CN114705327A - 一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，涉及压力传感器技术领域，是为了解决目前大多数都是使用机械直线电机、振动器或振动平台进行测试的的问题，本发明使用相对分子质量为275,000g mol‑1的聚偏氟乙烯颗粒，N，N‑二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮溶剂，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，得到PVDF亚微米纤维膜；以PVP粉末为聚合物，乙醇为溶剂，将化学溶液转移到5ml塑料注射器中进行纺丝，得到PVP亚微米纤维膜；将聚氟乙烯和聚乙烯吡咯烷酮薄膜电纺在铜膜上，将PVDF和PVP纤维相互连接的薄膜面对面组装成摩擦电纳米发电机；纳米发电机用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜密封。

Description

一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，具体涉及一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法。
背景技术
在触摸屏、触摸板、麦克风和医疗设备等数千种日常应用中都需要引入压力传感器。根据其将机械能转化为电能的机理，一般可分为以下几类：压电式、电容式、光学和阻性传感器。在这些方法中，基于压电效应的传感器最受关注，因为它们是自我供电的，不需要电池或外部电源来为传感器供电。因此，它们可以用作可持续的传感器，能够在没有任何外部电源的情况下独立工作，从而节省了大量成本。然而，压电传感器的制造相当复杂，需要耗时且成本高昂的处理步骤，如热处理(一种提高传感材料结晶度的热处理)和电极化(在高温下应用高静电场来对准偶极)。因此，人们迫切希望找到替代方法来利用低成本技术来制造自供电压力传感器。在过去的几年里，摩擦电纳米发电机(TENG)因其在能量采集领域的潜在应用以及用于触摸、振动、加速度、速度、风速和环境变化的自供电有源传感器而被广泛报道。更重要的是，TIGS还可以作为自供电压力传感器，具有制造容易和加工技术低的优点。例如，来自的作者报告了一种Teng，它可以检测0到10Kpa范围内的压力，并具有特殊的压力灵敏度。其他工作如所报道的TENGs，它可以在高压区域 (>10千帕)下检测压力。目前，大多数报道的TENG都是使用机械直线电机、振动器或振动平台进行测试的，这些平台提供的有关机械刺激特性的信息有限。在这方面，我们认为有必要研究其他技术来分析机械刺激的特征，以更好地了解电响应的性质及其与机械输入的关系。
发明内容
本发明是为了解决上述存在的问题，从而提供一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法。
上述目的通过以下方案实现：
一种基于摩擦电效应的压力传感器，该压力传感器通过以下方法制备：
步骤一：使用相对分子质量为275,000g mol-1的聚偏氟乙烯颗粒， N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮溶剂，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，得到PVDF亚微米纤维膜；
步骤二：以PVP粉末为聚合物，乙醇为溶剂，将化学溶液转移到 5ml塑料注射器中进行纺丝，得到PVP亚微米纤维膜；
步骤三：将聚氟乙烯和聚乙烯吡咯烷酮薄膜电纺在铜膜上，将PVDF 和PVP纤维相互连接的薄膜面对面组装成摩擦电纳米发电机；
步骤四：纳米发电机用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜密封。
所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器，所述的步骤一的具体过程为：将 2g聚偏氟乙烯微丸溶解在10毫升N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中，制备成化学溶液；
将化学溶液放在热板上加热，同时积极搅拌以加快溶解过程，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，操作条件为：高压15kV，纺丝距离15cm，进料速度1ml/h，在电纺过程中，所使用的设备配备了21G钢针和静电收集器，得到厚度为2mm的PVDF亚微米纤维膜。
所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器，所述的步骤二的具体过程为：首先用乙醇溶液溶解PVP粉末制成化学溶液，然后将化学溶液转移到5ml 塑料注射器中，在施加电压18kV，进料速度0.5ml/h，纺丝距离12cm，针径21mm，静电收集器的条件下纺丝，最后，制备了厚度为1mm的 PVP亚微米纤维膜。
所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，所述的步骤一中使用的21G钢针的内径为0.8mm。
所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，所述的步骤一的化学溶液放在热板上加热的温度为70℃。
所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，所述的步骤二的乙醇溶液浓度为10％w/v。
一种基于摩擦电效应的压力传感器的动态力学分析方法，该方法包括如下步骤：使用动态机械分析仪(DMA；Q800；TA仪器)向纳米发电机提供周期性施加的压力，使用Tektronix 2012B商用示波器和Agilent 34410A数字万用表获得电压和电流输出信号；
压力由垂直于安装在DMA设备中的纳米发电机的恒定力产生，施加在Teng的顶部，并施加在50.24平方厘米的圆形区域上；
在测试过程中，施加压力，每一次压力施加重复五次，以评估重复施加相同压力时电响应的重复性。
所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的动态力学分析方法，所述的在测试过程中，施加的压力在200-2000帕的范围内变化，增量为200帕。
本发明取得的有益效果：
1.本发明使用动态力学分析仪来研究外加机械刺激与摩擦电纳米发电机的电响应之间的关系。最后分析了纳米发电机对不同压力的敏感性。在施加的压力与合成的电压和电流幅度之间存在正比关系。所研制的纳米发电机可对压力做出实时反应，作为传感器，它具有很高的灵敏度，重复测量的实验误差很小。
2.本发明的自供电压力传感器在低压区(<800pA)具有很高的灵敏度，为8.8mV/pA，而在较高压力下，灵敏度下降到3.9mV/pA，纳米发电机在相同压力下的电输出的重复性，所制得的Teng的输出非常稳定，重复施加相同压力时，TENG的电响应几乎没有变化。
附图说明：
图1为滕氏所用纤维的形态分析图；
图2为晶相的分析结果图；
图3为摩擦电纳米发电机的制造过程示意图；
图4为通过动态机械分析仪(DMA)测量纳米发电机在施加压力时的电输出的实验装置示意图；
图5为摩擦电纳米发电机的发电过程图；
图6a为施加在纳米发电机上的压力在200帕到2000帕的范围内的时间历程图；
图6b为以电流为单位测量的相应的Teng的电响应图；
图6c为以电压为单位测量的Teng的电响应图；
图6d为作为压力函数的电流输出的最大值图。
图6e为作为压力函数的电压输出的最大值图。
具体实施方式
具体实施方式一、一种基于摩擦电效应的压力传感器，该压力传感器通过以下方法制备：
步骤一：使用相对分子质量为275,000g mol-1的聚偏氟乙烯颗粒， N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮溶剂，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，得到PVDF亚微米纤维膜；
步骤二：以PVP粉末为聚合物，乙醇为溶剂，将化学溶液转移到 5ml塑料注射器中进行纺丝，得到PVP亚微米纤维膜；
步骤三：将聚氟乙烯和聚乙烯吡咯烷酮薄膜电纺在铜膜上，将PVDF 和PVP纤维相互连接的薄膜面对面组装成摩擦电纳米发电机；
步骤四：纳米发电机用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜密封。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，所述的步骤一的具体过程为：将2g聚偏氟乙烯微丸溶解在10毫升N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中，制备成化学溶液；
将化学溶液放在热板上加热，同时积极搅拌以加快溶解过程，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，操作条件为：高压15kV，纺丝距离15cm，进料速度1ml/h，在电纺过程中，所使用的设备配备了21G钢针和静电收集器，得到厚度为2mm的PVDF亚微米纤维膜。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，所述的步骤二的具体过程为：首先用乙醇溶液溶解PVP粉末制成化学溶液，然后将化学溶液转移到5ml塑料注射器中，在施加电压18kV，进料速度0.5ml/h，纺丝距离12cm，针径21mm，静电收集器的条件下纺丝，最后，制备了厚度为1mm的PVP亚微米纤维膜。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，所述的步骤一中使用的21G钢针的内径为 0.8mm。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，所述的步骤一的化学溶液放在热板上加热的温度为70℃。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，所述的步骤二的乙醇溶液浓度为10％w/v。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，该方法包括如下步骤：使用动态机械分析仪 (DMA；Q800；TA仪器)向纳米发电机提供周期性施加的压力，使用 Tektronix 2012B商用示波器和Agilent34410A数字万用表获得电压和电流输出信号；
压力由垂直于安装在DMA设备中的纳米发电机的恒定力产生，施加在Teng的顶部，并施加在50.24平方厘米的圆形区域上；
在测试过程中，施加压力，每一次压力施加重复五次，以评估重复施加相同压力时电响应的重复性。
具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的进一步说明，所述的在测试过程中，施加的压力在200- 2000帕的范围内变化，增量为200帕。
聚偏氟乙烯和聚偏氟乙烯纤维的表征本节的目的是分析用于摩擦电纳米发电机的纤维的形态。如上所述，TENG的性能受摩擦材料之间的接触面积的影响。此外，摩擦电层的内部空间(例如孔隙率)也会对 TENG的输出性能产生积极影响。因此，人们一直致力于制备具有较大活性表面积和孔隙率的摩擦电垫。制备高活性比表面积和孔隙率的板坯的方法之一是使用超细纤维。用扫描电子显微镜(SEM)对纤维的形态进行了表征。根据扫描电子显微镜图像，用5软件J1.45s测量100根纤维的直径。然后，通过计算在所选范围内具有直径的纤维的数量来计算纤维直径分布。滕氏所用纤维的形态分析如图1所示；图1：摩擦电纳米发电机所用纤维的形态分析：(A)电纺PVDF纤维的扫描电子显微镜图像，(B)PVDF纤维的纤维直径分布，(C)电纺PVP纤维的扫描电子显微镜图像和(D)PVP纤维的纤维直径分布。扫描电子显微镜采用EVO MA15 扫描电子显微镜，加速电压为5kV，探头强度为291pA。
PVDF亚微米纤维的扫描电子显微镜图像如图1a所示，纤维直径分布如图1b所示。扫描电子显微镜显示，膜中均匀分布着大小不一的优质亚微米纤维。亚微米纤维彼此分离，表面光滑，有少量的珠状缺陷。纤维直径直方图呈向右倾斜的正态分布，表明纺丝纤维直径不均匀。直方图显示纤维直径在800到1000nm之间，概率约为28％。PVDF纳米纤维的平均直径为1100nm，标准偏差为370nm。PVP纤维的扫描电子显微镜图像如图1c所示，纤维直径分布的直方图如图1d所示。扫描电子显微镜显示，纤维呈随机方向分布，没有珠子和其他缺陷。直方图呈正态分布，纤维直径在200～2200nm之间。纤维直径分布向左倾斜，表明纤维直径在1400-1600nm之间，概率约为17％。纤维平均直径为 1400±470nm，表明PVP纤维比PVDF纤维厚。电纺过程中形成的泰勒锥解释了纺丝纤维在两种膜中直径分布较宽(200～2200nm)的原因。如图所示。S2时，聚合物射流只在针尖附近稳定，之后在周期性方向变化时变得不稳定。
对聚偏氟乙烯中的晶相进行了分析，认为存在晶相且β相铁电畴排列良好时，存在压电效应。然而，PVDF也被归因于其强大的电子吸引能力而产生的摩擦电子效应。这种现象归因于PVDF中高比例的氟，在所有元素中具有最高的电负性，这导致了当与几乎任何其他材料接触时获得负电荷的强烈倾向，以及纤维的大活性表面积。在这一部分中，我们研究从PVDF纳米纤维检测到的电信号的性质是由于压电效应、摩擦电效应还是两者的组合。众所周知，PVDF的压电性与晶相有关。由于偶极子的反平行堆积，α晶相是非极性的，并且在该相中没有表现出压电性能。然而，β晶相是极性的，在该相中，当β相的铁电区排列良好时(例如，通过在高温下施加高电场)，PVDF可以表现出很强的压电行为。为了确定PVDF纳米纤维的电学响应是否是由压电效应引起的，用 X射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热法(DSC)对PVDF纳米纤维的晶相进行了鉴定。晶相的分析结果如图2所示。
图2a显示了PVDF纤维的X射线衍射谱。2θ＝18.5 3°和2 0.0 8°处的强峰对应于α晶相的(0 2 0)和(0 1 0)面。此外，光谱还显示在27°和 36°附近的另外两个小峰与α相的(0 2 1)和(2 0 0)面相对应。如文献所述，在X射线衍射谱中，α和γ相的衍射峰几乎重合，因此，两种晶相之间存在一些混淆。为此，差示扫描量热法被用作补充技术，以确保α是PVDF纳米纤维的晶相。这项技术可以清楚地区分α相(聚合物在 167℃至172℃范围内熔化)和γ相(熔点约为179℃至180℃)。PVDF 纳米纤维的DSC结果如图2b所示。差示扫描量热仪在167.1℃出现吸热峰，表明聚偏氟乙烯的晶相为非压电性的α相。X射线衍射仪和差示扫描量热仪测试结果表明，PVDF的结晶相为非压电α相。因此，压电性对PVDF光纤的电输出的影响可以忽略不计，从PVDF光纤检测到的电信号仅是由于摩擦电效应。
图2：聚偏氟乙烯纤维中晶相的鉴定：(A)X射线衍射仪上获得的X 射线衍射图，铜辐射为1.54A°，反射模式，使用在5°到40°的2θ范围内扫描的样品，步长为0.05°。(B)使用Q200差示扫描量热计从TA仪器获得的DSC曲线，使用的样品加热温度范围为30℃至200℃，升温速度为10℃/分钟。
使用电纺技术制造摩擦电纳米发电机的过程，该方法简单易行、通用性强、成本低。此外，通过静电纺丝产生的纤维表面更粗糙，增加了有效接触面积，改善了摩擦电纳米发电机的输出性能。摩擦电纳米发电机的组装过程如图3所示。首先，将聚氟乙烯和聚乙烯吡咯烷酮薄膜电纺在铜膜上，如图3a所示。铜膜的作用是在静电纺丝过程中收集亚微米纤维，并作为摩擦电纳米发电机的电极。PVDF和PVP纤维由于具有很强的电子得失倾向，被用作传感器摩擦垫。其次，将PVDF和PVP纤维相互连接的薄膜面对面组装成摩擦电纳米发电机(图2、3b)。最后，纳米发电机用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜密封，该薄膜作为纳米纤维的保护层，避免了因湿度变化而导致的电响应变化。这对于防止PVP纳米纤维的潮解也很重要。图3c显示了小尺寸为40x40x3.5 mm、重量为4.93g 的纳米发电机的数字照片。图3b说明了(A)(B)6080100120140160180 0.2、 0.4、0.6、0.8、1.0、1.2热流(W/g)温度(℃)8摩擦电纳米发电机的结构设计。该纳米发电机由两部分组成：(I)沉积在铜电极上的PVDF电纺纤维形成上部分；(Ii)附着在铜电极上的PVP亚微米纤维形成底部部分。可以理解，聚偏氟乙烯纤维位于纳米发电机的顶侧，而PVP纤维位于底侧。选择这些材料是因为它们分别具有获得摩擦电荷和失去摩擦电荷的高倾向，如图3所示。
图3：摩擦电纳米发电机的制造过程示意图：(A)通过静电纺丝制备 PVDF和PVP纤维。(B)完全组装的摩擦电动纳米发电机的结构(C)成品的数码照片。
Teng作为自给式压力传感器的应用本节的目的是研究新型Teng作为自给式压力传感器的潜力，并评估它们对不同压力水平的灵敏度。实验的目的是验证纳米发电机的电响应依赖于所施加的压力。如上所述，建议使用动态机械分析仪(DMA；Q800；TA仪器)向纳米发电机提供周期性施加的压力。使用该仪器的主要好处是可以实时监测和记录施加在纳米发电机上的机械刺激。此外，虽然本研究没有使用这一特性，但该技术还可以评估Tengs在不同环境条件下的性能，这是传统技术无法实现的。这可能会被用来更深入地了解滕氏电反应的性质。为了测量Teng 在通过DMA施加的机械刺激下的电响应，使用Tektronix 2012B商用示波器和Agilent 34410A数字万用表获得电压和电流输出信号。
图4：通过动态机械分析仪(DMA)测量纳米发电机在施加压力时的电输出的实验装置示意图。
实验装置的示意图如图4所示。压力施加在Teng的顶部，方向垂直于装置，如图所示。压力是由垂直于安装在DMA设备中的纳米发电机的恒定力产生的，并施加在50.24平方厘米的圆形区域上。在测试过程中，施加的压力在200-2000帕的范围内变化，增量为200帕。每一次压力施加重复五次，以评估重复施加相同压力时电响应的重复性。结果部分显示了电输出，其中分析了施加压力对纳米发电机电响应的影响。通过该试验，研究了不同压力下产生的电压和电流。7.结果和讨论本节介绍了第六节所述实验的所有结果。首先，介绍了摩擦电纳米发电机的工作原理。最后，给出了动态力学分析仪的结果，并进行了讨论。摩擦电纳米发电机的发电过程如图5所示，其工作机理是基于摩擦带电和静电感应之间的耦合效应。值得注意的是，Teng的工作原理是自我供电的。但与大多数实际场合一样，用于测量传感器电信号的示波器和万用表需要外部电源。在原始状态下，没有摩擦电荷的产生，两个电极之间也没有电势差，如图5a所示。当向纳米发电机的顶部施加压力时，PVDF和 PVP亚微米纤维相互接触，从而产生具有相反符号的摩擦电荷，如图5b 所示。由于PVDF具有很强的电子吸引能力，电子从PVP注入到PVDF 纤维中，在PVDF纤维上留下负电荷，在PVP纤维上留下正电荷。当释放压力时，接触表面将恢复到其原始位置按压释放压力的动态板电极 PVDFPVP电极10，这导致正负电荷分离。在这一阶段，PVP和PVDF 纤维是相反的电荷，随后的电荷分离在两个电极之间产生偶极矩和强烈的电势差，从而导致电子通过外部负载从底部电极流向顶部电极，产生电信号，如图5c所示。最后，摩擦电荷的产生停止，电子回流产生相反符号的电信号。因此，摩擦电纳米发电机恢复到其原始状态。图5d显示了由于手指压力引起的一次触点分离导致的电流随时间的变化。
图5：发电的简化说明：(A)纳米发电机的原始位置。(B)在压力下， PVDF和PVP的纤维接触，产生具有相反符号的电荷。(C)一旦解除压力，PVDF和PVP的电荷被分离，从而产生强烈的电势差，从而将电子从底部驱动到顶部电极。(D)一次手指敲击引起的一次触点分离引起的电流在时间域中的变化。
压力对滕电反应的影响(A)原始状态0.00.20.40.60.8-0.05 0.00 0.05 0.100.15 0.20 0.25电流(μΑ)时间(S)(D)+++按压(B)。+-铜电极PVDF纤维PVP纤维11如第6节所述，为了评价所研制的摩擦电纳米发电机的压力测量能力，对其进行了动态力学分析。这个想法是为了评估产生的电力信号对施加压力变化的敏感性，目的是调查压力对滕氏电力输出的影响。图6a显示了施加在纳米发电机上的压力在200帕到2000帕的范围内的时间历程。压力以200pa为增量变化，每个压力循环5次。图6b 显示了以电流为单位测量的相应的Teng的电响应。结果表明，当压力从200pA增加到2000pA时，电流输出从0.4569±0.0003微安增加到1.3939±0.0016微安。图6c显示了以电压为单位测量的Teng的电响应。结果表明，当压力在200～2000帕之间变化时，输出电压从5.36±0.09V 增加到13.24±0.09V。从这些结果可以得出结论，Teng的性能受到施加压力的大小的强烈影响，当纳米发电机受到更高的压力时，会产生更高的电压和电流输出。在2kPa的机械压缩下，该器件的峰峰值电压和最大电流输出分别为13.24V和1.3939μA。电功率随压力的增加与摩擦材料在较强压力下的有效接触增加有关。在较小的压力下，电纺纤维的粗糙表面阻止了PVDF和PVP纤维之间的完全接触。因此，小面积的PVDF 纤维与PVP纤维接触，从而产生极少量的摩擦电荷并产生最小的电输出。当施加更大的压力时，器件的变形量增加，从而在PVDF和PVP纤维之间产生更大的接触面积，从而产生更多的电荷，从而导致更高的电压和电流输出。图6d显示了作为压力函数的电流输出的最大值。给出的结果是每个压力下执行的五个循环的平均最大电流输出和相应的标准偏差。从图6d可以看出，压力和最大电流之间的关系可以用两条直线来内插，一条在200到800帕之间，另一条在800到2000帕之间。我们注意到，在这两个区域，电输出与压力之间的双线性近似表现出良好的线性关系
Figure BDA0003615922360000101
当压强在200～800Pa时，压强灵敏度为 0.94nA/Pa.当压强大于800Pa时，压强灵敏度降至0.37nA/Pa.。图6e显示了作为压力函数的五次重复的平均电压幅度和相应的标准偏差。结果表明，压力越高，输出电压越高，当压力为1600pA时，输出电压在13.2V 达到饱和。这可以用以下事实来解释：压力越高，接触面积越大，从而增加了滕氏摩擦电荷量。结果表明，在1600pA和13.2V下，摩擦电纳米发电机可以获得较高的输出电压。可以观察到，压力与平均电压的关系呈现出三个不同的区域。什么时候压力低于800pA，电压-压力关系接近线性(R2＝0.996)，压力灵敏度为8.8mV/pA。在800pA～1400pA范围内，压力灵敏度下降到3.9mV/pA，产生的电压与压力的关系仍然非常接近线性关系(R2＝0.989)。在1600Pa以上的区域，滕氏温度达到饱和点。根据这些结果，可以得出这样的结论：滕氏对压在200-1600pa范围内表现出非常敏感的响应。
图6：压力对摩擦电纳米发电机的影响。(A)通过DMA设备施加的压力。(B)使用数字万用表测量的电流输出。(C)使用商用示波器测量的电压响应和(D)电流和(E)输出的电压作为200至2000帕压力范围内的函数。
目前，测试了所研制的摩擦电纳米发电机在200～2000帕的不同压力下的电响应。图6d和e中的结果表明，TENG对低压区的压力更敏感。这与之前的结果很好地吻合。摩擦电传感器显示，当压力低于150 帕时，压力灵敏度为44mV/pa。但在较高气压下，灵敏度降至0.5mV/pA。所研制的摩擦电纳米发电机的压力灵敏度在800Pa时为8.8mV/pA，在 800～1600pA范围内为3.9mV/pA。因此，可以得出结论，摩擦电纳米发电机在这个压力范围内具有很高的灵敏度。还可以观察到电流-压力和电压-压力关系呈现出不同的双线性趋势。这可以用电压和电流是不同特性的事实来解释。如中所述，电流取决于Teng的电容(C)和电压(V)，而电压取决于摩擦电荷密度、间隔距离和真空介电常数。我们相信，这些基本原理可以解释电流-压力和电压-压力关系之间的差异。无论如何，需要进一步的研究才能充分理解这两种关系之间的差异。此外，还测试了实验的重现性，以确定在相同压力下重复施加的电响应的稳定性。本实验旨在了解电纺纤维是否能承受压力而不受损伤，从而保证实验的稳定性和重复性。为了估计由测量变化引起的误差，每个压力重复了十次。然后计算每种最大电流输出和峰峰值电压在10种实现方式下的平均电气值、标准偏差和变异系数。
表1：每个压力下重复10次后的运行稳定性。电压和电流的平均值、标准差和系数比(以百分比表示)。
Figure BDA0003615922360000111
表1显示了作为压力函数的电压和电流输出的平均值、标准差和变异系数。它显示了为每个压力测量的平均电压和电流。可以观察到，电输出受施加压力的影响如图6所示。此外，10个电压和电流测量的标准偏差分别小于0.3V和0.02μA，平均变异系数分别为1.8％和1.7％。因此，这些结果表明，电压和电流输出的微小变化可以在实验误差范围内考虑。因此，可以得出结论，所研制的TENG的电输出非常稳定，在相同压力的重复施加下，纳米发电机的电响应几乎没有变化。这表明电纺纤维是坚固的，不会因反复施加压力而损坏，所研制的TENG可以用作压力传感器。
对其作为自供电传感器的应用进行了测试，该传感器能够实时检测和跟踪压力变化。电纺法是用来制备用于腾腾的亚微米纤维膜的。之所以选择这种方法，是因为它是制备纳米纤维最经济、最通用、最简单的方法之一。此外，静电纺丝是一种可扩展的工业工艺，因此为使用低成本技术大规模制造此类器件提供了一种有前途的替代方案。这项研究还建立了所开发的TENG的工作机理，更准确地说，它与所使用的两种材料之间的摩擦电效应有关，而不是与PVDF的压电性有关。这项研究的结果证实了TENG产生的电输出中缺乏压电性，这是从PVDF纳米纤维的α晶体结构得出的结论。结果表明，PVDF纤维与PVP纤维之间的摩擦电效应是由于PVDF纤维与PVP纤维之间具有较强的电子交换能力，而PVDF纤维与PVP纤维之间的大接触表面增强了PVDF纤维与PVP 纤维之间的摩擦电效应，从而将其应用于换能器。通过动态力学分析，分析了机械刺激对腾电输出的影响。这是第一次建议将DMA用于这一目的的研究。作者认为，这种方法是有益的，因为它可以实时地分析作用于滕氏的机械刺激的特征(例如，压力在时间域中的大小)，从而加深我们对滕氏电反应的了解。DMA结果表明，施加在TENG上的机械刺激和电响应之间存在直接关系，这表明了该设备的灵敏度。自供电压力传感器在低压区(<800pA)具有很高的灵敏度，为8.8mV/pA，而在较高压力下，灵敏度下降到3.9mV/pA。目前只有15种出版物报道了TENGs 的压力灵敏度，但这种灵敏度高于大多数已报道的摩擦电子传感器的灵敏度。最后，证明了纳米发电机在相同压力下的电输出的重复性。结果表明，所制得的Teng的输出非常稳定，重复施加相同压力时，TENG的电响应几乎没有变化。这对于研制的TENG作为自力式压力传感器的潜在应用是非常重要的。在我们看来，我们相信这项工作将是朝着开发一种潜在的TENG迈出的很好的第一步，这种TENG可以在施加动态压力时用作自供电传感器。同时，与传统传感器相比，该传感器具有自供电、环境友好、免维护、制造简单、成本低等优点，在压力监测中具有潜在的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于摩擦电效应的压力传感器，其特征是：该压力传感器通过以下方法制备：
步骤一：使用相对分子质量为275,000g mol-1的聚偏氟乙烯颗粒，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮溶剂，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，得到PVDF亚微米纤维膜；
步骤二：以PVP粉末为聚合物，乙醇为溶剂，将化学溶液转移到5ml塑料注射器中进行纺丝，得到PVP亚微米纤维膜；
步骤三：将聚氟乙烯和聚乙烯吡咯烷酮薄膜电纺在铜膜上，将PVDF和PVP纤维相互连接的薄膜面对面组装成摩擦电纳米发电机；
步骤四：纳米发电机用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器，其特征在于，所述的步骤一的具体过程为：将2g聚偏氟乙烯微丸溶解在10毫升N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中，制备成化学溶液；
将化学溶液放在热板上加热，同时积极搅拌以加快溶解过程，将均匀的溶液插入塑料注射器中进行纺丝，操作条件为：高压15kV，纺丝距离15cm，进料速度1ml/h，在电纺过程中，所使用的设备配备了21G钢针和静电收集器，得到厚度为2mm的PVDF亚微米纤维膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器，其特征在于，所述的步骤二的具体过程为：首先用乙醇溶液溶解PVP粉末制成化学溶液，然后将化学溶液转移到5ml塑料注射器中，在施加电压18kV，进料速度0.5ml/h，纺丝距离12cm，针径21mm，静电收集器的条件下纺丝，最后，制备了厚度为1mm的PVP亚微米纤维膜。
4.根据权利要求2所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，其特征在于，所述的步骤一中使用的21G钢针的内径为0.8mm。
5.根据权利要求2所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，其特征在于，所述的步骤一的化学溶液放在热板上加热的温度为70℃。
6.根据权利要求3所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器及动态力学分析方法，其特征在于，所述的步骤二的乙醇溶液浓度为10％w/v。
7.一种权利要求1-6之一所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的动态力学分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：使用动态机械分析仪(DMA；Q800；TA仪器)向纳米发电机提供周期性施加的压力，使用Tektronix 2012B商用示波器和Agilent 34410A数字万用表获得电压和电流输出信号；
压力由垂直于安装在DMA设备中的纳米发电机的恒定力产生，施加在Teng的顶部，并施加在50.24平方厘米的圆形区域上；
在测试过程中，施加压力，每一次压力施加重复五次，以评估重复施加相同压力时电响应的重复性。
8.根据权利要求7所述的一种基于摩擦电效应的压力传感器的动态力学分析方法，其特征在于，所述的在测试过程中，施加的压力在200-2000帕的范围内变化，增量为200帕。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015027769A1 (zh) * 2013-08-29 2015-03-05 天津工业大学 一种新颖的增强静电纺纳米纤维膜、其生产方法以及用于该方法的设备
CN104524996A (zh) * 2014-12-30 2015-04-22 山东华夏神舟新材料有限公司 一种具有压力响应特性的聚偏氟乙烯中空纤维膜及其制备方法
CN107502958A (zh) * 2017-07-10 2017-12-22 东华大学 基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备
CN110082029A (zh) * 2019-04-19 2019-08-02 天津大学 一种pvdf压电薄膜传感器动态力学特性标定方法
KR20190110795A (ko) * 2018-03-21 2019-10-01 중앙대학교 산학협력단 압력 센서 및 이의 제조방법
CN111595506A (zh) * 2020-06-05 2020-08-28 中国科学院兰州化学物理研究所 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器及其制备方法
CN111786590A (zh) * 2020-06-17 2020-10-16 中山大学 可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器
CN112284577A (zh) * 2020-09-27 2021-01-29 西安交通大学 一种压电压阻复合式触觉传感器及制备方法
CN113957608A (zh) * 2021-11-02 2022-01-21 长春理工大学 基于Janus纳米带的荧光摩擦纳米发电机

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015027769A1 (zh) * 2013-08-29 2015-03-05 天津工业大学 一种新颖的增强静电纺纳米纤维膜、其生产方法以及用于该方法的设备
CN104524996A (zh) * 2014-12-30 2015-04-22 山东华夏神舟新材料有限公司 一种具有压力响应特性的聚偏氟乙烯中空纤维膜及其制备方法
CN107502958A (zh) * 2017-07-10 2017-12-22 东华大学 基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备
KR20190110795A (ko) * 2018-03-21 2019-10-01 중앙대학교 산학협력단 압력 센서 및 이의 제조방법
CN110082029A (zh) * 2019-04-19 2019-08-02 天津大学 一种pvdf压电薄膜传感器动态力学特性标定方法
CN111595506A (zh) * 2020-06-05 2020-08-28 中国科学院兰州化学物理研究所 一种基于复合微纳米纤维的柔性力敏传感器及其制备方法
CN111786590A (zh) * 2020-06-17 2020-10-16 中山大学 可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器
CN112284577A (zh) * 2020-09-27 2021-01-29 西安交通大学 一种压电压阻复合式触觉传感器及制备方法
CN113957608A (zh) * 2021-11-02 2022-01-21 长春理工大学 基于Janus纳米带的荧光摩擦纳米发电机

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
任广义;蔡凡一;郑建明;徐春叶;: "P(VDF-TrFE)纳米纤维薄膜的柔性压力传感器", 功能高分子学报, no. 02 *
王凌云;马思远;吴德志;: "电纺压电聚偏二氟乙烯有序纳米纤维及其在压力传感器中的应用", 光学精密工程, no. 10 *

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