CN113067494B - 独立层模式的柔性摩擦纳米发电机、制备方法、传感器以及可穿戴设备 - Google Patents

独立层模式的柔性摩擦纳米发电机、制备方法、传感器以及可穿戴设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机、制备方法、传感器以及可穿戴设备，包括：聚二甲基硅氧烷基底；氟化乙烯丙烯共聚物层，作为第二摩擦材料，设置在基底内，氟化乙烯丙烯共聚物层包括间隔开的第一部分和第二部分，分别限定相对的第一表面和第二表面，第一表面与静态金属接触，第二表面设置金属铜层作为电极材料；液态金属，作为第一摩擦材料，液态金属被设置成可在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动；聚二甲基硅氧烷封盖，用于封闭具有液态金属和氟化乙烯丙烯共聚物层的聚二甲基硅氧烷基底，形成密闭封装。本发明一方面可用作电能输出，为可穿戴设备供电，另一方面还可以利用机械能与电能的转换进行速度检测。

Description

独立层模式的柔性摩擦纳米发电机、制备方法、传感器以及可 穿戴设备
技术领域
本发明涉及纳米发电机技术领域，尤其是基于柔性摩擦纳米发动机的传感器，例如速度传感器，具体涉及一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机、制备方法、传感器以及可穿戴设备。
背景技术
随着多功能可穿戴电子设备的快速发展，大量新型具有多功能的微电子器件不断被开发出来，应用于电子皮肤、无线耳机和智能手表等。这些电子设备具有柔性、轻便的特性，并可以模仿人体表面的特征，应用于人体健康检测和活动轨迹等相关的传感网络。
但是，目前商业化的便携式可穿戴设备使用的电池和超级电容器都相对比较重，需要频繁的充电供能，并且面临严重的使用寿命限制和环境污染。为了克服这些存在的问题，现有技术中开发了一系列基于热电效应、压电效应和摩擦起电的先进能源收集技术，以此实现可持续的便携式能源。与热能、化学能、生物能和太阳能相比，机械能的收集简易，可以随时随地的收集，并且可适用性范围广泛，不受环境和天气等因素影响。
在现有的可穿戴设备应用中，已制备出的柔性摩擦纳米发电机，基于接触起电和静电感应的耦合作用，可以将各种形式的机械能转换成电能，但是摩擦层和电极层之间的摩擦损耗较大，表面电荷密度太小，导致转移电荷量的能力收到限制。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机及其制备方法，一方面，能够将施加在摩擦纳米发电机上的机械能转化为电能，提供电能输出，另一方面还可以基于机械能与电能的转换，输出对应的电信号，用于测量速度，尤其是基于手腕的运动来测量速度。
根据本发明第一方面的目的提出一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机，包括：
聚二甲基硅氧烷基底，所述聚二甲基硅氧烷基底的内部形成有一沿着其纵长方向的腔体；
氟化乙烯丙烯共聚物层，其作为第二摩擦材料，设置在聚二甲基硅氧烷基底的腔体内，并且所述氟化乙烯丙烯共聚物层包括间隔开的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分分别限定相对的第一表面以及第二表面，第一表面被设置成与静态金属接触，第二表面设置金属铜层作为电极材料，并与腔体接触固定；
液态金属，其作为第一摩擦材料，所述液态金属被设置成可在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动；
聚二甲基硅氧烷封盖，具有与聚二甲基硅氧烷基底相同的结构，用于封闭具有液态金属和氟化乙烯丙烯共聚物层的聚二甲基硅氧烷基底，形成密闭封装。
优选地，氟化乙烯丙烯共聚物层的第一表面形成超疏水表面结构。
优选地，所述金属铜层镀制在氟化乙烯丙烯共聚物层的第二表面。
优选地，所述氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分具有相同的层厚度和长度，并且分别抵靠到腔体相对两端的侧壁上。
优选地，所述金属铜层的边缘与所述氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分平齐。
优选地，所述液态金属被设置成在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动导致摩擦面积发生，并通过所述金属铜层输出电信号。
优选地，所述聚二甲基硅氧烷封盖与聚二甲基硅氧烷基底封装形成环状。
根据本发明的第二方面还提出一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：
提供一种金属模具；
将液体聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物注入所述金属模具中，固化形成聚二甲基硅氧烷基底，聚二甲基硅氧烷基底具有一个腔体；
将固化后的聚二甲基硅氧烷基底从所述金属模具中脱模后，把氟化乙烯丙烯共聚物层状结构分成第一部分和第二部分分别间隔开地放置于聚二甲基硅氧烷基底的腔体的两端，其中第一部分和第二部分与聚二甲基硅氧烷基底的腔体接触的表面设置有金属铜层；
将液态金属注入聚二甲基硅氧烷基底内；
将同尺寸的聚二甲基硅氧烷封盖与装有液态金属的聚二甲基硅氧烷基底密封封装，制得所述柔性摩擦纳米发电机。
优选地，聚二甲基硅氧烷和所述固化剂的体积比为10：1。
根据本发明的第三方面还提出一种主动型传感器，包括前述的柔性摩擦纳米发电机，所述柔性摩擦纳米发电机用于将机械能转化为电能，以输出电信号。
优选地，所述主动型传感器为速度传感器。
优选地，所述柔性摩擦纳米发电机被设置成沿着手腕部围绕成闭环。
根据本发明的第四方面还提出一种可穿戴电子设备，包括所述的主动型传感器。
根据本发明的第五方面还提出一种可穿戴电子设备，包括所述的柔性摩擦纳米发电机，所述柔性摩擦纳米发电机为可穿戴设备提供电能，从而满足多功能的可穿戴电子设备的供电需要，解决能量收集不方便的问题。
由以上本发明的技术方案可见，本发明的方案中，以液态金属作为摩擦材料，由于液态金属的高的表面电荷密度、低的摩擦损耗和良好的流动性，基于液态金属的摩擦纳米发电机具有高的输出电流、可拉伸性和轻便性的特性。并且聚二甲基硅氧烷基底拉伸性能良好，经过拉伸或扭曲后，其性能保持不变，可以满足不同应用场景的需求，适用于可穿戴电子设备上。
对本发明的柔性摩擦纳米发电机施加周期性的外力时，可以在导电元件和金属铜电极之间形成交流脉冲信号。本发明的柔性摩擦纳米发电机具有以下优点：
1、高效的能量利用。本发明无需高强度的能量输入，只需输入的机械能可驱动液态金属和氟化乙烯丙烯共聚物产生相对滑动即可，本发明可有效收集日常生活中产生的各种强度的机械能，并将其转化为电能输出，以供可穿戴设备的功能；
2、用途广泛。通过对摩擦层进行物理改良或者化学改性，可以进一步的提高产生的接触电荷密度，从而提高输出性能，本发明的摩擦纳米发电机不仅能作为小型功率源，也可以基于周期性移动引起的机械能到电能的转换形成的电信号输出，用于传感元件，例如速度传感器；
3、结构简单、重量轻便、成本低廉和兼容性强。本发明的摩擦纳米发电机既能满足发电机的工作要求，又节省了成本、减轻了重量和方便了制作，有利于应用于实际生产，工作过程无污染、效率高且对设备要求低。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明示例性实施例的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的示意图。
图2是本发明示例性实施例的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的制备流程示意图。
图3-5是本发明示例性实施例的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的工作原理剖面示意图。
图6是本发明示例性实施例的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的自驱动系统的示意性原理图。
图7示出了根据本发明一个实施例的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机在不同摆动频率下的短路电流的输出示意图。
图8示出了根据本发明一个实施例的智能手环检测手腕不同摆动角度下的开路电压的输出示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-5所示，根据本发明示例性实施例提出的一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机，包括液态金属10、氟化乙烯丙烯共聚物层11、金属铜层12以及聚二甲基硅氧烷基底13。
液态金属10，其作为第一摩擦材料，可采用镓基合金，例如镓铟合金等具有良好的室温下的流动性，室温下即呈液态。
聚二甲基硅氧烷基底13的内部形成有一沿着其纵长方向的腔体。液态金属10被注入到该腔体内。
氟化乙烯丙烯共聚物层11，其作为第二摩擦材料，设置在聚二甲基硅氧烷基底的腔体内。结合图1，氟化乙烯丙烯共聚物层11包括间隔开的第一部分和第二部分，中间具有间隔，即在氟化乙烯丙烯共聚物之间存在分离间隙。第一部分和第二部分分别限定相对的第一表面以及第二表面，第一表面被设置成与静态金属10接触，第二表面设置金属铜层12作为电极材料，并与腔体接触固定。
优选地，氟化乙烯丙烯共聚物层的第一表面形成超疏水表面结构。
可选地，金属铜层12镀制在氟化乙烯丙烯共聚物层的第二表面。
本发明的实施例的纳米发电机还具有一个聚二甲基硅氧烷封盖，可采用与基底相同的结构，还可以使用相同的制备方式制备，其用于封闭具有液态金属和氟化乙烯丙烯共聚物层的聚二甲基硅氧烷基底，形成密闭封装。
结合图1以及图3-5所示，液态金属10被设置成可在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动。液态金属作为第一摩擦材料，由于液态金属的高的表面电荷密度、低的摩擦损耗和良好的流动性。以氟化乙烯丙烯共聚物作为第二摩擦材料，液态金属与氟化乙烯丙烯共聚物之间有摩擦电极序差异。当施加的外力使液态金属和氟化乙烯丙烯共聚物发生相对滑动摩擦，并且导致摩擦面积发生变化时，能够通过金属铜电极向外电路输出电信号/输出电能。
基于液态金属的摩擦纳米发电机具有高的输出电流、可拉伸性和轻便性的特性，结合聚二甲基硅氧烷基底拉伸性能良好，经过拉伸或扭曲后，其性能保持不变，可以满足不同应用场景的需求，适用于可穿戴电子设备上。优选地，聚二甲基硅氧烷封盖与聚二甲基硅氧烷基底封装形成环状。
优选的实施例中，氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分具有相同的层厚度和长度，并且分别抵靠到腔体相对两端的侧壁上。
优选的实施例中，金属铜层12的边缘与氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分平齐。
优选的实施例中，液态金属被设置成在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动导致摩擦面积发生，并通过金属铜层输出电信号。
结合图1、图3-5所示，本发明的柔性摩擦纳米发电机提供一种将振动、运动等机械能转化为电能的柔性摩擦纳米发电机，利用在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接触时会产生表面电荷转移的现象，将机械能转化为电能。本发明中的“摩擦电极序”，是指材料对电荷的吸引能力将其进行排序，两种材料在相互摩擦时，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性为正的材料表面转移到极性为负的材料表面。一般认为，电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。
结合图3-5，当液态金属10与氟化乙烯丙烯共聚物层11接触时，由于接触起电，氟化乙烯丙烯聚合物层表面产生负摩擦电荷并在液态金属10内产生等量的正电荷，氟化乙烯丙烯聚合物层A11的背面金属铜层12感应出电荷。当液态金属10流动到另一侧时，其与另一侧氟化乙烯丙烯聚合物层接触起电，电子在短路条件下在金属铜层12上通过导线流向另一侧。当液态金属10完全覆盖另一侧时，转移电荷量达到最大值。然后，液态金属10回流时，金属铜12上会需要相反的电荷，从而产生相反的电流。
图2示例性地表示了根据本发明一个实施例的柔性摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程。结合图2所示，该制备流程包括以下步骤：
步骤S100、提供一种金属模具；
步骤S200、将液体聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物注入金属模具中，固化形成聚二甲基硅氧烷基底，聚二甲基硅氧烷基底具有一个腔体；
步骤S300、将固化后的聚二甲基硅氧烷基底从金属模具中脱模后，把氟化乙烯丙烯共聚物层状结构分成第一部分和第二部分分别间隔开地放置于聚二甲基硅氧烷基底的腔体的两端，其中第一部分和第二部分与聚二甲基硅氧烷基底的腔体接触的表面设置有金属铜层；
步骤S400、将液态金属注入聚二甲基硅氧烷基底内；
步骤S500、将同尺寸的聚二甲基硅氧烷封盖与装有液态金属的聚二甲基硅氧烷基底密封封装，制得柔性摩擦纳米发电机。
其中，在步骤S100，金属模具可以是一套半圆管形状的金属模具。
其中，在步骤S200，将液体聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物注入半圆管形状的金属模具中，固化，其中，聚二甲基硅氧烷和固化剂的体积比为1：10。
其中，在步骤S200，将装有聚二甲基硅氧烷和固化剂混合物的金属模具闭合封装，并放置于70摄氏度环境下固化3小时，获得聚二甲基硅氧烷基底，其中具有一个内槽。
固化后，将氟化乙烯丙烯共聚物层分成两等分的部分，分别放置于聚二甲基硅氧烷基底的内槽的两个端部。聚二甲基硅氧烷基底的内槽为半圆柱形，长为24厘米、直径为毫米、厚度为3毫米。
具体地，在步骤S300中，用耐高温胶带在玻璃基板粘上一层50微米厚的氟化乙烯丙烯共聚物层，然后用直流溅射技术在氟化乙烯丙烯共聚物层上沉积200纳米厚的金属铜。利用激光切割机将氟化乙烯丙烯共聚物层切成长为10厘米、宽为25毫米的长方形，形成底面镀铜的氟化乙烯丙烯共聚物层，分别贴装到半圆柱形的内槽中。
前述步骤中，两块氟化乙烯丙烯共聚物层之间的间隙为2厘米。
由上述步骤S100至S500制备获得的柔性摩擦纳米发电机可围绕成手环状。
上述的制备过程材料简单且操作简易，可以为了满足不同的用户需要将柔性摩擦纳米发电机制成不同的长度，以便于佩戴。柔性摩擦纳米发电机可以拉伸到100％，因此可以克服人体运动时各种复杂环境对器件破坏的困难。
根据本发明的公开，还提出一种主动型传感器，包括前述的柔性摩擦纳米发电机，柔性摩擦纳米发电机用于将机械能转化为电能，以输出电信号。
尤其优选地，主动型传感器为速度传感器，利于周期性的机械运动并将其转换成电信号输出，进行速度的检测与传感输出。其中，柔性摩擦纳米发电机作为主动型传感器，例如速度传感器，还可以以有利于制作和集成在智能手环或者其他可穿戴终端的方式，沿着手腕部围绕成闭环。
可选地，本发明公开的改进还提出一种可穿戴电子设备，包括前述的柔性摩擦纳米发电机，柔性摩擦纳米发电机为可穿戴设备提供电能。
图6示出了根据本发明一个实施例的基于独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的自驱动系统的示意性原理图。该自驱动系统包括上述的柔性摩擦纳米发电机100、整流桥200以及商用电容器300。液态金属与氟化乙烯丙烯聚合物摩擦起电时产生的电能通过整流桥200，充入商用电容器300中，提供电能。
图7示出了根据本发明一个实施例的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机在不同摆动频率下的短路电流的输出。当手腕摆动时，液态金属在氟化乙烯丙烯共聚物上滚动，因此，实时电流可以指示测试人员的不同摆动频率。如图所示，相比于小的摆动频率，大的摆动频率会导致液态金属的运动速度加快，减少分离时间，因此单位时间内转移的电荷量增大，导致得到的短路电流要高于小的摆动频率下所采集到的短路电流，从而产生更高的电流值，因此通过该测试可见，通过本发明的柔性摩擦纳米发电机的应用，可于识别不同的人体运动(摆动)速度和频率，尤其是应用于智能手环等运动监控智能硬件。
图8示出了根据本发明一个实施例的智能手环检测手腕不同摆动角度下的开路电压的输出。如图所示，随着摆动角度的增大，开路电压的大小几乎不变，这是因为表面电荷密度和电极距离不变，所以8个角度下的开路电压基本相同。
特别地，本发明还提供了一种可穿戴设备，该可穿戴设备包括上述独立层模式柔性摩擦纳米发电机，该柔性摩擦纳米发电机可以应用在可穿戴设备上，可用于检测人体运动速度。
由于被动式传感器需要外部电源才能输出电信号，而主动式传感器可以自供电，不需要外部电源。因此，本发明基于液态金属的手环状柔性摩擦纳米发电机可以应用于智能手环，在不同的手臂摆动频率时对应不同的输出电信号，以检测手臂/腿部的运动，通过分析相应的电信号输出，可以识别不同的手臂摆幅、不同的运动速度以及其他可根据输出信号进行分析的运动过程。
如此，本发明前述实施例的纳米摩擦发电机，既可以利用手臂摆动和/或腿部摆动引起的电荷累积，作为电能供应装置，为可穿戴设备提供电能供应；还可以利用手臂摆动和/或腿部摆动所输出的电信号的变化，从而识别不同的人体运动(摆动)速度和频率，作为传感器使用。
本发明提供的基于液态金属的手环状柔性摩擦纳米发电机从器件制备到具体应用，工作原理简单，工作过程低成本、效率高、无危害且对设备要求低，有助于商业化推广，具有很高的经济效益。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种独立层模式的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
聚二甲基硅氧烷基底，所述聚二甲基硅氧烷基底的内部形成有一沿着其纵长方向的腔体；
氟化乙烯丙烯共聚物层，其作为第二摩擦材料，设置在聚二甲基硅氧烷基底的腔体内，并且所述氟化乙烯丙烯共聚物层包括间隔开的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分分别限定相对的第一表面以及第二表面，第一表面被设置成与静态金属接触，第二表面设置金属铜层作为电极材料，并与腔体接触固定；
液态金属，其作为第一摩擦材料，所述液态金属被设置成可在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动；
聚二甲基硅氧烷封盖，具有与聚二甲基硅氧烷基底相同的结构，用于封闭具有液态金属和氟化乙烯丙烯共聚物层的聚二甲基硅氧烷基底，形成密闭封装；
氟化乙烯丙烯共聚物层的第一表面形成超疏水表面结构；
所述氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分具有相同的层厚度和长度，并且分别抵靠到腔体相对两端的侧壁上；
所述金属铜层的边缘与所述氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分平齐；
所述聚二甲基硅氧烷封盖与聚二甲基硅氧烷基底封装形成环状。
2.根据权利要求1所述的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于，所述金属铜层镀制在氟化乙烯丙烯共聚物层的第二表面。
3.根据权利要求1所述的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于，所述液态金属被设置成在氟化乙烯丙烯共聚物层的第一部分和第二部分之间移动导致摩擦面积发生，并通过所述金属铜层输出电信号。
4.一种如权利要求1所述的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一种金属模具；
将液体聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物注入所述金属模具中，固化形成聚二甲基硅氧烷基底，聚二甲基硅氧烷基底具有一个腔体；
将固化后的聚二甲基硅氧烷基底从所述金属模具中脱模后，把氟化乙烯丙烯共聚物层状结构分成第一部分和第二部分分别间隔开地放置于聚二甲基硅氧烷基底的腔体的两端，其中第一部分和第二部分与聚二甲基硅氧烷基底的腔体接触的表面设置有金属铜层；
将液态金属注入聚二甲基硅氧烷基底内；
将同尺寸的聚二甲基硅氧烷封盖与装有液态金属的聚二甲基硅氧烷基底密封封装，制得所述柔性摩擦纳米发电机。
5.根据权利要求4所述的独立层模式的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，聚二甲基硅氧烷和所述固化剂的体积比为10：1。
6.一种主动型传感器，其特征在于，包括权利要求1-3中任意一项所述的柔性摩擦纳米发电机，所述柔性摩擦纳米发电机用于将机械能转化为电能，以输出电信号。
7.根据权利要求6所述的主动型传感器，其特征在于，所述主动型传感器为速度传感器。
8.根据权利要求6所述的主动型传感器，其特征在于，所述柔性摩擦纳米发电机被设置成沿着手腕部围绕成闭环。
9.一种可穿戴电子设备，其特征在于，包括权利要求6-8中任意一项所述的主动型传感器。
10.一种可穿戴电子设备，其特征在于，包括权利要求1-3中任意一项所述的柔性摩擦纳米发电机，所述柔性摩擦纳米发电机为可穿戴设备提供电能。
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