CN113556054B - 基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器及其制备方法 - Google Patents

基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于液态金属和固‑液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其从下到上依次包括基体层、液体金属诱导层、液态金属层、可插拔基体支架；液体金属诱导层位于基体层上，用于润湿液态金属且用作液态金属的支撑层，并使液态金属沿着液体金属诱导层流动；液体金属诱导层由与液态金属接触角范围为0度到90度的材料制成；液态金属层位于液体金属诱导层上表面。可插拔基体支架布置在基体层上方，其底部插入基体层；可插拔基体支架面向液态金属层的表面上从上到下依次布置有导电金属层、负性摩擦材料层；负性摩擦材料与液态金属的接触角为90到180度，其应具有较强电负性，以使得传感器具有较高输出。本发明制备过程简单，应用灵活。

Description

基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传 感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器。
背景技术
随着5G技术逐步普及，单位体积内可同时接入互联网的设备数量将获得大幅提升，这意味着越来越多的物品可以智能化并可接入互联网。同时，“鸿蒙系统”将极大提升不同智能终端间的协调调度效率。随着以上技术瓶颈的不断突破，我们正加速迈入“万物互联”的物联网时代。传感器作为物联网不可或缺的组成要素，作为人体感官功能的拓展，是一切信息的源泉。物联网时代将有数以百万计甚至亿计的传感器部署在全球为人类提供服务。然而，为数量众多的传感器单独配备电源将造成人力、物力的极大浪费，同时会带来环境负担。科学家正致力于开发新型的自供能传感技术。
摩擦纳米发电机(TENG)能将环境中的广泛存在却被浪费的机械能转化为电能。作为新型的可再生能源技术之一，其具有不受工作环境限制(如风能需要风力，太阳能使用受天气影响)此外还具有高输出功率、工作模式多样、制作方法简单及成本低廉等优点而成为研究热点。此外TENG的输出信号幅值受多个参数影响显著，因此其也被广泛用于面向各种机械和化学传感应用的自驱动传感器研究。
使用两种固体作为摩擦材料构成固-固摩擦界面是TENG最为广泛采用的摩擦形式。然而，机械力作用下，经过多个周期的摩擦接触后固-固界面由于摩擦生热会使摩擦材料发生软化导致摩擦界面磨损严重，不仅会致使TENG器件性能显著下降，还会影响TENG的使用寿命。为了提高摩擦界面的耐受性和稳定性，研究者们一方面致力于制备可自修复材料用以制作TENG，另一方面由于液体具有柔性和流动性使其可以充当与固体接触时的润滑剂，此外其形状可变还可以有效增大摩擦面积，因此也对基于固-液摩擦界面的TENG展开了研究。然而，使用液体作为摩擦材料大多都需要制作微流控通道或管道作为其流动通道，其根本原因在于液体在支撑层上受力后，其流动方向具有随机性，可能分散为几支不同的细小支流。因此为了使液体与另一摩擦材料间能形成稳定的接触，需要设计特定的管道或流动通道以控制其流动方向。然而这一步骤使得TENG器件的制备过程复杂化并提升了制作成本。因此，若能开发出无需为其制作流动路径而能控制其流动方向的方法，则可以使TENG的制作步骤简化并降低其制作成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动，免通道可扩展传感器的制备方法。
一种基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，该传感器包括：
基体层；
液体金属诱导层，位于所述基体层上，用于润湿液态金属，并使所述液态金属沿着所述液体金属诱导层流动；所述液体金属诱导层由与液态金属接触角范围为0度到90度的材料制成；
液态金属层，位于所述液体金属诱导层上方；
可插拔基体支架，布置在所述基体层上方，其底部插入所述基体层；
所述可插拔基体支架面向所述液态金属层的表面上设置导电金属层，所述导电金属层表面设置负性摩擦材料层；所述负性摩擦材料与所述液态金属的接触角为90到180度；
当所述传感器运动时，所述液态金属流经所述负性摩擦材料层所在位置时，与所述负性摩擦材料层接触，离开所述负性摩擦材料层所在位置时，与所述负性摩擦材料层分离，从而产生电信号。
进一步地，所述基体层和可插拔基体支架由3D打印制成。
进一步地，所述液体金属诱导层由与液态金属接触角范围为0度到45度的材料制成。
进一步地，所述液态金属优选镓基液态金属。
进一步地，所述液态金属的质量为1.5到1.75g。
进一步地，所述液体金属诱导层和所述液态金属层为圆形或圆环形，所述液体金属诱导层和所述液态金属层的形状相同。
进一步地，所述液体金属诱导层由橡胶材料Eco-flex制成。
进一步地，所述负性摩擦材料为聚四氟乙烯(PTFE)。
进一步地，所述可插拔基体支架为多个，间隔插入所述基体层，每个所述可插拔基体支架面向所述液态金属层的表面上设置导电金属层，所述导电金属层表面设置负性摩擦材料层。
一种传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在所述基体层上覆盖一层液体金属诱导层；
(2)在所述液体金属诱导层上注射一定量的液态金属，并使所述基体层倾斜，所述液态金属将在所述液体金属诱导层上流动并形成一层致密氧化膜，作为液态金属的预设流通通道；
(3)将所述基体层向相反方向倾斜，回到原始状态，将可插拔基体支架底部插入所述基体层，并在所述可插拔基体支架面向所述液态金属诱导层的表面上设置导电金属层，并在所述导电金属层上设置负性摩擦材料层，保证当所述传感器倾斜时，流动的液态金属流经所述负性摩擦材料层所在位置时，能够与所述负性摩擦材料层接触。
本发明的有益效果如下：
(1)针对现有使用固-液摩擦界面的TENG普遍存在需要为流体设计流动通道或管道以控制其流动路径，并在管道内壁黏贴负性摩擦材料而使制作过程复杂、成本增加的缺点，本发明通过在液态金属的支撑层上涂覆一层薄薄的具有强液态金属润湿性的材料，即可对液态金属的流动路径进行管理实现“流动渠道自治”，方法简单，成本低廉。
(2)液态金属的“流动渠道自治”使得本发明中的传感器可以单元化并具备可扩展能力。使用者可以根据实际需求，通过直接将传感器或其组件进行组装或拆分来改变使用传感器的个数而无需改变传感器的结构，以调整传感器的分辨率和量程(例如实现一、二维传感的转化)。提高了传感器应用的灵活性，同时极大的提高了传感器的可重复利用率。
(3)与使用水或氯化钠等其它的导电液体制作的固-液界面TENG相比，镓基液态金属具有更强的得电子能力、极低的蒸发速率、且由于致密的表面氧化层而不会发生渗透、同时可以在有传感器使用需求时注射液态金属，而无需使用时抽取以进行存储的优点。
附图说明
图1为本发明所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器。
图2为本发明实施例中使用的具有两端结构的基于液态金属的自驱动传感器的截面示意图。
图3(a)和3(b)为当基于镓基液态金属的自驱动摩擦纳米发电机倾斜相同角度时，分别以22.5度/秒和67.5度/秒的倾斜速度倾斜时，对应的输出短路电流大小。
图4为当基于镓基液态金属的自驱动摩擦纳米发电机倾斜相同角度时，分别以不同倾斜速度倾斜，所对应的输出的短路电流峰-峰值大小对比。
图5(a)和5(b)为当基于液态金属的自驱动摩擦纳米发电机以相同倾斜速度倾斜时，分别倾斜15°和75°所对应的输出的短路电流大小。
图6为当基于镓基液态金属的自驱动摩擦纳米发电机以相同倾斜速度倾斜时，分别倾斜不同角度所对应的输出的短路电流峰-峰值大小对比。
图7为本发明实施例中由两个两端结构的基于液态金属的自驱动传感器拼接而成的四端传感器的俯视图。
图8为本发明实施例中圆环结构的基于液态金属的自驱动传感器的截面图。
图9为本发明实施例中圆环结构的基于液态金属的自驱动传感器的俯视图。
图10为本发明实施例中滚轮结构的基于液态金属的自驱动传感器的截面图。
图1-2和图7-10中，100为基体层，101为可插拔基体支架，102为液体金属诱导层，103为液态金属层，104为负性摩擦材料层，105为导电金属层。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
如图1所示，本发明的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，从下到上依次包括基体层100、液体金属诱导层102、液态金属层103、可插拔基体支架101；
液态金属诱导层102位于基体层100上，用于润湿液态金属且用作液态金属的支撑层，并使液态金属沿着液体金属诱导层102流动；液体金属诱导层102由与液态金属接触角范围为0度到90度的材料制成；液态金属层103位于所述液体金属诱导层上表面。可插拔基体支架101布置在基体层上方，其底部插入基体层100；可插拔基体支架101面向液态金属层103的表面上从上到下依次布置有导电金属层105、负性摩擦材料层104；负性摩擦材料与液态金属的接触角为90到180度，其应具有较强电负性，以使得摩擦纳米发电机具有较高输出。
当传感器运动时，液态金属流动，从而使液态金属与负性摩擦材料层接触或分离，从而产生电信号。其中，液态金属用作摩擦纳米发电机的正性摩擦材料及电极材料，导电金属层用作摩擦纳米发电机负性摩擦材料的电极，负性摩擦材料层为不易被液态金属润湿的材料，用作摩擦纳米发电机的负性摩擦材料，与液态金属形成稳定的摩擦接触。
该传感器基于液态金属氧化膜的特点，使用具有强润湿性的材料涂覆在液体金属诱导层上，使液态金属初次流经其上后，即在强润湿性材料表面遗留一层氧化层。从而使其充当之后液态金属的流经通道。当基于液态金属的自驱动传感器倾斜时，液态金属受到重力，沿支撑层上的强润湿性材料所“预设的路径”流动。当其流经插有可插拔结构的3D基体支架时，其与不易被液态金属润湿的负性摩擦材料产生摩擦接触，TENG输出电信号。且输出信号大小随倾斜速度或角度增大而增大。
作为优选，基体层100和可插拔基体支架101由3D打印制成，所使用的材料为光敏树脂，白色尼龙或黑色尼龙。
作为优选，液体金属诱导层102选用具有强镓基液态金属润湿性的材料，其作用是增加液态金属对支撑层材料的润湿性，使得当液态金属流过支撑层后，有更多液态金属氧化物停留在衬底上。该强润湿性材料与镓基液态金属接触角范围优选0度到45度。
作为优选，液态金属为镓基液态金属。
作为优选，由于若使用的液态金属质量越大，则其与摩擦材料形成的有效接触面积越大，然而其所能承受的最大倾斜角度也越小。因此使用的液态金属质量为1.5到1.75g。
作为优选，液体金属诱导层102和液态金属层103为圆形或圆环形。
作为优选，液体金属诱导层102和液态金属层103的形状相同。
作为优选，液体金属诱导层102由橡胶材料Eco-flex制成。
作为优选，负性摩擦材料为PTFE。
作为优选，本发明的传感器很容易实现扩展，可通过将若干个传感器结构进行拼接，从而使液体金属诱导层连通，且传感器有若干个可插拔基体支架，每个可插拔基体支架面向液态金属层的表面上设置导电金属层，导电金属层表面设置负性摩擦材料层。
本发明的传感器可用于检测方位、旋转或滚动角度、速度和路程等。可以根据实际需求，设计传感器不同的形状。下面给出几个实施例进行说明。
实施例1
一种具有两个可插拔支架的基于液态金属的自驱动倾斜速度或角度传感器的制备方法，具体步骤为：
如图2所示，首先将3D打印的基体层100置于水平面上，并在其表面涂一层薄薄的强润湿性材料Eco-flex102。随后在其左侧注射一定量的液态金属，并使整个3D打印基体层倾斜一定角度(0到90度)，液态金属将在Eco-flex上流动并遗留一层氧化膜，形成其流通通道。将3D打印的基体层100向相反方向倾斜同样角度，液态金属(同时用作TENG的正性摩擦材料与电极)将沿同一流通通道回流至原处。之后将两个可插拔的3D打印支架101插在上述3D打印的基体层100上方，并在其底面依次粘贴铝箔105和PTFE104，分别用作TENG的电极和对应的负性摩擦材料，此时TENG有两个输出通道。调整可插拔的3D打印支架101高度使PTFE能与镓基液态金属充分摩擦接触。
将制作成的具有两个可插拔支架的自驱动摩擦纳米发电机以不同倾斜速率倾斜相同角度时，测试其中一个通道的输出信号，测得的TENG的输出短路电流分别如图3(a)和(b)所示。图3中，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电流幅度(单位为纳安)。不同倾斜速度对应的输出电流峰-峰值大小如图4所示，图4中，横坐标为倾斜速度(单位为度/秒),纵坐标为电流峰-峰值(单位为纳安)。由实验结果可知，倾斜角度大小相同时，倾斜速度越快，输出电流值越大，即其可以用做倾斜速度传感器。
将制作成的两端结构的自驱动摩擦纳米发电机以相同倾斜速率倾斜不同角度时，测试其中一个通道的输出信号，测得的TENG的输出短路电流分别如图5(a)和(b)所示，图5中，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电流幅度(单位为纳安)。不同倾斜角度对应的输出电流峰-峰值大小如图6所示，图中，横坐标为倾斜速度(单位为度),纵坐标为电流峰-峰值(单位为纳安)。由实验结果可知，倾斜速度大小相同时，倾斜角度越大，输出电流值越大，即其可以用做倾斜角度传感器。
实施例2
一种由两个实施例1的传感器拼接集成的基于液态金属的自驱动倾斜速度、角度及方位传感器的制备方法，具体步骤为：
将实施例1中的带有两个可插拔支架的传感器沿纵向拼接，并在纵向涂一层薄薄的Eco-flex，形成一个矩形回路，如图7所示，液态金属103在Eco-flex上流过后，将遗留一层氧化膜形成其流通通道。此时由于此四端TENG共插有四个可插拔的3D打印基体支架，即其具有四个输出通道。原本的两端(一维)传感器即扩展成四端(二维)传感器。则此时除了可以测试某一通道的输出信号大小用以传感摩擦纳米发电机的旋转速度或角度外，还可以测试四个通道是否有输出信号以传感摩擦纳米发电机的旋转方位。
实施例3
根据实际应用需求，设计了圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机，以模拟汽车方向盘的使用。一种圆环结构的基于液态金属的自驱动倾斜速度、角度及旋转方向传感器的制备方法，具体步骤为：
如图8所示，首先将3D打印的基体层100置于水平面上，并在其表面涂一层薄薄的强润湿性材料Eco-flex。随后在Eco-flex上注射一定量的液态金属，使整个3D打印基体倾斜一定角度并绕圆环圆心旋转，液态金属将沿圆环状的Eco-flex流动并在其上遗留一层氧化膜，充当液态金属的流通通道。将3D打印基体以同样倾斜角度向相反方向旋转，液态金属(同时用作TENG的正性摩擦材料与电极)将沿同一路径回流。之后将可插拔的3D打印基体支架101均匀的插在3D打印的基体层100上方，并在其底面依次粘贴铝箔和PTFE，分别用作TENG的电极和对应的负性摩擦材料。制得的圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机俯视图如图9所示。此时可以通过控制插入的可插拔3D打印基体支架个数以控制TENG的输出通道个数，即调整旋转角度传感器的分辨率。调整插入的可插拔的3D打印基体支架高度使PTFE能与镓基液态金属充分摩擦接触。
将制作成的圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机以相同倾斜角度，不同旋转速率旋转时，测试其中一个通道的输出信号大小或两相邻通道输出信号的时间间隔以表征旋转速度。将制作成的圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机以不同倾斜角度，相同旋转速率旋转时，测试其中一个通道的输出信号大小以表征倾斜角度。测试各输出通道是否有输出信号及信号的输出顺序可以表征圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机的旋转方向(从左至右或者从右至左)。
实施例4
根据实际应用需求，设计了滚轮结构的自驱动摩擦纳米发电机，以模拟轮胎的使用。一种滚轮结构的基于液态金属的自驱动滚动角度、速度及路程传感器的制备方法，具体步骤为：
如图10所示，首先将滚轮状的3D打印基体层树立于水平面上，并在其内表面涂一层薄薄的强润湿性材料Eco-flex。随后在其底部注射一定量的液态金属，并在平面上推动上述制得的滚轮状的3D打印基体层使其滚动，液态金属将沿3D打印基体层内表面的Eco-flex流动并在其上遗留一层氧化膜，充当液态金属的流通通道。液态金属同时用作TENG的正性摩擦材料与电极。之后将可插拔的3D打印基体支架均匀的插在上述3D打印基体层内表面，并在其底面依次粘贴铝箔和PTFE，分别用作TENG的电极和对应的负性摩擦材料。可以通过控制插入的可插拔3D打印基体支架个数以控制TENG的输出通道个数，即调整滚动角度传感器的分辨率。调整插入的可插拔的3D打印基体支架高度使PTFE能与镓基液态金属充分摩擦接触。
当制作成的滚轮结构的自驱动摩擦纳米发电机以不同速度滚动时，测试相邻输出通道输出信号的时间间隔以表征其滚动速度。当制作成的滚轮结构的自驱动摩擦纳米发电机滚动时，测试输出信号所对应的通道及输出信号的个数以表征当前滚动角度和滚动路程。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，该传感器包括：
基体层；
液体金属诱导层，位于所述基体层上，用于润湿液态金属，并使所述液态金属沿着所述液体金属诱导层流动；所述液体金属诱导层由与液态金属接触角范围为0度到90度的材料制成；
液态金属层，位于所述液体金属诱导层上方；
可插拔基体支架，布置在所述基体层上方，其底部插入所述基体层；
所述可插拔基体支架面向所述液态金属层的表面上设置导电金属层，所述导电金属层表面设置负性摩擦材料层；所述负性摩擦材料与所述液态金属的接触角为90到180度；
当所述传感器运动时，所述液态金属流经所述负性摩擦材料层所在位置时，与所述负性摩擦材料层接触，离开所述负性摩擦材料层所在位置时，与所述负性摩擦材料层分离，从而产生电信号；
基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器通过如下方法制备：
（1）在所述基体层上覆盖一层液体金属诱导层；
（2）在所述液体金属诱导层上注射一定量的液态金属，并使所述基体层倾斜，所述液态金属将在所述液体金属诱导层上流动并形成一层氧化膜，作为内部的流动的液态金属的预设流通通道；
（3）将所述基体层向相反方向倾斜，回到原始状态，将可插拔基体支架底部插入所述基体层，并在所述可插拔基体支架面向所述液态金属诱导层的表面上设置导电金属层，并在所述导电金属层上设置负性摩擦材料层，保证当所述传感器倾斜时，流动的液态金属流经所述负性摩擦材料层所在位置时，能够与所述负性摩擦材料层接触。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述基体层和可插拔基体支架由3D打印制成。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述液体金属诱导层由与液态金属接触角范围为0度到45度的材料制成。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述液态金属为镓基液态金属。
5.根据权利要求4所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述液态金属的质量为1.5到1.75g。
6.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述液体金属诱导层和所述液态金属层为圆形或圆环形，所述液体金属诱导层和所述液态金属层的形状相同。
7.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述液体金属诱导层由橡胶材料Eco-flex制成。
8.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述负性摩擦材料为PTFE。
9.根据权利要求1所述的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，其特征在于，所述可插拔基体支架为多个，间隔插入所述基体层，每个所述可插拔基体支架面向所述液态金属层的表面上设置导电金属层，所述导电金属层表面设置负性摩擦材料层。
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