自驱动压力传感器包括基板1、形成在所述基板1的上表面的电极层2、放置在所述电极层2的上表面的且用于作为第一摩擦层3的磁流体、设置在所述基板1的下方的永磁体4以及设置在所述磁流体的上方的第二摩擦层5。所述第二摩擦层5设置成在受到外界压力时朝向所述第一摩擦层3方向移动，并通过与所述第一摩擦层3接触并分离，从而产生电信号。所述磁流体和所述永磁体4之间具有预设距离，且所述预设距离设置成可变的，以在所述预设距离发生改变时改变所述磁流体的形状，从而改变自驱动压力传感器的灵敏度。并且，该自驱动压力传感器产生的电信号一方面可以用以向其自身供电，另一方面可以根据该电信号的大小来判断其感应外界压力的灵敏度。
根据本发明的方案，通过改变永磁体4与磁流体之间的预设距离，从而改变永磁体4的形状，进而改变自驱动压力传感器的灵敏度。由此可以实现，在使用者有不同的灵敏度需求时，仅仅通过改变预设距离即可实现对灵敏度的改变，不需要重新设计自驱动压力传感器的结构，从而极大地降低了重新设计的成本，且可以灵活适应使用者的使用需求。
图2示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的接触分离产生电信号的示意性原理图。如图2所示，当自驱动压力传感器受到外界压力时，第二摩擦层5向第一摩擦层3方向移动，并移动至与第一摩擦层3接触，第二摩擦层5失去电子带正电，第一摩擦层3得到电子带负电。当该外界压力被撤销时，第二摩擦层5恢复至与该第二摩擦层5间隔一定距离的未接触状态，此时由于第一摩擦层3仍带有负电荷，下方电极层2将感应出等量的正电荷，从而产生电信号。
其中，该第一摩擦层3的材料例如可以选择为聚四氟乙烯，该聚四氟乙烯(PTFE)趋向负方向，是一种较容易得到电子的材料。电极层2的材料例如可以选择为铝金属。
图3示出了根据本发明实施例的自驱动压力传感器在不同频率下的开路电压、短路电流以及转移电荷量的曲线图。如图3可知，在外界物理冲击的运动频率由0.5Hz增大至3Hz时，摩擦纳米发电机的开路电压保持在3.5V左右，转移电荷量保持在0.5nC，在不同频率下的数值基本保持一致。而短路电流随着频率的增加呈逐步增大的趋势，最大时达到11nA。因此，以磁流体与聚四氟乙烯作为两种摩擦材料所构成的摩擦纳米发电机可以正常运行，有对应的电性能输出，可以作为摩擦电式压力传感器工作。
磁流体和永磁体4之间的预设距离选择为范围在0-2cm中任一值，例如可以为0.1cm、0.4cm、0.8cm、1.2cm、1.6cm或1.9cm。优选地，该预设距离例如可以为1cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm或1.4cm，也可以为1-1.4cm中任一值。图4示出了根据本发明实施例的自驱动压力传感器在预设距离分别为0cm、0.4cm、0.8cm、1.2cm、1.6cm和2cm时的对比图。由图4可知，磁流体的尖端31的形状随着预设距离的增大而变尖变高，直至距离达到一预设距离后，随着预设距离的增大而变低变钝。该磁流体的尖端31的数量随着预设距离的增大而减少。其中，该永磁体4例如可以为磁铁、铝镍钴合金等。
图5至图9示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在预设距离分别为0.4cm、0.8cm、1.2cm、1.6cm和2cm时的灵敏度曲线图。由图5至图9可知，在测试压力范围内可以明显分为两个区域：高灵敏度区域Ⅰ和低灵敏度区域Ⅱ。由图可知，该高灵敏度区域Ⅰ对应的压力较小，低灵敏度区域Ⅱ对应的压力较大。这是因为第一摩擦层3受到按压时，首先接触第二摩擦层5的尖端31部分，由于应力集中，这部分更易变形，因此具有较高的灵敏度，当压力逐渐增加，第二摩擦层5变形到一定程度，此时将不再仅为尖端31受力，而是整个器件受到压缩，这必然导致更大的弹性模量，进而降低了器件的灵敏度。由图可知，在这两个区域，电压变化率与压力均呈现出良好的线性关系，具备优异的实用价值。
图10示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的预设距离改变时灵敏度的变化曲线。由图10可知，灵敏度受第二摩擦层5的尖端31形态和疏密程度两种因素同时动态影响，随着预设距离增大，先是尖端31变尖变高产生主要影响，此时压力传感器的高灵敏度区域Ⅰ和低灵敏度区域Ⅱ的灵敏度均有明显提升，在在预设距离为1.2cm处达到最优，并且在高灵敏度区域Ⅰ实现了最高灵敏度达21.48kPa-1的卓越传感性能；而后，随着距离进一步增大，磁能变小产生主要影响，磁流体的尖端31变得稀疏且矮钝，此时高灵敏度区域Ⅰ和低灵敏度区域Ⅱ的灵敏度都呈现下降，在预设距离为2cm处彻底消失，由图4可知，在在预设距离为2cm处无法形成尖端31。
图11示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器的制备方法的示意性流程图。如图11所示，该制备方法包括：
步骤S100，提供一基板；
步骤S200，在基板的上表面形成电极层；
步骤S300，在电极层的上表面放置磁流体，磁流体作为第一摩擦层；
步骤S400，在基板的下方设置永磁体，永磁体和磁流体之间具有预设距离，且预设距离设置成可变的，以在预设距离发生改变时改变磁流体的形状；
步骤S500，在磁流体的上方设置第二摩擦层，第二摩擦层在受到外界压力时朝向第一摩擦层方向移动，并通过与第一摩擦层接触并分离，从而产生电信号。
制备获得的自驱动压力传感器为前述的自驱动压力传感器，其特征一一对应，此处不再赘述。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种自驱动压力传感器，其特征在于，包括基板、形成在所述基板的上表面的电极层、放置在所述电极层的上表面的且用于作为第一摩擦层的磁流体、设置在所述基板的下方的永磁体以及设置在所述磁流体的上方的第二摩擦层；
所述第二摩擦层设置成在受到外界压力时朝向所述第一摩擦层方向移动，并通过与所述第一摩擦层接触并分离，从而产生电信号；
所述磁流体和所述永磁体之间具有预设距离，且所述预设距离设置成可变的，以在所述预设距离发生改变时改变所述磁流体的形状，从而改变自驱动压力传感器的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的自驱动压力传感器，其特征在于，所述磁流体形成有多个尖端，且所述尖端具有预设高度。
3.根据权利要求2所述的自驱动压力传感器，其特征在于，所述预设距离选择为范围在0-2cm中任一值。
4.根据权利要求3所述的自驱动压力传感器，其特征在于，所述预设距离选择为范围在1-1.4cm中任一值。
5.根据权利要求3所述的自驱动压力传感器，其特征在于，所述磁流体的所述尖端的形状随着所述预设距离的增大而变尖变高，直至距离达到一预设距离后，随着预设距离的增大而变低变钝；
所述磁流体的所述尖端的数量随着所述预设距离的增大而减少。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的自驱动压力传感器，其特征在于，所述第一摩擦层的材料选择为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的自驱动压力传感器，其特征在于，所述电极层的材料选择为铝、铜或金金属。
8.一种自驱动压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一基板；
在所述基板的上表面形成电极层；
在所述电极层的上表面放置磁流体，所述磁流体作为第一摩擦层；
在所述基板的下方设置永磁体；
在所述磁流体的上方设置第二摩擦层，所述第二摩擦层在受到外界压力时朝向所述第一摩擦层方向移动，并通过与所述第一摩擦层接触并分离，从而产生电信号；
所述磁流体和所述永磁体之间具有预设距离，且所述预设距离设置成可变的，以在所述预设距离发生改变时改变所述磁流体的形状，从而改变自驱动压力传感器的灵敏度。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述预设距离选择为范围在0-2cm中任一值。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述预设距离选择为范围在1-1.4cm中任一值。
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