CN115127439A - 一种转动角度向量传感器及旋转密码锁 - Google Patents

Abstract

一种转动角度向量传感器及旋转密码锁。转动角度向量传感器包括：两个转盘摩擦纳米发电机，分别用于提供顺时针和逆时针角度传感信号，均包括摩擦导电组件和摩擦组件；传动轴，穿设在两个转盘摩擦纳米发电机上；第一转动机构和第二转动机构，安装在传动轴上，分别用于顺时针和逆时针转动时带动所对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件同步转动。本发明通过耦合摩擦起电和静电感应原理，结合创新转动机构，能用于转动角度和转动方向的同步传感并实时反馈，具有无需供电、结构体积紧凑和制造简便的优点。旋转密码锁利用转动角度向量传感器能够进行转动角度和转动方向同步传感的特点，强化了密码复杂度且可防止通过追踪输入轨迹破解密码，提高了安全性。

Description

一种转动角度向量传感器及旋转密码锁

技术领域

本发明涉及角度传感器领域，具体涉及一种转动角度向量传感器及应用其的旋转密码锁。

背景技术

物联网技术是一项革命性的发明，实现了机器对机器的连接。在物联网强大力量的背后是作为基础设施而配置的无数传感器组件，这些设备在为社会发展赋能的同时，也消耗了难以计数的电力资源。在工业生产与日常生活中，对于转动量的测量是实现流体度量、运动控制和机械制造等领域的重要基础。但是，传统的转动角度传感器通常需要外部电力来工作，物联网时代中广泛部署的此类传感器为能源问题提出了新的挑战。摩擦纳米发电机通过结合摩擦起电和静电感应效应，可将环境中的机械能转换为电能，不仅可实现对环境中的低频能量进行有效收集，还能作为一种自驱动传感器实现对压力、流量、温度和速度等物理量的传感与监测。但是，过去的基于摩擦纳米发电机的转动角度传感器，由于受到设计及工作方式的限制，通常具备以下一种或多种缺点，如无法监测转动方向、精确度低难以提升、器件尺寸庞大和需要过多的测量端口等，这限制了此类自驱动转动角度传感器以及基于摩擦纳米发电机的运动传感器在生活与生产中的进一步广泛应用。

现有的基于摩擦纳米发电机的密码输入设备通常基于接触分离模式设计，具体的设备形式通常以多个按键式分立器件组成阵列得到，不同的字符对应于相应的分立器件。基于这类设备形式，操作人员在输入由多个字符所组成的密码的过程中，不可避免地会导致大幅度的手部运动，并形成输入轨迹，进而容易通过分析该轨迹从而破解密码。并且此类设备只能够输入有限位字符的密码，若增加字符的数量将会使设备尺寸更大，输入轨迹更加显著，使设备的安全性成为挑战。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种转动角度向量传感器及应用其的旋转密码锁。

本发明提供了一种转动角度向量传感器，具有这样的特征，包括：两个转盘摩擦纳米发电机，分别用于提供顺时针转动角度传感信号和逆时针转动角度传感信号，每个转盘摩擦纳米发电机包括相对设置的摩擦导电组件和摩擦组件，两个转盘摩擦纳米发电机呈其摩擦组件相对地对称设置；传动轴，穿设在两个转盘摩擦纳米发电机上，用于接收外部被测物体的转动运动激励；第一转动机构，安装在传动轴上且设置在两个转盘摩擦纳米发电机之间，第一转动机构与一个相对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，用于当传动轴顺时针转动时带动所连接的摩擦组件顺时针转动；以及第二转动机构，安装在传动轴上且设置在两个转盘摩擦纳米发电机之间，第二转动机构与另一个相对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，用于当传动轴逆时针转动时带动所连接的摩擦组件逆时针转动。

在本发明提供的转动角度向量传感器中，还可以具有这样的特征：摩擦导电组件包括依次层叠设置的第一衬底、第一导电元件和第二导电元件、以及第一摩擦层，第一导电元件和第二导电元件均呈由沿圆周方向均匀分布的多个扇形相连而成的片体状，第一导电元件的多个扇形和第二导电元件的多个扇形在圆周方向上交错分布且彼此之间具有间隙；摩擦组件包括层叠设置的第二衬底和第二摩擦层，第二衬底与所对应的转动机构连接，第二摩擦层由沿圆周方向均匀分布的多个扇形片体组成，第二摩擦层与第一摩擦层表面相接触或存在分离距离。

进一步地，第一摩擦层和第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异和/或表面吸引电子能力不同。第一摩擦层和第二摩擦层的厚度范围优选为50nm～2cm。第一摩擦层和第二摩擦层之间的间距范围优选为1nm～1mm。

进一步地，第一摩擦层和第二摩擦层的相配合表面上全部或部分设有纳米、微米或次微米量级的微纳结构层。微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球、微米球、以及由前述结构形成的阵列中的至少之一。微纳结构层的厚度范围为20nm～20μm。

进一步地，第一导电元件和第二导电元件的厚度范围为10nm～2cm。第一导电元件和第二导电元件分别连接有导线或金属薄层，以输出电信号。

在本发明提供的转动角度向量传感器中，还可以具有这样的特征：第一转动机构和第二转动机构关于两个转盘摩擦纳米发电机距离的中点呈中心对称设置。

在本发明提供的转动角度向量传感器中，还可以具有这样的特征：第一转动机构包括第一外转动件、第一内转动件、多个第一转轴、多个第一拨动件、以及多个第一限位座，第一外转动件与所对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，第一外转动件具有侧壁为齿圈结构的圆形凹腔，第一内转动件同心地设置在第一外转动件的圆形凹腔内且安装在传动轴上，第一内转动件随传动轴一起转动，多个第一转轴沿圆周方向均匀分布地安装在第一内转动件上且平行于传动轴设置，多个第一拨动件分别可转动地安装在多个第一转轴上，多个第一限位座分别与多个第一拨动件对应地安装在第一内转动件上，每个第一限位座通过阻挡来限制对应第一拨动件的转动范围，当第一内转动件随传动轴一起顺时针转动时，每个第一拨动件绕所在第一转轴转动，并且在转动时受对应第一限位座阻挡而卡入第一外转动件的齿圈结构，从而多个第一拨动件带动第一外转动件同步顺时针转动，当第一内转动件随传动轴一起逆时针转动时，每个第一拨动件绕所在第一转轴转动，并且在转动时不受对应第一限位座阻挡而与第一外转动件的齿圈结构滑动接触，从而第一外转动件不运动。

在本发明提供的转动角度向量传感器中，还可以具有这样的特征：第二转动机构包括第二外转动件、第二内转动件、多个第二转轴、多个第二拨动件、以及多个第二限位座，第二外转动件与所对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，第二外转动件具有侧壁为齿圈结构的圆形凹腔，第二内转动件同心地设置在第二外转动件的圆形凹腔内且安装在传动轴上，第二内转动件随传动轴一起转动，多个第二转轴沿圆周方向均匀分布地安装在第二内转动件上且平行于传动轴设置，多个第二拨动件分别可转动地安装在多个第二转轴上，多个第二限位座分别与多个第二拨动件对应地安装在第二内转动件上，每个第二限位座通过阻挡来限制对应第二拨动件的转动范围，当第二内转动件随传动轴一起顺时针转动时，每个第二拨动件绕所在第二转轴转动，并且在转动时不受对应第二限位座阻挡而与第二外转动件的齿圈结构滑动接触，从而第二外转动件不运动，当第二内转动件随传动轴一起逆时针转动时，每个第二拨动件绕所在第二转轴转动，并且在转动时受对应第二限位座阻挡而卡入第二外转动件的齿圈结构，从而多个第二拨动件带动第二外转动件同步逆时针转动。

本发明还提供了一种旋转密码锁，包括上述的转动角度向量传感器。

在本发明提供的旋转密码锁中，还可以具有这样的特征：还包括：密码锁外设，与转动角度向量传感器连接，用于辅助操作人员输入密码；信号处理系统，与转动角度向量传感器连接，用于处理转动角度向量传感器输出的转动角度与转动方向的传感信号。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的转动角度向量传感器，与现有技术相比，通过运用合理耦合摩擦起电和静电感应原理的两个转盘摩擦纳米发电机，结合具有独特设计的两个转动机构，能用于转动角度和转动方向的同步传感并实时反馈，且额外具有无需供电、结构体积紧凑和制造简便的优点。

其中，两个转盘摩擦纳米发电机分别负责产生转动角度向量传感器在顺时针转动和逆时针转动时的角度传感信号，两个转盘摩擦纳米发电机的转动方向分别受位于中间的转动机构驱动，转动机构的构造确保每个转盘摩擦纳米发电机仅能够沿确定的一个方向转动，同时每个转盘摩擦纳米发电机可传感当前方向上的转动角度，故能实现对转动角度和转动方向的同步与实时传感。

本发明所涉及的转动角度向量传感器在传感过程中不需要将转动运动变换为线性运动，并且所占用的体积在全过程中不会发生变化，因此避免了对设计额外运动腔体的需要。

本发明所涉及的转动角度向量传感器的转动方向与转动角度信息是可分离的，对于仅需要转动方向信息的应用场景，使用本转动角度向量传感器无需进行信号处理即可直接得到，降低了使用成本。

本发明所涉及的转动角度向量传感器中的转盘摩擦纳米发电机还可作为用于收集环境中机械能的发电机，利用自然界中摩擦起电的现象及静电感应的原理和简易的结构设计，实现了在环境中收集机械动能的可能性，其所提供的电信号输出可被直接利用或与全桥整流器结合转变为直流脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的电源。这为满足新时代自驱动物联网传感器和分布式微纳能源供应提供了全新的研究方向。

附图说明

图1是本发明的实施例1中转动角度向量传感器的结构示意图；

图2是本发明的实施例1中转盘摩擦纳米发电机的整体结构示意图；

图3是本发明的实施例1中转盘摩擦纳米发电机的分解结构示意图；

图4是本发明的实施例1中第一转动机构的结构示意图；

图5是本发明的实施例1中第二转动机构的结构示意图；

图6是本发明的实施例1中传动轴、第一转动机构、第二转动机构的组合结构示意图；

图7是本发明的实施例1中传动轴、第一转动机构、第二转动机构的分解结构示意图；

图8是本发明的实施例1中转盘摩擦纳米发电机响应外部机械转动产生电信号输出的工作原理示意图；

图9是本发明的实施例1中转动角度向量传感器输出信号的示意图，(a)是转动角度向量传感器在不同转速条件下的开路电压的输出信号，(b)是转动角度向量传感器在不同转速条件下的短路电流的输出信号，(c)是转动角度向量传感器在不同转速条件下的转移电荷量的输出信号,(d)是两个转盘摩擦纳米发电机交替工作时的开路电压的输出信号；

图10是本发明的实施例1中转动角度向量传感器输出信号和传感结果的示意图，(a)是转动角度向量传感器在不同转动角度下的开路电压输出信号，(b)是转动角度向量传感器在不同转速下的传感结果；

图11是本发明的实施例2中旋转密码锁的示意图。

图1至图8中附图标记说明：

100转动角度向量传感器；10转盘摩擦纳米发电机；11摩擦导电组件；111第一衬底；112第一导电元件；113第二导电元件；114第一摩擦层；12摩擦组件；121第二衬底；122第二摩擦层；20传动轴；21第三支撑件；30第一转动机构；31第一外转动件；311圆形凹腔；312齿圈结构；313第一通过孔；32第一内转动件；321第一卡合孔；33第一转轴；34第一拨动件；35第一限位座；36第一支撑件；40第二转动机构；41第二外转动件；411圆形凹腔；412齿圈结构；413第二通过孔；42第二内转动件；421第二卡合孔；43第二转轴；44第二拨动件；45第二限位座；46第二支撑件。

图11中附图标记说明：

200旋转密码锁；10转动角度向量传感器；20密码锁外设；30信号处理系统；40受保护设备。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。

实施例1

图1是转动角度向量传感器100的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供了一种转动角度向量传感器100，包括两个转盘摩擦纳米发电机10、传动轴20、第一转动机构30、以及第二转动机构40。转盘摩擦纳米发电机10用于对外以开路电压和/或短路电流的形式提供角度传感信号，每个转盘摩擦纳米发电机10包括相对设置的摩擦导电组件11和摩擦组件12，两个转盘摩擦纳米发电机10呈其摩擦组件12相对地对称设置，每个转盘摩擦纳米发电机10还可连接负载以实现摩擦发电输出。传动轴20穿设在两个转盘摩擦纳米发电机10上，传动轴20用于接收外部被测物体的转动运动激励。第一转动机构30和第二转动机构40均安装在传动轴20上且设置在两个转盘摩擦纳米发电机10之间，第一转动机构30和第二转动机构40分别与两个转盘摩擦纳米发电机10的摩擦组件12连接，第一转动机构30用于当传动轴20顺时针转动时带动所连接的摩擦组件12顺时针转动，进而该转盘摩擦纳米发电机10能对外提供顺时针转动角度传感信号，第二转动机构40用于当传动轴20逆时针转动时带动所连接的摩擦组件12逆时针转动，进而该转盘摩擦纳米发电机10能对外提供逆时针转动角度传感信号。以下对各部分作详细说明。

图2是转盘摩擦纳米发电机10的整体结构示意图，图3是转盘摩擦纳米发电机10的分解结构示意图。

如图2和图3所示，每个转盘摩擦纳米发电机10包括摩擦导电组件11和摩擦组件12。摩擦导电组件11包括依次层叠设置的第一衬底111、第一导电元件112和第二导电元件113、以及第一摩擦层114，其中，第一衬底111起到支撑作用，第一摩擦层114呈圆形，第一导电元件112和第二导电元件113设置在同一平面上，第一导电元件112和第二导电元件113均呈由沿圆周方向均匀分布的多个扇形相连而成的片体状，第一导电元件112的多个扇形和第二导电元件113的多个扇形在圆周方向上交错分布且彼此之间具有间隙，第一导电元件112和第二导电元件113分别连接有导线(图中未示出)，以输出电信号。摩擦组件12包括层叠设置的第二衬底121和第二摩擦层122，第二衬底121呈圆形且其与所对应的转动机构连接，第二摩擦层122由沿圆周方向均匀分布的多个扇形片体组成，第二摩擦层122表面与摩擦导电组件11的第一摩擦层114表面相接触或存在分离距离，并且两者的材料存在摩擦电极序差异和/或表面吸引电子能力不同。当摩擦组件12转动时，转动的第二摩擦层122与第一导电元件112和第二导电元件113交替重合，并且通过第二摩擦层122表面与第一摩擦层114表面之间的接触起电与静电感应效应，交替在第一导电元件112和第二导电元件113形成感应电荷，进而通过第一导电元件112和第二导电元件113连接的导线对外电路产生交流电信号输出。

在本实施例中，第一导电元件112呈由沿圆周方向均匀分布的四个扇形通过外弧延伸相连而成的片体状，第二导电元件113呈由沿圆周方向均匀分布的四个扇形通过内弧延伸相连而成的片体状，第一导电元件112和第二导电元件113的一个扇形上还形成外延的凸起，该凸起方便连接导线。第二摩擦层122由沿圆周方向均匀分布的四个扇形片体组成。

图4是第一转动机构30的结构示意图。

如图4所示，第一转动机构30包括第一外转动件31、第一内转动件32、多个第一转轴33、多个第一拨动件34、以及多个第一限位座35。其中，第一外转动件31与所对应转盘摩擦纳米发电机10的第二衬底121连接，第一外转动件31具有侧壁为齿圈结构312的圆形凹腔311。第一内转动件32呈转盘状，第一内转动件32同心地设置在第一外转动件31的圆形凹腔311内且安装在传动轴20上，第一内转动件32随传动轴20一起转动。多个第一转轴33沿圆周方向均匀分布地安装在第一内转动件32上且平行于传动轴20设置，多个第一拨动件34分别可转动地安装在多个第一转轴33上。多个第一限位座35分别与多个第一拨动件34对应地安装在第一内转动件32上，每个第一限位座35通过阻挡来限制对应第一拨动件34的转动范围。当传动轴20带动第一内转动件32一起顺时针转动时，每个第一拨动件34在第一内转动件32转动作用下绕所在第一转轴33转动，并且在转动时受对应第一限位座35阻挡而卡入第一外转动件31的齿圈结构312，进而多个第一拨动件34带动第一外转动件31同步顺时针转动，第一外转动件31带动所连接的转盘摩擦纳米发电机10的摩擦组件12顺时针转动；当传动轴20带动第一内转动件32一起逆时针转动时，每个第一拨动件34在第一内转动件32转动作用下绕所在第一转轴33转动，并且在转动时不受对应第一限位座35阻挡而与第一外转动件31的齿圈结构312滑动接触，第一外转动件31不运动。在本实施例中，第一转轴33、第一拨动件34、第一限位座35的数量均优选为四个，运动时更为平稳。

图5是第二转动机构40的结构示意图，图6是传动轴20、第一转动机构30、第二转动机构40的组合结构示意图，图7是传动轴20、第一转动机构30、第二转动机构40的分解结构示意图。

如图5所示，第二转动机构40包括第二外转动件41、第二内转动件42、多个第二转轴43、多个第二拨动件44、以及多个第二限位座45，其中，第二外转动件41与所对应转盘摩擦纳米发电机10的第二衬底121连接，第二外转动件41具有侧壁为齿圈结构412的圆形凹腔411，其他部件的设置参照第一转动机构30的相应部件设置，在本实施例中，第二转轴43、第二拨动件44、第二限位座45的数量均优选为四个，运动时更为平稳。如图1和图6所示，第二转动机构40和第一转动机构30关于两个转盘摩擦纳米发电机10距离的中点呈中心对称设置。因此，当传动轴20带动第二内转动件42一起顺时针转动时，每个第二拨动件44在第二内转动件42转动作用下绕所在第二转轴43转动，并且在转动时不受对应第二限位座45阻挡而与第二外转动件41的齿圈结构412滑动接触，第二外转动件41不运动；当传动轴20带动第二内转动件42一起逆时针转动时，每个第二拨动件44在第二内转动件42转动作用下绕所在第二转轴43转动，并且在转动时受对应第二限位座45阻挡而卡入第二外转动件41的齿圈结构412，进而多个第二拨动件44带动第二外转动件41同步逆时针转动，第二外转动件41带动所连接的转盘摩擦纳米发电机10的摩擦组件12逆时针转动。

在本实施例中，如图7所示，传动轴20选用横截面为非正圆形的异形轴，第一外转动件31和第二外转动件41的中心轴分别开设有供传动轴20穿过和转动的第一通过孔313和第二通过孔413，第一内转动件32和第二内转动件42的中心轴分别开设有与传动轴20横截面匹配的第一卡合孔321和第二卡合孔421。第一通过孔313和第二通过孔413的相背侧分别连接有供传动轴20穿过的第一支撑件36和第二支撑件46，第一卡合孔321和第二卡合孔421之间连接有供传动轴20穿过的第三支撑件21，第一支撑件36、第二支撑件46、第三支撑件21均呈圆柱套状且起到防止传动轴20轴向偏移过大的支撑作用，第三支撑件21还对第一内转动件32和第二内转动件42之间的相对位置起到支撑作用。

图8是转盘摩擦纳米发电机响应外部机械转动产生电信号输出的工作原理示意图。

对于本转动角度向量传感器100，无论传动轴20是顺时针旋转还是逆时针旋转，转盘摩擦纳米发电机10的第一导电元件112和第二导电元件113之间形成交流脉冲输出的过程是相似的。

如图8所示，以传动轴20顺时针转动为例，第一摩擦层114、第二摩擦层122、第一导电元件112、第二导电元件113产生摩擦发电感应的工作原理：(1)参见图8(a)，转动过程尚未开始，第一摩擦层114、第二摩擦层122、第一导电元件112、第二导电元件113均长期处于静止，各部件表面无电荷，无交流电信号输出。

(2)参见图8(b)，转动过程开始，第二摩擦层122发生运动，第二摩擦层122和第一摩擦层114的相配合表面发生相对运动，在运动的瞬间发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷。由于第一摩擦层114和第二摩擦层122的材料在摩擦电极序中的位置不同，第一摩擦层114的表面产生负电荷，第二摩擦层122的表面产生正电荷，由于第一摩擦层114为整体且第二摩擦层122具有不带电的间隙，这个间隙对应在第二导电元件113诱导出正电荷。

(3)参见图8(c)，转动过程继续，第二摩擦层122从对应第一导电元件112的位置离开而向对应第二导电元件113的位置运动，此时第二摩擦层122及其间隙与第一导电元件112和第二导电元件113的重合面积相同，导致第一导电元件112和第二导电元件113的电势差变小，电子会从第一导电元件112流向第二导电元件113，该过程即产生了通过外电路的正向电流，最后达到平衡。

(4)参见图8(d)，转动过程继续，第二摩擦层122运动到对应第二导电元件113的位置，此时第二摩擦层122的间隙到达对应第一导电元件112的位置，第一导电元件112因此被诱导出正电荷，导致第一导电元件112和第二导电元件113的电势差变大。

(5)参见图8(e)，转动过程继续，第二摩擦层122从对应第二导电元件113的位置离开而向对应第一导电元件112的位置运动，此时第二摩擦层122和其间隙分别与对应第一导电元件112和第二导电元件113的重合面积相同，导致第一导电元件112和第二导电元件113的电势差变小，电子会从第二导电元件113流向第一导电元件112，该过程即产生了通过外电路的负向电流，最后达平衡。

可见，当转动的第二摩擦层122与第一导电元件112和第二导电元件113交替重合时，驱动电子沿交替的方向定向运动，并通过第一导电元件112和第二导电元件113连接的导线进行输出，从而形成交流电信号。在实际实施时，第二摩擦层122和第一摩擦层114的相配合表面经过摩擦等作用，通常带有少量电荷，并且该电荷能够长时间保留。

需要说明的是，上述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种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。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

上述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度约为10nm。该电荷能够自然维持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，可以认为，在本转动角度向量传感器100中的接触电荷量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

为了提高本转动角度向量传感器100的输出性能，优选在第一摩擦层114和第二摩擦层122的相配合表面上全部或部分设置纳米、微米或次微米量级的微纳结构层，这样能够增加第一摩擦层114和第二摩擦层122的有效接触面积，提高表面电荷密度及电输出。微纳结构层优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构层中的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。其中，微纳结构层的厚度优选为介于20nm～20μm之间。

微纳结构层可以是通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在摩擦层的表面制备，也可以是在制备摩擦层材料时直接形成。微纳结构层还可以是在第一摩擦层114和第二摩擦层122的表面点缀或涂覆纳米材料形成，该纳米材料可以选自纳米颗粒、纳米管、纳米线和纳米棒。根据实际需要可以具体选自二氧化钛纳米颗粒、二氧化钛纳米线、二氧化钛纳米棒、二氧化钛纳米管、二氧化硅纳米颗粒、二氧化硅纳米线、二氧化硅纳米棒、二氧化硅纳米管、聚二甲基硅氧烷纳米颗粒、聚二甲基硅氧烷纳米线或聚二甲基硅氧烷纳米棒、聚二甲基硅氧烷纳米管、聚四氟乙烯纳米颗粒、聚四氟乙烯纳米线、聚四氟乙烯纳米棒和聚四氟乙烯纳米管。

以下对第一摩擦层114、第二摩擦层122的硬度、厚度、形状以及材料等方面做详细的说明。

第一摩擦层114、第二摩擦层122、以及其表面的微纳结构层中的任意层既可选择硬质材料，也可选择柔性材料，因为有第一衬底111、第二衬底121，材料的硬度并不影响第一摩擦层114和第二摩擦层122之间的接触效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。第一摩擦层114、第二摩擦层122的厚度范围优选为50nm～2cm。

第一摩擦层114、第二摩擦层122的制备材料可以采用绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物，其都具有摩擦电特性。此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

半导体和金属也可以代替上述绝缘体材料作为第一摩擦层114、第二摩擦层122的制备材料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等，因此以下列出的半导体材料均可作为制备材料：SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe、HgTe等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的可以作为第一摩擦层114、第二摩擦层122的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当第一摩擦层114和第二摩擦层122的相配合表面的材料的得失电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，摩擦发电传感组件的电输出越大。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层114和第二摩擦层122的相配合表面，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林，其中，派瑞林包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

第一导电元件112和第二导电元件113充当摩擦层材料时，第一摩擦层114可以省略，由导电的摩擦层材料同时充当导电元件和摩擦层材料，能够进一步简化转盘摩擦纳米发电机10的结构。

本转动角度向量传感器100还对第一摩擦层114和第二摩擦层122的相配合表面的间距具有要求，为了在使第一摩擦层114和第二摩擦层122相对运动过程中能在表面产生较大的带电性，该间距应小于2mm，优选为1nm～1mm之间。

第一导电元件112和第二导电元件113作为电极，需要具备能够导电的特性，其可以选择常用的导电材料，此处列举一些常用的导电材料：金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒，以及由上述金属形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，可以选择自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。优选地，第一导电元件112、第二导电元件113的材料为铜、金、银或铂。也可以将厚度较大的导电材料例如金属板和/或金属膜直接贴合在第一衬底111、第二衬底121上来固定形成第一导电元件112、第二导电元件113。

第一导电元件112、第二导电元件113可以是薄膜或薄层，厚度的可选范围为10nm～2cm，优选为50nm～5mm。第一导电元件112、第二导电元件113并不必须限定是硬质的，也可以是柔性的，因为第一衬底111可以起到支撑作用。第一导电元件112、第二导电元件113可通过导线或金属薄层与外电路连接来输出电信号，技术人员可以根据实际使用情况作出合适的选择。

下面以一个实际的例子展示本转动角度向量传感器100的制备过程。首先展示转盘摩擦纳米发电机10的制备过程，选择厚度为60μm的铜膜胶带。由于第一导电元件112、第二导电元件113、第二摩擦层122需要图案化，因此采用PCB蚀刻工艺制备。在刻蚀过程之前需要先准备第一衬底111和第二衬底121，衬底使用激光切割机切割厚度为3mm的亚克力板得到。将铜膜胶带与用作掩膜厚度为120μm的PET膜分别按顺序粘贴在衬底表面，随后使用激光切割机将第一导电元件112、第二导电元件113、第二摩擦层122的图形图案化至PET掩膜。随后将需要刻蚀的铜膜表面的PET从对应铜膜上剥离，将衬底使用酒精和去离子水清洗后，放入使用PCB刻蚀剂按水粉比3:1配制的溶液中进行铜膜的图案化。经过10分钟铜膜图案化过程后，将衬底取出，使用酒精和去离子水洗净，用软布擦去被刻蚀处铜膜留下的余胶。最后剥离剩余铜膜表面的PET薄膜，将衬底放入超声清洗机中处理10分钟，再放入80℃的电热恒温鼓风干燥箱中10分钟确保表面水分蒸发完毕。在第一导电元件112和第二导电元件113的表面粘贴一层厚度为100μm的PTFE薄膜分别作为第一摩擦层114。所有电极均使用导电胶带引出用于电气连接。传动轴20、第一转动机构30、第二转动机构40的制备通过软件三维建模并三维打印得到。

图9是转动角度向量传感器100输出信号的示意图。

由于在本转动角度向量传感器100的使用过程中，其每个旋转过程的速度可能不是均匀的，因此对细粒度下该转动角度向量传感器100在持续的外部机械旋转运动下的开路电压、短路电流和转移电荷量的输出情况进行研究。如图9所示，外部机械旋转运动的速度分别设置为2、4、6、8、10、12、14、16、18、20rpm。在图9(a)中，随着转速从2rpm到20rpm的增加，开路电压呈现了先增加后稳定的特性，且最小与最大值分别为143.46V与174.45V。当转速达到12rpm后，其开路电压的峰峰值基本固定。根据独立层式摩擦纳米发电机的理论，转盘摩擦纳米发电机10可以被认为是不断传递电荷的常值电容器，这就解释了为什么开路电压输出在线性增加后变得稳定，因为转盘摩擦纳米发电机10的工作过程实际上是电荷在两组导电元件之间的转移过程，一切电学输出性能都源自于导电元件之间的电荷量变化。当转速达到12rpm时，摩擦电荷的产生率已经高于外部环境导致的损耗率，摩擦层材料表面的电荷也已经饱和，满足了最大电压输出的条件。在图9(b)中，随着转速从2rpm到20rpm的增加，短路电流不断增大，其最大电流峰值达到了403.08nA。在图9(c)中，随着转速从2rpm到20rpm的增加，转移电荷量不断增大，最小与最大值分别为64.15nC和71.41nC，这进一步验证了开路电压和短路电流变化的正确性。同时测量两个转盘摩擦纳米发电机10的输出，将本转动角度向量传感器100的转速固定为20rpm，将旋转方向以顺时针和逆时针交替进行，其结果如图9(d)所示。根据两个转动机构的工作原理，两个转盘摩擦纳米发电机10同时仅能有一个处于活动状态。从图中可以看出，当组件1(指一个转盘摩擦纳米发电机10)处于活动状态时，其开路电压产生了符合预期的输出，但同时在组件2(指另一个转盘摩擦纳米发电机10)上也测量到了幅值不同的伴生输出。当组件2处于活动状态时，组件1中也测量到了类似的结果。这种规律的伴生输出来自于导电元件中积累的转移电荷所产生的高强度电场，导致非活动组件的导电元件通过静电感应捕获到了这个电信号。这种伴生输出由于与正常工作时的输出相比其幅值仅有1.89％，因此该伴生输出可通过信号阈值进行屏蔽，不会对传感器的实际效果造成影响。

图10是转动角度向量传感器100输出信号和传感结果的示意图。

进一步测量了第一摩擦层114和第二摩擦层122以相同初始相位开始转动不同角度的开路电压输出波形。在本实施例中，第一导电元件112、第二导电元件113、第二摩擦层122都设置为π/2的扇形，将圆分为了8个区域，因此测量了第二摩擦层122分别转动π/2、π、3π/2和2π时的开路电压信号。如图10(a)所示，转动角度向量传感器100的开路电压输出产生了与转动角度相关的峰值，分别为2个、4个、6个和8个，并在到达转动角度后回到零点，因此可以得到峰值数与转动角度之间的关系公式：

式中，n为峰值数，θ为转动角度。

通过分析转动角度与转过该角度所用的时间，还可以进一步得到外部被测物体的当前转动速度，如图10(b)所示，将转动角度向量传感器100连接至无刷电机以测量对转动速度的准确率，可以看出在2～20rpm范围内，传感得到的转动速度具备高准确率，其最大误差不超过0.4rpm。

实施例2

图11是旋转密码锁200的示意图。

如图11所示，本实施例提出了一种旋转密码锁200，包括实施例1中的转动角度向量传感器10、密码锁外设20、信号处理系统30，其中，密码锁外设20供操作人员输入密码，并辅助其了解当前密码输入状态，信号处理系统30用于分析转动角度向量传感器10输出的角度传感信号、得到转动角度所代表的密码含义并与预设的密码相比对以确定是否解除对受保护设备40的限制，信号处理系统30属于现有技术。

不同于按键式密码输入设备，本旋转密码锁200在输入过程中避免了操作人员手部的大幅度运动，难以从操作人员的手部运动分析出具体的转动角度，从而防止了通过对操作人员手部的运动过程进行逆向分析来得到密码的可能性。并且，本旋转密码锁200还可将转动角度与转动方向结合，进一步增强了密码强度。

实施例的作用与效果

根据实施例1所涉及的转动角度向量传感器，通过运用合理耦合摩擦起电和静电感应原理的两个转盘摩擦纳米发电机，结合具有独特设计的两个转动机构，在不需要外部能源供应的情况下大幅减少了机械部件的尺寸并集成到单一简单装置中，能用于转动角度和转动方向的同步传感并实时反馈。其中，两个转盘摩擦纳米发电机分别负责转动角度传感器在顺时针转动和逆时针转动时的角度传感，两个转盘摩擦纳米发电机的转动方向分别受位于中间的转动机构驱动，转动机构的构造确保每个转盘摩擦纳米发电机仅能够沿确定的一个方向转动，同时每个转盘摩擦纳米发电机可传感当前方向上的转动角度，故能实现对转动角度和转动方向的同步传感。转盘摩擦纳米发电机还可作为用于收集环境中机械能的发电机，在低转速下即可为电子元器件供电，为满足新时代自驱动物联网传感器和分布式微纳能源供应提供了全新的研究方向。

进一步地，转盘摩擦纳米发电机采取独立层工作模式，包括摩擦导电组件和摩擦组件，摩擦导电组件包括依次层叠设置的第一衬底、第一导电元件和第二导电元件、以及第一摩擦层，摩擦组件包括层叠设置的第二衬底和第二摩擦层。使用该模式的转盘摩擦纳米发电机具有低噪声、宽接触距离裕度和高输出功率的优点，保证了输出信号能维持在高信噪比水平，且能够抵抗环境中的震动干扰。实施例1中还对第一摩擦层和第二摩擦层的形状、材料性质、厚度范围、间距范围和表面结构，以及第一导电元件和第二导电元件的形状、厚度范围、信号输出结构等做了优选设置，这里不再赘述。

进一步地，第一转动机构和第二转动机构可关于两个转盘摩擦纳米发电机距离的中点呈中心对称设置，第一转动机构和第二转动机构均包括外转动件、内转动件、多个转轴、多个拨动件、以及第一限位座。通过独特的结构设计，确保了每个转盘摩擦纳米发电机仅能够沿确定的一个方向转动的功能需要。

根据实施例2所涉及的旋转密码锁，因为包括上述转动角度向量传感器，防止了操作人员使用传统按键式密码输入设备时，通过记录手部运动过程的轨迹并进行逆向分析来得到密码的可能性，提高了密码输入设备的安全性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种转动角度向量传感器，其特征在于，包括：

两个转盘摩擦纳米发电机，分别用于提供顺时针转动角度传感信号和逆时针转动角度传感信号，每个所述转盘摩擦纳米发电机包括相对设置的摩擦导电组件和摩擦组件，两个所述转盘摩擦纳米发电机呈其摩擦组件相对地对称设置；

传动轴，穿设在两个所述转盘摩擦纳米发电机上，用于接收外部被测物体的转动运动激励；

第一转动机构，安装在所述传动轴上且设置在两个所述转盘摩擦纳米发电机之间，所述第一转动机构与一个相对应所述转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，用于当所述传动轴顺时针转动时带动所连接的摩擦组件顺时针转动；以及

第二转动机构，安装在所述传动轴上且设置在两个所述转盘摩擦纳米发电机之间，所述第二转动机构与另一个相对应所述转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，用于当所述传动轴逆时针转动时带动所连接的摩擦组件逆时针转动。

2.根据权利要求1所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述摩擦导电组件包括依次层叠设置的第一衬底、第一导电元件和第二导电元件、以及第一摩擦层，

所述第一导电元件和所述第二导电元件均呈由沿圆周方向均匀分布的多个扇形相连而成的片体状，所述第一导电元件的多个扇形和所述第二导电元件的多个扇形在圆周方向上交错分布且彼此之间具有间隙；

所述摩擦组件包括层叠设置的第二衬底和第二摩擦层，

所述第二衬底与所对应的转动机构连接，

所述第二摩擦层由沿圆周方向均匀分布的多个扇形片体组成，所述第二摩擦层与所述第一摩擦层表面相接触或存在分离距离。

3.根据权利要求2所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异和/或表面吸引电子能力不同。

4.根据权利要求2所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的厚度范围为50nm～2cm。

5.根据权利要求2所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间的间距范围为1nm～1mm。

6.根据权利要求2所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的相配合表面上全部或部分设有纳米、微米或次微米量级的微纳结构层。

7.根据权利要求6所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球、微米球、以及由前述结构形成的阵列中的至少之一。

8.根据权利要求6所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述微纳结构层的厚度范围为20nm～20μm。

9.根据权利要求2所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一导电元件和所述第二导电元件的厚度范围为10nm～2cm。

10.根据权利要求2所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一导电元件和所述第二导电元件分别连接有导线或金属薄层，以输出电信号。

11.根据权利要求1所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一转动机构和所述第二转动机构关于两个所述转盘摩擦纳米发电机距离的中点呈中心对称设置。

12.根据权利要求1或11所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第一转动机构包括第一外转动件、第一内转动件、多个第一转轴、多个第一拨动件、以及多个第一限位座，

所述第一外转动件与所对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，所述第一外转动件具有侧壁为齿圈结构的圆形凹腔，

所述第一内转动件同心地设置在所述第一外转动件的圆形凹腔内且安装在所述传动轴上，所述第一内转动件随所述传动轴一起转动，

多个所述第一转轴沿圆周方向均匀分布地安装在所述第一内转动件上且平行于所述传动轴设置，

多个所述第一拨动件分别可转动地安装在多个所述第一转轴上，

多个所述第一限位座分别与多个所述第一拨动件对应地安装在所述第一内转动件上，每个所述第一限位座通过阻挡来限制对应所述第一拨动件的转动范围，

当所述第一内转动件随所述传动轴一起顺时针转动时，每个所述第一拨动件绕所在第一转轴转动，并且在转动时受对应所述第一限位座阻挡而卡入所述第一外转动件的齿圈结构，从而多个所述第一拨动件带动所述第一外转动件同步顺时针转动，

当所述第一内转动件随所述传动轴一起逆时针转动时，每个所述第一拨动件绕所在第一转轴转动，并且在转动时不受对应所述第一限位座阻挡而与所述第一外转动件的齿圈结构滑动接触，从而所述第一外转动件不运动。

13.根据权利要求1或11所述的转动角度向量传感器，其特征在于：

其中，所述第二转动机构包括第二外转动件、第二内转动件、多个第二转轴、多个第二拨动件、以及多个第二限位座，

所述第二外转动件与所对应转盘摩擦纳米发电机的摩擦组件连接，所述第二外转动件具有侧壁为齿圈结构的圆形凹腔，

所述第二内转动件同心地设置在所述第二外转动件的圆形凹腔内且安装在所述传动轴上，所述第二内转动件随所述传动轴一起转动，

多个所述第二转轴沿圆周方向均匀分布地安装在所述第二内转动件上且平行于所述传动轴设置，

多个所述第二拨动件分别可转动地安装在多个所述第二转轴上，

多个所述第二限位座分别与多个所述第二拨动件对应地安装在所述第二内转动件上，每个所述第二限位座通过阻挡来限制对应所述第二拨动件的转动范围，

当所述第二内转动件随所述传动轴一起顺时针转动时，每个所述第二拨动件绕所在第二转轴转动，并且在转动时不受对应所述第二限位座阻挡而与所述第二外转动件的齿圈结构滑动接触，从而所述第二外转动件不运动，

当所述第二内转动件随所述传动轴一起逆时针转动时，每个所述第二拨动件绕所在第二转轴转动，并且在转动时受对应所述第二限位座阻挡而卡入所述第二外转动件的齿圈结构，从而多个所述第二拨动件带动所述第二外转动件同步逆时针转动。

14.一种旋转密码锁，其特征在于：包括：

权利要求1～13任一项所述的转动角度向量传感器。

15.根据权利要求14所述的旋转密码锁，其特征在于：

其中，还包括：

密码锁外设，与所述转动角度向量传感器连接，用于辅助操作人员输入密码；

信号处理系统，与所述转动角度向量传感器连接，用于处理所述转动角度向量传感器输出的转动角度与转动方向的传感信号。

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