CN114175490A

CN114175490A - 织物摩擦电纳米发电机

Info

Publication number: CN114175490A
Application number: CN202080053209.8A
Authority: CN
Inventors: 王昊; 李正国; 何田依依
Original assignee: National University of Singapore
Current assignee: National University of Singapore
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-03-11
Also published as: SG11202112789RA; US20220255465A1; WO2021021028A1

Abstract

本文公开了摩擦电纳米发电机(TENG)。这种TENG包括至少一个摩擦电(TE)层，以及电路，该摩擦电(TE)层包括两个表面，这两个表面之间的相对运动产生TE电荷。所述电路包括开关、传感器和负载。所述开关具有断开状况和闭合状况，在断开状况下，TE电荷累积(累积的TE电荷)，在闭合状况下，累积的TE电荷跨所述负载在所述两个表面之间放电，所述传感器确定所述累积的TE电荷跨所述负载放电的时间常数(τ)。

Description

织物摩擦电纳米发电机

技术领域

本公开涉及摩擦电纳米发电机(TENG)。具体地，本公开的实施例涉及用于无环境干扰的连续感测应用的织物TENG。

背景技术

TENG是一种发生接触起电的自供电设备。当设备的一个部分与和其接触的设备的另一部分分离时，设备中产生电荷。这样的收缩和分离可以重复执行以在设备中产生浮动电荷。

TENG的自供电性质和易于制造的特性使得能够设计用于所有类型的应用的各种自供电传感器。然而，这样的传感器的精度和稳定性可能会受到诸如运行速度、湿度、温度以及与周围环境静电耦合等干扰因素的影响。此类干扰因素可能阻止TENG传感器与传统的商业化传感器形成竞争。

因此，期望提供克服或改善至少一个上述问题的TENG设备或传感器，或者至少提供有用的替代方案。

发明内容

本文描述的是可开关的摩擦电纳米发电机(TENG)，并且在一些实施例中是可开关的织物摩擦电纳米发电机(SF-TENG)。根据本公开设计的TENG和SF-TENG可以通过测量时间常数而不是电压输出的振幅来消除干扰因素。

测得的时间常数是感测目标瞬时值的稳定和准确的指标。而且，时间常数不受诸如湿度、与环境静电耦合等其他干扰因素的影响。

如参考图4和图5所述，本感测方法的实施例可应用于力或弯矩的静态感测和动态感测二者。也很明显，这里教导的概念可以容易地扩展到其他感测场景。

文中公开了是一种摩擦电纳米发电机(TENG)，包括：

至少一个摩擦电(TE)层，该摩擦电(TE)层包括两个表面，该两个表面之间的相对运动产生TE电荷；和

电路，包括：

开关

传感器；和

负载，

其中，所述开关具有断开状况和闭合状况，在断开状况下，TE电荷累积(累积的TE电荷)，在闭合状况下，累积的TE电荷跨所述负载在所述两个表面之间放电，所述传感器确定所述累积的TE电荷跨所述负载放电的时间常数(τ)。TENG可以是织物TENG或SF-TENG。

TENG可以是接触-分离TENG，其释放高度基于释放时的能量密度和两个表面之间的间距被确定。

电路还可以包括二极管，用于在将两个表面按压在一起或释放两个表面以使两个表面分开中仅一者期间防止累积的TE电荷跨传感器放电。

传感器可以被配置为基于两个表面之间的放电方向来确定累积的TE电荷的极性。传感器可以被配置为基于跨传感器放电的累积的TE电荷的峰值电压来确定力关于时间的导数。

开关可以基于时钟信号周期地运行，每个周期包括将开关从断开状况切换到闭合状况并返回到断开状况。时钟信号可以使开关以至少20Hz的频率周期运行。时钟信号可以替代地使开关以至少40Hz的频率周期运行。时钟信号可以替代地使开关以至少80Hz的频率周期运行。

开关可以包括晶体管。晶体管可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

传感器可以包括负载。

TENG可包括多个所述TE层。

本公开还描述了一种包括如上所述的TENG的自供电体重秤，其中，二极管防止累积的TE电荷在释放期间跨传感器放电。

本公开还描述了一种包括如上所述的TENG的姿态传感器，其被定位成在姿态执行期间接收压缩力、拉伸力和剪切力中的至少一个。

本公开还描述了一种包括如上所述的TENG的倾斜角传感器，其被定位成在两个物体或部分之间的角度变化期间接收压缩力和拉伸力中的至少一个。

有利地，文中描述的TENG的实施例的织物性质可以在每个TE层的两个表面之间实现窄间隙。这有助于增加或最大化能量密度，从而增加或最大化TENG的输出。

有利地，如文中所述的可开关运行方法可用于感测应用。这有助于使感测输出稳定并消除环境干扰。

有利地，在一些实施例中，MOSFET用作高频感测应用的开关。这使得能够建立自动感测系统。在此类实施例中，MOSFET取代了旧设备中使用的机械开关，以能够实现更高频率的切换。结合MOSFET，文中描述了一种算法，该算法使用电压振幅来校正感测数据中的错误并确保感测精度。

这种新的感测方法可以去除环境中的干扰并生成感测参数的连续分布(profile)。

附图说明

现在将参考附图以非限制性示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图1说明了可开关TENG的工作原理和能量密度ρ的优化；

图2描绘了TENG和附近物体之间的寄生耦合，以及包括该寄生耦合的系统的等效电路；

图3示意性地展示了TENG的TE层表面之间的最大间隙高度的优化，以及可以形成TE层的材料的可能组合；

图4示意性地描绘了根据本公开的织物TENG；

图5示出了TE层中表面之间的最大间距(d_max)的测试和优化以及SF-TENG的表征；

图6展示了静态感测场景的输出；

图7展示了动态感测场景的输出；和

图8示意性地描绘了用于校正错误数据的算法以及校正前后数据的比较。

具体实施方式

下文所述的TENG能够校正常常限制相似的已知设备的运行和可行性的干扰因素。在一些实施例中，这一进步至少部分是通过开发一种算法以校正诸如与环境耦合等的错误来实现的。当在本文所述的TE设备中实现这种算法时，这种算法可以产生为错误被校正的传感器测量的形式的可测量的、因而是有形的输出–例如力或弯矩。虽然本文描述的实施例通常参考织物TENG，但应理解，TENG借助于彼此相对移动的两个表面之间的电荷产生/积累和释放而运行。该功能不依赖于这些表面所附材料的类型(前提是材料不会对电荷的积累和释放产生不利影响)，因此，相同的教导将被理解为扩展到非织物应用，诸如可用于例如某些类型的体重秤的那些应用。

首先了解TENG的工作原理，尤其是可开关TENG的工作原理是有用的。图1说明了工作原理和能量密度ρ的优化。

图1a示意性地说明了在可开关TENG 100中产生的电路连接、运行周期和工作机制。TENG 100的至少一个TE层102包括两个表面104和106，其间的相对运动产生摩擦电荷。TE层102在包括开关110和负载112的电路108中或形成电路108的一部分。在一些实施例中，传感器可以被认为包括负载，反之亦然。

在图1的步骤114中，表面104和106接触。当表面104和106完全被按压在一起时(即设备的间距(表面104和106之间的间距)d达到最小值d_min)，如步骤116所示，开关110闭合并且电子沿箭头118的方向在电路中迁移。在释放期间，其初始阶段是步骤120，开关110断开以防止放电，并且表面104和106分开以在它们之间产生间隙。一旦表面104和106之间的间隙达到最大值d_max，如步骤122所示，开关110再次闭合，如步骤124所示。表面104和106之间累积的电荷沿箭头126的方向在电路108中放电。鉴于图1a表示周期运行，在累积的能量耗尽后，表面104和106再次开始彼此接近，如步骤128所示。

在运行周期中，只有当表面104和106完全按压在一起时–当设备的间距d达到最小值d_min(步骤116)时–并且当这些表面104和106完全释放时–当d达到最大值d_max(步骤124)时，开关才闭合。开关的闭合在步骤116中积累能量，并在步骤124中耗尽TENGs设备中积累的能量以引起RC放电并产生指数电压波形。根据电流流动方向(箭头118和126)，指数电压的极性可以倒置，如图1d所示。

图1b示出了在步骤116的可开关TENG的等效电路，图1c示出了在步骤124的可开关TENG的等效电路。图1d示出了当开关分别在d_min和d_max处闭合时可开关TENG跨负载的输出特性，其中负载的内阻为10MΩ。

图2描绘了附近物体对可开关TENG的静电干扰。两个摩擦电层104和106的静电荷部分地与附近物体130耦合。图2a示出了该耦合并且图2b示出了摩擦电层104和106与附近物体130之间产生的寄生电容C_p，以及期望的摩擦电容C_TENG。图2c描绘了用于对C_p对TENG输出的影响进行建模的等效电路。

图3示出了能量密度ρ与释放时表面104和106之间的最大距离d_max之间的关系。图3a示出了等效电路，图3b示出了预期输出，并且图3c是具有优化d_max的基于柔软织物的TENG的结构的示意图。

进一步参考图2和图3，可以优化可开关TENG系统的能量密度。首先，对于能量输出的表达，考虑由静电耦合感应的寄生电容。由摩擦起电产生的静电电荷所感应的电场并不完全被约束于TENG设备内，而且还部分耦合到图2a所示的周围物体中。这种效应是寄生电容，其可以被建模为一些寄生电容器C_p，如图2b所示。这类似地被建模为与TENG设备的电容C_TENG并联连接的C_P(组合所有寄生电容)，如图2c所示。因此，系统中存储的能量可被表达为：

运行期间的能量输出E_output可以认为是系统的能量变化ΔE，表达为：

其中Q是被建模为电容器时设备上的电荷(即，接触表面104和106上的电荷量)。在这个表达式中，C_TENG可以表示为：

完全释放的设备的电容则为：

而被完全按压的设备的电容为：

在上述式子中，A和d分别表示TENG设备的面积和间距。因为d_min是一个非零常数，系统的能量密度ρ则可以表达为d_max的函数，如下所示：

然后考虑当d_max＝d_min和d_max→∞时的两个条件：

如图3b所绘制的，这两种极端条件下的能量密度为零。考虑到这些极值之间与零的偏差，应该有优化的最大间隙d_max以实现最大能量密度ρ_max。

图4示出了能量密度可以被优化的设备400。设备400是TENG，目前是可开关织物TENG(SF-TENG)，包括摩擦电(TE)层402和电路404。SF-TENG包括两个表面406、408，它们之间的相对运动产生TE电荷。电路404包括开关410、传感器412和负载414。传感器412目前被示为跨负载414。

开关410具有断开状况和闭合状况，在断开状况中，TE电荷累积(累积的TE电荷)，在闭合状况中，累积的TE电荷跨负载414在两个表面406、408之间放电。为了校正干扰因素，传感器412确定累积的TE电荷跨负载414放电的时间常数(τ)。

虽然图4所示的实施例仅包括单个TE层402，但其他实施例可以包括多个TE层。多个TE层可以彼此堆叠在一起，通常共面，或者可以间隔开。在包括多个TE层的实施例中，一个或多个TE层可以共享电路。替代地或附加地，TENG中可以有多个电路，每个电路包括或连接到TENG的TE层中的一个或多个。

SF-TENG 400通过TE层402的不同表面之间的接触和释放来产生电荷。某种程度上说，SF-TENG 400是接触-分离TENG，其释放高度d_max基于释放时的能量密度和两个表面之间的间距来确定。

在如图4所示的设备上进行测试，发现优化的d_max是相对较小的值–在图5中被详细表征。为了实现最大的能量密度，设计了一种具有窄间隙的基于柔软织物的TENG设备以适配优化的d_max，如图3c所示。TE层可以由各种材料制成。为了进行测试，由于丁腈橡胶和EcoFlex^TM 00-30的柔软性质和较大的电负性差异，它们分别用作正负摩擦材料(例如表面104和106)。

EcoFlex^TM 00-30如下地制备，首先通过以1:1的体积或重量比混合A部分和B部分(EcoFlex^TM 00-30)。将这些部分彻底分散约3分钟，然后将混合物均匀涂覆在镍电极上，并在70℃的烘箱中烘烤约30分钟。两个电极均使用单面导电镍织物胶带。丁腈橡胶上的褶皱产生的间隙距离通常适配该优化值，其在图5中测量为0.25mm。

图5示出了TE层中表面之间的最大间距(d_max)的测试和优化以及SF-TENG的表征。

为了探究优化间隔距离d_max，使用了包括5层之字形TENG 500的测试配置，如图5a所示。这种配置能够很好地控制间距。基本的之字形结构502由铝形成。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)层504用于将丁腈橡胶506和Eco-Flex 508层附接到铝结构。TE层的有效面积为6×6cm²，并且所有层并联连接。之字形结构500被包含在具有约束高度的约束结构510中，约束高度限制了层506、508的分离–即限定d_max。TENG的d_max等于设备被完全按压和释放时的高度差。通过控制释放高度来控制d_max–目前，控制是经由约束结构510(例如外壳或框架)来行使的。

为了更好地研究释放输出，添加二极管512以去除按压期间的电压输出–换句话说，输出仅限于由释放产生的输出。同样，在研究电压累积时，可以添加二极管来消除释放期间的电压输出。在各情况下，在将TE层的两个表面按压在一起或释放这两个表面以使它们分开中的仅一者期间，二极管防止累积的TE电荷跨传感器放电。

为了比较带开关的TENG(TENG-WS)和不带开关TENG(TENG-WOS)的输出特性，测量了具有不同d_max和负载电阻的电压输出。图5b示出了TENG-WS和TENG-WOS在0.3mm至2mm的不同d_max下的输出电压曲线。数据样本被收集至10MΩ的负载电阻。可以看出，TENG-WS的电压514总是指数波形，而TENG-WOS的电压516是宽峰。可以根据图5b所示的精确波形进一步计算输出能量–图5b示出了变化的d_max和负载电阻对TENG-WS和TENG-WOS输出能量的影响，如图5c所示。由于负载电阻是电路中唯一的能量消耗者，输出能量不应随负载电阻而变化，这一点由TENG-WS曲线证实。然后，图5d示出了d_max变化对能量密度的影响。可以看出，它通常遵循与图3b中所示曲线相同的曲线，并且5层设备的d_max优化值为1.2mm。假设结构500是5层之字形结构，1.2mm适用于结构中所有层的组合高度，那么单层的d_max约为0.24mm或0.25mm。现在可以基于优化的d_max制备SF-TENG。

由于织物材料的柔软性，SF-TENG可以在例如敲击、折叠和包裹的几种不同的模式下运行，如图5e所示。SF-TENG的优点之一是电压振幅不受运行速度的影响。对于传统的TENG，其这里是TENG-WOS，电压振幅将随着接触-分离速度(例如敲击速度)而增加。然而，织物设备总是遵循逐渐接触-分离的模式，其引入缓慢的接触-分离速度。因此，基于织物的TENG通常无法实现高电压输出。然而，对于包含开关的实施例TENG-WS，可以在释放之前累积能量。因此，敲击速度不会影响输出，如图5f和5g所示，其示出了低速敲击和高速敲击。图5h总结了TENG-WS和TENG-WOS在图5e反映的三种运行模式下不同运行速度下的电压振幅，其中负载电阻为8.3MΩ。显然，对于所有这三种运行模式，动作(敲击、折叠和缠绕)的执行速度并未对输出电压产生显著影响。

如上所示，时间常数τ＝RC是指设备如何被力(即通过TE层的平面法向作用的力)挤压或弯曲挤压的。因此，可以通过τ的测量来消除不影响设备电容的干扰因素。因此，可以基本上(即实质上)消除湿度的影响。电容被计算为C≈εA/d，其中湿度对面积A或间距d都没有影响，而对介电常数ε仅有轻微影响。因此，对于稳定可靠的TENG传感器，本文描述了一种新的感测机制，涉及测量时间常数τ。

为了进一步研究SF-TENG的当前应用，展示了两种通用和基本的感测场景–静态感测和动态感测。未来，可以基于这两种场景开发各种感测应用。

静态感测

图6展示了静态感测场景的输出–SF-TENG的直接应用之一是自供电体重秤，其测试配置600在图6a中示出。托盘602放置在设备604上以均匀分布物体或负载606的重量。电压波形是针对8.3MΩ的固定电阻被测量的。

对于重量测量，仅需要按压波形即可。因此，二极管608被结合到电路610中以去除释放信号的干扰。将物体606放在托盘602上，然后按下开关612以生成指数电压波形–参见图6b，其示出了使用不同时间间隔的电阻电容(RC)放电电压波形，在这些时间间隔之间将物体606放置在托盘602上并且开关612闭合。然后测量时间常数τ以校准或确定准确的重量。

由于这是手动操作–即手动操作开关612–将物体606放置在托盘602上和激活断开612开关之间的时间间隔将由于随着时间推移的能量耗散而影响输出电压的振幅。图6b和6c示出了该时间间隔对电压振幅和时间常数的影响–图6c示出了图6b中波形的振幅和τ。计算τ的时间点(在该处，振幅下降到相关峰值的1/e)在图6b中标记为点。进一步参考图6b，尽管振幅在此时间间隔上下降，但τ几乎保持不变。图6c总结了从图6b衍生出的内容。图6d至6f示出了重量和湿度对电压振幅和时间常数的影响。τ随重量而增加(图6d–基于托盘602的不同重量的归一化电压波形)，但不受湿度影响(图6e–不同相对湿度水平下相同重量下的电压波形)。同时，湿度对振幅有显著影响。

图6f示出了在湿度和重量变化下校准设备600的结果，其提供了对于不同相对湿度水平的重量-τ曲线(上图)和重量-电压峰值曲线(下图)。在上图中，示出了测量的τ的两条曲线。每条曲线是不同负载606下对τ的测量。其中一条曲线是在53.5％的相对湿度下测量的，而另一条曲线是在64.7％的相对湿度下测量的。不同的湿度水平对时间常数几乎没有影响。相反，对于测量电压的曲线，相对湿度增加约10％会导致电压下降约80％。该测试清楚地表明，τ的测量可以有效地消除感测应用中湿度的干扰。

值得注意的是，整个τ曲线不是线性的。其在小的力范围内会更加线性和灵敏。因此，图6g示出了从0-2N的非常详细的校准。在这个小的力范围内，曲线看起来大体是线性的。考虑到柔软的设备也可以折叠而不是按压，因此它也可以用于测量用手折叠设备时的握力，如图5e所示。

这种场景的自然延伸是其中所施加的力不是静态的而是动态变化的场景。在这种场景下确定SF-TENG是否可以感测力分布将是有用的，因为许多实际的称重应用至少涉及一些动态负载。在SF-TENG运行期间，闭合开关时电压产生的标准是存在或已经存在力变化。如果在力变化时开关闭合，则可以感测到力的变化分布。

图6h示出了一个简单的演示，其演示了连续的重量感测。五个45克的重物一个一个地放在托盘上，然后一个一个地移除。对于重物数量的每一次变化将开关闭合，以生成一系列电压峰值，如图6h所示。在这些情况下，图6a中的二极管被移除，因为现在需要从按压和释放这两个过程中检测输出电压。可以看出，峰值对于重量增加是正值，而对于重量减少是负值。这意味着极性可以示出力的变化趋势。因此，该实施例中的传感器被配置为基于一个或多个TE层的两个表面之间的放电方向来确定累积的TE电荷的极性。

每个信号的所测量的τ通常示出力分布。值得注意的是，最大τ不会出现在最大重量处，而是有一个信号延迟，即最大重量之后的信号。同时，曲线的末端不会恢复到其初始值。这是因为织物材料的响应时间。当施加外力时，织物需要一段时间才能达到平衡变形，这可视为响应延迟。可以对该设备进行进一步优化以克服这个问题，例如通过使用具有更高弹簧常数的织物(或非织物材料，视情况而定)，从而在释放外力后可以更快地机械恢复到其原始构造。

动态感测

图7展示了动态感测场景的输出。在涉及感测动态变化的力的应用中，可以增加开关的敲击频率(开关频率f_S)以获取更平滑的力分布。图7a示出了对数据分析的全面解释。如图所示，极性代表设备的工作状况–正峰值是指如角度传感器测量的伸展和如力传感器测量的释放，负峰值是指如角度传感器测量的弯曲和如压力传感器测量的按压。这些传感器被结合到图7b所示的电路中。τ表示感测输出并且是所施加力的函数，如图7c中对于弯曲角度所示。电压振幅代表感测输出的导数，其在力传感器中为dF/dt，在角度传感器中为dθ/dt。因此，存在三个数据维度，可从这三个数据维度来解码力。第一维度来自输出的极性，其由TE层的表面执行的操作(例如按压/释放，弯曲/伸展)确定。根据具体应用，定义了按压或弯曲设备产生正峰值，而释放或伸展设备产生负峰值。其次，峰值的准确振幅与力相对于时间的导数dF/dt相关。由于电压振幅是指在两次开关操作之间的时间间隔(Δt≠1/f_S)内产生的能量，因此电压峰值Vp可以被视为所产生的能量E的函数。此外，所产生的能量与Δt上的力变化成正比，则在f_S是常数的情况下，Vp是dF/dt的函数，计算公式如下：

因此，可以根据获取的数据绘制出dF/dt曲线。第三，对于每个峰值，τ是开关闭合时间点的精确力的结果。因此，可以绘制力相对于时间的曲线。此外，由于τ与F成正比，因此dτ/dt也指dF/dt。理论上，dτ/dt和dF/dt的两条曲线会相互匹配。

在这里，研究了两种动态感测场景。一种场景涉及通过将设备附接到绕过肘部外侧的布料的内侧来感测肘部的弯曲角度，如图7d所示。另一种场景是通过在鞋跟位置将设备连接到鞋内来感测脚的踩踏力，如图7h所示。图7b中示出的动态感测中使用的电路与静态感测中使用的电路略有不同：二极管被移除。

图7c至7g示出了放置在肘部的设备的角度感测。图7c提供了详细的τ-θ曲线，其示出了肘部的弯曲角度θ与所测量的τ之间的关系。然后通过在不同的采样频率f_S下(范围分别为2Hz、3Hz和4Hz)在

和90°之间连续弯曲和伸展手臂执行动态感测程序，如图7e至7g所示。采样是手掌敲击实现的。在图7e至7g中的每一个图中(同样适用于图7i至7k和7m至7o)，上图(i)示出了来自记录的原始数据，是输出电压随时间的测量值，中间图(ii)是每个峰值的准确解码的τ值，下图(iii)是dτ/dt校准曲线，以及电压峰值Vp曲线，由其可以进一步解码θ曲线。

基于τ曲线(图表(ii))，绘制了dτ/dt(图表(iii))的导数曲线。作为对照，还绘制了电压峰值Vp(图表(i))的曲线。该Vp曲线表示弯曲角度的导数dθ/dt。可以看出，dτ/dt和Vp的曲线形式匹配，从而验证了理论。此外，更高的f_S可以实现更高的感测分辨率。

图7h至7k示出了在踏脚过程中感测到的力。以同样的方式记录和分析数据。由于详细的τ-F曲线已在图6f至6g中被校准，此处不再重复校准。用相同的采样频率f_S分别从2Hz(图7i)、3Hz(图7j)和4Hz(图7k)重复在设备上踏脚。与肘部感测应用类似，更高的f_S可以实现更高的感测分辨率。在踏脚应用的测试过程中，踩踏力保持一段时间。当f_S为4Hz时，可在感测结果中再现或识别力的保持。同样如其(iii)图中所证实的那样，在力保持期间内，导数的值为零–见图7k，图表(ii)。

为了实现更好的感测分辨率，更高的f_S是优选的。然而，要达到更高的、一致的、采样频率(即，开关频率)，这超出了手掌敲击的能力。一种简单的替代方法是用电子或时钟信号循环开关(例如晶体管)代替机械开关。一个例子是金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。每个周期可以包括将开关从断开状况(电荷积累)切换到闭合状况(放电)并返回到断开状况，或者反之亦然。MOSFET的开/关可由时钟信号控制。图7l示出了详细的电路和测试配置700。图7m至7o示出了感测敲击力的演示，f_S分别为20Hz、40Hz和80Hz。每个周期的时钟信号的持续时间始终为5ms。可以看出，对于20Hz的f_S，力感测曲线十分平滑。传统的TENGs传感器无法实现这种连续平滑的力感测曲线，但现在可以通过具有高f_S记录系统的SF-TENGs轻松实现。

然而，对于更高的f_S，诸如40Hz和80Hz的开关频率，感测曲线的分辨率下降。这是高f_S记录的明显问题。从图7m至7o可以看出，高f_S提供了更高的分辨率，但也降低了每个峰值的振幅–对于20Hz f_S的峰值为20V，以及对于80Hz f_S的峰值为5V。由于在一个运行周期(即按压和释放周期或弯曲和伸展周期)中的总能量被所有峰值保存和消耗，因此较高的f_S会降低每个采样峰值的能量。因此，振幅减小。由于τ是从每个峰值的精确波形中解码出来的，噪声会使波形衰减并进一步降低τ的精度。较低的电压振幅使解码的τ的精度更容易因噪声而衰减或失真。因此，在分辨率(采样频率)和精度之间存在折中。具有更高能量、导致每个峰值的振幅更高的系统可以维持高f_S，而不会受到噪声的显著干扰，因此可以提高解码的τ的精度。

图8示意性地描绘了用于校正错误数据的算法以及校正前后数据的比较。总是有这样一些数据点，其振幅非常低，即使f_S很低，也会产生不可靠的τ。因此，开发了一种算法，利用dτ/dt和Vp的信息来查找和校正这些错误数据点。该流程图在图8a中示出并且包括进程开始802，进程800在此发起。在804输入每个时间段i＝1,…,N的Vp、时间t和时间常数。计算每个时间段的Vp的极性(806)以及时间常数随时间的变化率dτ/dt(808)。该算法通过参考先前的时间常数(目前是紧接在前的时间常数)来执行错误校正。因此，i＝1的时间常数没有先验参考。因而，步骤810取i＝2的时间常数。在812，进程800检查时间常数是否在预期范围之外–这里，该范围是0ms至8ms。如果i的时间常数在预期范围之外，则将i的时间常数设置为与紧接在前的时间常数(814)相同。然后重新计算dτ/dt(816)。如果在812确定时间常数在预期范围内，则进程或算法800确定在808计算的导数是否具有与V_p的极性相同的极性(818)。如果不是，则执行步骤814和816。然后进程800增加时间段i(820)，并检查是否所有相关时间段都已被处理(822)。如果一些时间段还有待处理，则从步骤812继续进程800。如果已经处理了所有时间段，则结束进程800(824)。因此，当识别出错误数据时，算法800将当前时间常数设置为与先前时间常数相同，并重新计算时间常数随时间的变化率。下面对图8a中流程图的原理进行进一步说明。

如图7g(iii)、7k(iii)和7o(iii)所示，dτ/dt和Vp的曲线形式或变化趋势应该匹配。这里从τ曲线计算的dτ/dt也容易受到噪声的影响。然而，Vp曲线的极性受噪声影响较小。因此，该算法可以利用dτ/dt和Vp之间的极性不匹配来诊断错误。由于这些错误数据发生在力趋于稳定时，因此应用了一个近似，即错误数据的力变化可以忽略不计。结果，错误数据接收到与其之前的数据点相同的τ。此校正导致图7m至7o中示出的平坦曲线。可以看出，当力达到最大值或最小值时，趋于出现这些平坦曲线。图8b至8d示出了分别在20Hz、40Hz和80Hz下的校正前后解码的τ曲线的比较，其中测量的电压曲线为图8b至8d中每一个的曲线(i)，曲线(ii)为在各采样频率下校正前后的τ曲线。对于较低的采样频率，例如20Hz，与更高的采样频率(例如80Hz)相比，需要校正的点更少，这是因为电压振幅随着采样频率的增加而降低。

如本文所述，提出了可开关织物摩擦纳米发电机(SF-TENG)以用于通过测量τ而不是电压输出的振幅来消除干扰因素。所测得的τ(指的是设备电容的瞬时值或与设备电容的瞬时值有关)是感测目标(如力或弯曲)瞬时值的稳定和准确指标，不受诸如湿度和与环境的静电耦合的其他干扰因素影响。这种感测方法可适用于力或弯曲的静态感测和动态感测两者。在静态感测中，可以感测到设备的当前状态。在动态感测中，可以生成诸如力和弯曲角度等感测参数的连续分布。为了使感测目标的分布更平滑，使用MOSFET来代替机械开关以获得更高的开关频率。为了提高感测精度，开发了一种通过使用电压振幅来校正错误感测数据的算法。相同的感测方法可以很容易地扩展到其他应用场景，例如姿态感测和倾斜角度感测。例如，可以提供姿态传感器，其包括设置在手套或其他织物中的指关节处的一个或多个TE层，以在执行姿态时接收压缩力、拉伸力和剪切力中的一个或多个，其中特定的力，它们的组合和峰值振幅对于特定的手部运动可能是独一无二的，因此对于姿态来说可能是独一无二的。同样，倾斜角传感器可以通过定位如本文所述的TENG以在两个物体或部件(例如铰接式机械臂的两个连接组件)之间的角度变化期间接收压缩力和拉伸力中的至少一个而被提供。

将理解，所描述的实施例的各个方面的许多进一步修改和排列是可能的。因此，所描述的方面旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有此类改变、修改和变化。

在本说明书和随后的权利要求中，除非上下文另有要求，否则“包括”一词以及其变体将被理解为包含已说明的整体或步骤或整体或步骤的组，但不排除任何其他整体或步骤或整体或步骤的组。

本说明书中对任何先前出版物(或从中获得的信息)或任何已知事项的引用不是，也不应被视为承认或许可或任何形式的建议该先前出版物(或从中获得的信息)或已知事项构成本说明书所涉及领域中的公知常识的一部分。

Claims

1.一种摩擦电纳米发电机(TENG)，包括：

至少一个摩擦电(TE)层，该层包括两个表面，该两个表面之间的相对运动产生TE电荷；和

电路，包括：

开关；

传感器；和

负载，

其中，所述开关具有断开状况和闭合状况，在断开状况下，TE电荷累积(累积的TE电荷)，在闭合状况下，累积的TE电荷跨所述负载在所述两个表面之间放电，所述传感器确定所述累积的TE电荷跨所述负载放电的时间常数(τ)。

2.根据权利要求1所述的TENG，是接触-分离TENG，所述接触-分离TENG的释放高度基于所述两个表面之间的间距和释放时的能量密度来确定。

3.根据权利要求1或2所述的TENG，其中，所述电路还包括二极管，用于在将所述两个表面按压在一起或释放所述两个表面以使所述两个表面分开中的仅一者期间防止累积的TE电荷跨传感器放电。

4.根据权利要求1或2所述的TENG，其中，所述传感器被配置为基于所述两个表面之间的放电方向来确定累积的TE电荷的极性。

5.根据权利要求4所述的TENG，其中，所述传感器被配置为基于跨所述传感器放电的所述累积的TE电荷的峰值电压来确定力关于时间的导数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的TENG，其中，所述开关基于时钟信号周期地运行，每个周期包括将所述开关从所述断开状况切换到所述闭合状况并返回到所述断开状况。

7.根据权利要求6所述的TENG，其中，所述时钟信号使所述开关以至少20Hz的频率周期运行。

8.根据权利要求6所述的TENG，其中，所述时钟信号使所述开关以至少40Hz的频率周期运行。

9.根据权利要求6所述的TENG，其中，所述时钟信号使所述开关以至少80Hz的频率周期运行。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的TENG，其中，所述开关包括晶体管。

11.根据权利要求10所述的TENG，其中，所述晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的TENG，其中，所述传感器包括所述负载。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的TENG，包括多个所述TE层。

14.一种自供电体重秤，包括根据权利要求3所述的TENG，其中，所述二极管防止所述累积的TE电荷在释放期间跨所述传感器放电。

15.一种姿态传感器，包括根据权利要求1至13中任一项所述的TENG，所述TENG被定位成在姿态执行期间接收压缩力、拉伸力和剪切力中的至少一个。

16.一种倾斜角传感器，包括根据权利要求1至13中任一项所述的TENG，所述TENG被定位成在两个物体或部件之间的角度变化期间接收压缩力和拉伸力中的至少一个。