CN117538562A - 一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法 - Google Patents
一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117538562A CN117538562A CN202311188196.7A CN202311188196A CN117538562A CN 117538562 A CN117538562 A CN 117538562A CN 202311188196 A CN202311188196 A CN 202311188196A CN 117538562 A CN117538562 A CN 117538562A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- electrode
- triboelectric
- triboelectric layer
- functional layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 title claims abstract description 84
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 108
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 claims abstract description 54
- 241000221931 Hypomyces rosellus Species 0.000 claims abstract description 23
- 241000239290 Araneae Species 0.000 claims abstract description 22
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 45
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 21
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 21
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 10
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 6
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 claims description 6
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004626 polylactic acid Substances 0.000 claims description 6
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 6
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 6
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 4
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 4
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 claims description 3
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 3
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 3
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 238000007872 degassing Methods 0.000 claims description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 3
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 3
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 claims description 3
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 3
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 3
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- 229920000468 styrene butadiene styrene block copolymer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229940037003 alum Drugs 0.000 claims description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims 1
- 229920006465 Styrenic thermoplastic elastomer Polymers 0.000 claims 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims 1
- 229920006342 thermoplastic vulcanizate Polymers 0.000 claims 1
- 239000003190 viscoelastic substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 14
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 241000256626 Pterygota <winged insects> Species 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 2
- 229920002725 thermoplastic elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 2
- 239000004636 vulcanized rubber Substances 0.000 description 2
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 1
- 210000001015 abdomen Anatomy 0.000 description 1
- 210000000576 arachnoid Anatomy 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/03—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses by using non-electrical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明公开耦合仿生加速度传感器及其制备方法,包括传感器外壳,其内设置有容纳空腔;蛛网功能层,设置在容纳空腔内、并且蛛网功能层的外壁与容纳空腔连接,蛛网功能层的中心向下凸出设置有一凸台,蛛网功能层采用仿蛛网结构;质量块,设置在蛛网功能层中心上方,并与凸台上表面贴合连接;第一电极,与凸台下表面贴合连接;第一摩擦电层,贴合连接在第一电极下表面;第二摩擦电层,设置在容纳空腔的底部中心位置,与第一摩擦电层的位置相对应,并在第二摩擦电层下方设置有第二电极,第二摩擦电层通过第二电极设置在容纳空腔的底部中心位置。本发明基于蜘蛛网特殊的粘弹性材料及稳定结构,提出一种高灵敏、大量程、自供电的耦合仿生加速度传感器。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感器技术领域,尤其涉及一种高灵敏、大量程的耦合仿生加速度传感器及其制备方法。
背景技术
加速度传感器通常用于监测和测量物体的加速度,并广泛应用于许多领域,包括工业、汽车、航空航天和消费电子。
传统的加速度传感器通常需要外部电源供电,例如电池或连接到电源线。然而,对于一些应用场景,如长期监测或需要安装在无法访问电源的位置,这种依赖外部电源的传感器就不再适用。因此,自供电加速度传感器应运而生。
自供电加速度传感器利用机械振动能量转换技术,将环境中的振动能量转化为电能供给传感器运行。这些振动能量可以来自于物体的振动、运动或其他机械能源。当传感器受到振动时,内部的机械结构或材料会产生微小的变形或位移,从而产生微小的电荷。这些电荷可以通过特殊的电路和电容器存储,并用于供电传感器及其电子元件。
尽管自供电加速度传感器具有无需外部电源的优点,但在实现高灵敏度和大量程时确实存在一些挑战和矛盾。这是由于高灵敏度需要传感器能够检测到非常微小的振动或加速度信号,而大量程则需要传感器能够测量较大的加速度范围。现有技术中,这两者之间的矛盾在于,为了实现高灵敏度,传感器通常需要使用更灵敏的结构或材料,但这可能会限制其能够承受的最大加速度范围,即现有技术中的加速度传感器存在高灵敏度和大量程难以兼顾的问题。
因此,现有技术仍需进一步改进与发展。
发明内容
为了解决高灵敏度和大量程难以兼顾的问题,本发明的目的在于提供一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法,本发明基于蜘蛛网特殊的粘弹性材料及稳定结构,提出一种高灵敏、大量程、自供电的耦合仿生加速度传感器及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种耦合仿生加速度传感器,其中,包括:
传感器外壳,其内设置有容纳空腔;
蛛网功能层,设置在所述容纳空腔内、并且所述蛛网功能层的外壁与所述容纳空腔连接,所述蛛网功能层的中心向下凸出设置有一凸台,所述蛛网功能层采用仿蛛网结构;
质量块,设置在所述蛛网功能层中心上方,并与所述凸台上表面贴合连接,所述质量块在惯性作用下可通过所述蛛网功能层、与外壳产生相对运动;
第一电极,与所述凸台下表面贴合连接;
第一摩擦电层,贴合连接在所述第一电极下表面;
第二摩擦电层,设置在所述容纳空腔的底部中心位置,与所述第一摩擦电层的位置相对应,并在所述第二摩擦电层下方设置有第二电极,所述第二摩擦电层通过所述第二电极设置在所述容纳空腔的底部中心位置。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,
当测量第一加速度范围时,通过质量块的惯性力,带动所述蛛网功能层的仿蛛网结构以弹性变形为主,所述第一摩擦电层与第二摩擦电层充分接触;
在测量第二加速度范围时,通过质量块的惯性力,带动所述蛛网功能层的仿蛛网结构的粘弹性特性,吸收冲击能量,避免第一摩擦电层与第二摩擦电层剧烈撞击;
所述第一加速度范围小于第二加速度范围。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述质量块呈圆柱形,直径为10mm。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述蛛网功能层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸-共-聚乳酸、聚己内酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述第一电极、第二电极材料为铜、铝或银中的一种。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述第一摩擦电层采用柔性聚合物和导电材料的混合材料。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述第一摩擦电层的柔性聚合物材料为环氧树脂、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚矾醚、聚酰亚胺、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、天然橡胶、丁腈橡胶、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯类热塑性弹性体、热塑性硫化橡胶中的一种或多种;
所述第一摩擦电层的导电材料为石墨烯、石墨炔、碳纳米管、炭黑、MXene、碳纤维中的一种或多种。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,
所述第二摩擦电层为聚四氟乙烯薄膜。
所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述第一电极、第一摩擦电层、第二电极和第二摩擦电层的外边沿都呈圆形设置,所述传感器外壳外部呈圆形设置。
一种如任一项所述的耦合仿生加速度传感器的制备方法,其中,包括步骤:
设计并制备圆形的传感器外壳,并在所述传感器外壳内设置一容纳空腔;
采用激光加工、雕刻机加工中的一种制备所述蛛网功能层;
准备圆柱形质量块,并将所述质量块装配到所述蛛网功能层的中心上表面位置;
制备第一电极、第二电极,并所述第一电极装配到所述蛛网功能层的中心下表面位置,以及将所述第二电极装配到所述传感器外壳的容纳空腔的底部中心位置;
制备第一摩擦电层:S1,将新鲜叶片切成长方形,选择扁平叶片,用去离子水洗涤,并室温烘干,用双面胶带将烘干后的叶片固定在玻璃基片上;S2,第一摩擦电层的制备:将聚二甲基硅氧烷基料和固化剂按重量比10:1混合,机械搅拌至少10分钟,抽真空去除气泡后,倒在处理好的叶片上,再次抽真空去除气泡,在室温下固化20小时,叶片剥落后,制得负型的叶片聚二甲基硅氧烷模具,将柔性聚合物材料和导电材料按比例混合,搅拌15分钟,抽真空去除气泡后倒在负型聚二甲基硅氧烷模具上,再次脱气以促进聚二甲基硅氧烷模具的浸润,放入80℃的干燥箱中固化2小时,将所述第一摩擦电层从聚二甲基硅氧烷模具上剥离;并将所述第一摩擦电层贴合设置在所述第一电极下表面;并将所述蛛网功能层安装在所述传感器外壳的容纳空腔中部;
用聚四氟乙烯薄膜制备第二摩擦电层,并将所述第二摩擦电层贴合设置在所述第二电极上方、与所述第一摩擦电层的位置相对应,得到所述耦合仿生加速度传感器。
有益效果:本发明提供了一种新型的耦合仿生加速度传感器及其制备方法,由于采用所述耦合仿生加速度传感器包括传感器外壳、质量块、蛛网功能层、第一电极、第一摩擦电层、第二电极和第二摩擦电层。本发明采用二次生物模板法,将叶片表面的微小复杂结构复制,利用这些微纳结构提升摩擦电层的自接触表面积,进而提升传感器的灵敏度;利用仿蛛网粘弹性材料吸能特性及蛛网结构的稳定性,提高传感器的量程。在测量小加速度范围时,仿蛛网结构以弹性变形为主,第一摩擦电层与第二摩擦电层充分接触;在测量大加速度范围时,仿蛛网结构的粘弹性特性,吸收了绝大部分的冲击能量,减小了冲击避免第一摩擦电层与第二摩擦电层剧烈撞击而导致传感功能失效,以此提高量程。本发明目的是克服现有加速度传感器难以同时兼顾高灵敏和大量程的问题,同时应用静电感应及摩擦发电效应实现传感器的自供电。
附图说明
图1是本发明实施例的一种耦合仿生加速度传感器的剖面示意图。
图2是本发明实施例的一种耦合仿生加速度传感器的蛛网功能层下表面结构示意图。
图3是本发明实施例的一种耦合仿生加速度传感器的则剖结构示意图。
其中,1、传感器外壳,2、质量块,3、蛛网功能层,4、第一电极,5、第一摩擦电层,6、第二电极,7、第二摩擦电层。
具体实施方式
本发明提供一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。
蜘蛛的肚子里有许多丝浆,它的尾端有很小的孔眼。结网的时候,蜘蛛便将这些丝浆喷出去。丝浆一遇到空气,就凝结成有粘性,无论什么飞虫,一撞到网上就别想再跑掉。而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层油质,粘丝是不粘油的。但是,一般飞虫是没有这层油质的,所以,蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛。
为了解决现有技术的加速度传感器在高灵敏度和大量程难以兼顾的问题,本申请发明人通过研究自然界中的生物系统和生物结构,借鉴其优秀的特性和机制,来设置和改进人造系统。基于蜘蛛网特殊的粘弹性材料及稳定结构,提出一种高灵敏、大量程、自供电的耦合仿生加速度传感器及其制备方法。
本发明实施例的耦合仿生加速度传感器相比于现有的其它结构的加速度传感器,采用二次生物模板法,将叶片表面的微小复杂结构复制,利用这些微纳结构提升摩擦电层的自接触表面积,进而提升传感器的灵敏度;利用仿蛛网粘弹性材料吸能特性及蛛网结构的稳定性,提高传感器的量程。
如图1、图2和图3所示,本发明实施例提供一种耦合仿生加速度传感器,其中,包括:传感器外壳1,质量块2,蛛网功能层3,第一电极4,第一摩擦电层5,第二电极6,第二摩擦电层7。
所述传感器外壳1内设置有容纳空腔11。
所述蛛网功能层3设置在所述容纳空腔11内、并且所述蛛网功能层3的外壁与所述容纳空腔11连接,所述蛛网功能层3的中心向下凸出设置有一凸台31,所述蛛网功能层3采用仿蛛网结构;本发明利用仿蛛网粘弹性材料吸能特性及蛛网结构的稳定性,来提高传感器的量程。
所述质量块2设置在所述蛛网功能层3中心上方,并与所述凸台31上表面贴合连接,所述质量块2在惯性作用下可通过所述蛛网功能层3、与外壳产生相对运动。
所述第一电极4与设置所述蛛网功能层3的凸台31下表面贴合连接。
所述第一摩擦电层5,贴合连接在所述第一电极4下表面;
所述第二摩擦电层7,设置在所述容纳空腔11的底部中心位置,与所述第一摩擦电层5的位置相对应,并在所述第二摩擦电层7下方设置有第二电极,所述第二摩擦电层7通过所述第二电极6设置在所述容纳空腔11的底部中心位置。
本发明实施例中,当测量第一加速度范围时,通过质量块2的惯性力,带动所述蛛网功能层3的仿蛛网结构以弹性变形为主,所述第一摩擦电层5与第二摩擦电层7充分接触;在测量第二加速度范围时,通过质量块2的惯性力,带动所述蛛网功能层3的仿蛛网结构的粘弹性特性,吸收冲击能量,避免第一摩擦电层5与第二摩擦电层7剧烈撞击;所述第一加速度范围小于第二加速度范围,本发明实施例中较佳地,所述第一加速度范围为小于300g,所述第二加速度范围为大于300g。重力加速g与G=mg中的g实际上是一个物理量,只是在使用过程中采用不同的物理单度位,即g=9.8m/s2。
即本发明;在测量小加速度范围(例如小于300g范围)时,仿蛛网结构以弹性变形为主,第一摩擦电层5与第二摩擦电层7充分接触;在测量大加速度范围(例如大于300g)时,所述蛛网功能层3的仿蛛网结构的粘弹性特性,吸收了绝大部分的冲击能量,减小了冲击避免第一摩擦层与第二摩擦层剧烈撞击而导致传感功能失效,以此提高量程。本发明目的是克服现有加速度传感器难以同时兼顾高灵敏和大量程的问题,同时应用静电感应及摩擦发电效应实现传感器的自供电。本发明利用仿蛛网粘弹性材料吸能特性及蛛网结构的稳定性,提高传感器的量程。
本发明进一步实施例中,较佳地,所述第一摩擦电层5下表面设置有微纳结构,并且所述第二摩擦电层7上表面也设置有微纳结构,利用这些微纳结构可以提升摩擦电层的自接触表面积,进而提升传感器的灵敏度。本实施例的所述微纳结构指的是利用正确的原子级组件(通常来自微电子设备和生物学系统)结合精确控制的机械技术在原子尺度上设计、制造和完善微小结构,利用在微米尺度上构建的结构来实现。微纳结构是指微米到纳米量级的结构,是微米技术和纳米技术结合的产物。
可选地,所述的耦合仿生加速度传感器,其中,所述质量块2呈圆柱形,直径为10mm。这样作用在于当本实施例的耦合仿生加速度传感器,在加速度发生变化时,由于质量块的惯性效应,使质量块在所述蛛网功能层3的支持下相对于另一端发生移动,使上下摩擦层接触,从而产生一个与加速度成正比的电信号。
可选地,本实施例所述的耦合仿生加速度传感器,较佳地,所述蛛网功能层3的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸-共-聚乳酸、聚己内酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。这样,所述蛛网功能层3的材料易获得、成本低,且为柔性,与蛛网材料相近。
本实施例所述的耦合仿生加速度传感器,较佳地,所述第一电极4、第二电极6材料为铜、铝或银中的一种,导电性能好。
本实施例所述的耦合仿生加速度传感器,较佳地,所述第一摩擦电层5采用柔性聚合物和导电材料的混合材料。其中,所述第一摩擦电层5的柔性聚合物材料为环氧树脂、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚矾醚、聚酰亚胺、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、天然橡胶、丁腈橡胶、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯类热塑性弹性体、热塑性硫化橡胶中的一种或多种;这样,本发明所述第一摩擦电层的材料易获得、成本低。
所述第一摩擦电层5的导电材料为石墨烯、石墨炔、碳纳米管、炭黑、MXene、碳纤维中的一种或多种。值得说明的是,本发明实施例中由于第一摩擦电层中添加导电材料,石墨烯、石墨炔、碳纳米管、炭黑、MXene、碳纤维中的一种或多种。采用此类高性能微纳材料,从材料角度可以进一步提高传感器的灵敏度。
进一步地,所述的耦合仿生加速度传感器,所述第二摩擦电层7为聚四氟乙烯薄膜。这样,本发明所述第二摩擦电层材料易获得、成本低,为常见的摩擦电层材料。
可选地,所述的耦合仿生加速度传感器,如图1所示,所述第一电极4、第一摩擦电层5、第二电极6和第二摩擦电层7的外边沿都呈圆形设置,当然也可以为其他形状,所述传感器外壳1外部呈圆形设置。所述第一电极4、第一摩擦电层5、第二电极6和第二摩擦电层7,以及所述传感器外壳1外部采用圆形设置易加工。
值得说明的是,在测量小加速度范围时,仿蛛网结构的蛛网功能层3以弹性变形为主,第一摩擦电层5与第二摩擦电层7充分接触;在测量大加速度范围时,仿蛛网结构的蛛网功能层3的粘弹性特性,吸收了绝大部分的冲击能量,减小了冲击避免第一摩擦电层5与第二摩擦电层7剧烈撞击而导致传感功能失效,以此提高量程。蛛网功能层的粘弹性可由厚度、梁的宽度等来调节。
基于上述实施例的一种耦合仿生加速度传感器,本发明实施例还提供一种耦合仿生加速度传感器的制备方法,包括以下步骤:
如图1、图2和图3所示,设计并制备圆形的传感器外壳1,并在所述传感器外壳1内设置一容纳空腔11;
采用激光加工、雕刻机加工中的一种制备所述蛛网功能层3;
准备圆柱形质量块2,并将所述质量块2装配到所述蛛网功能层3的中心上表面位置;
制备第一电极4、第二电极6,并所述第一电极4装配到所述蛛网功能层3的中心下表面位置,以及将所述第二电极6装配到所述传感器外壳1的容纳空腔的底部中心位置;
制备第一摩擦电层5:S1,将新鲜叶片切成长方形,选择扁平叶片,用去离子水洗涤,并室温烘干,用双面胶带将烘干后的叶片固定在玻璃基片上;S2,第一摩擦电层的制备:将聚二甲基硅氧烷基料和固化剂按重量比10:1混合,机械搅拌至少10分钟,抽真空去除气泡后,倒在处理好的叶片上,再次抽真空去除气泡,在室温下固化20小时,叶片剥落后,制得负型的叶片聚二甲基硅氧烷模具,将柔性聚合物材料和导电材料按比例混合,搅拌15分钟,抽真空去除气泡后倒在负型聚二甲基硅氧烷模具上,再次脱气以促进聚二甲基硅氧烷模具的浸润,放入80℃的干燥箱中固化2小时,将所述第一摩擦电层5从聚二甲基硅氧烷模具上剥离;并将所述第一摩擦电层5贴合设置在所述第一电极4下表面;并将所述蛛网功能层3安装在所述传感器外壳1的容纳空腔中部;
用聚四氟乙烯薄膜制备第二摩擦电层7,并将所述第二摩擦电层7贴合设置在所述第二电极6上方、与所述第一摩擦电层5的位置相对应,得到所述耦合仿生加速度传感器。
综上所述:本发明提供了一种新型的耦合仿生加速度传感器及其制备方法,由于采用所述耦合仿生加速度传感器包括传感器外壳、质量块、蛛网功能层、第一电极、第一摩擦电层、第二电极和第二摩擦电层。本发明采用二次生物模板法,将叶片表面的微小复杂结构复制,利用这些微纳结构提升摩擦电层的自接触表面积,进而提升传感器的灵敏度;利用仿蛛网粘弹性材料吸能特性及蛛网结构的稳定性,提高传感器的量程。在测量小加速度范围时,仿蛛网结构以弹性变形为主,第一摩擦电层与第二摩擦电层充分接触;在测量大加速度范围时,仿蛛网结构的粘弹性特性,吸收了绝大部分的冲击能量,减小了冲击避免第一摩擦电层与第二摩擦电层剧烈撞击而导致传感功能失效,以此提高量程。本发明目的是克服现有加速度传感器难以同时兼顾高灵敏和大量程的问题,同时应用静电感应及摩擦发电效应实现传感器的自供电。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种耦合仿生加速度传感器,其特征在于,包括:
传感器外壳,其内设置有容纳空腔;
蛛网功能层,设置在所述容纳空腔内、并且所述蛛网功能层的外壁与所述容纳空腔连接,所述蛛网功能层的中心向下凸出设置有一凸台,所述蛛网功能层采用仿蛛网结构;
质量块,设置在所述蛛网功能层中心上方,并与所述凸台上表面贴合连接,所述质量块在惯性作用下可通过所述蛛网功能层、与外壳产生相对运动;
第一电极,与所述凸台下表面贴合连接;
第一摩擦电层,贴合连接在所述第一电极下表面;
第二摩擦电层,设置在所述容纳空腔的底部中心位置,与所述第一摩擦电层的位置相对应,并在所述第二摩擦电层下方设置有第二电极,所述第二摩擦电层通过所述第二电极设置在所述容纳空腔的底部中心位置。
2.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,
当测量第一加速度范围时,通过质量块的惯性力,带动所述蛛网功能层的仿蛛网结构以弹性变形为主,所述第一摩擦电层与第二摩擦电层充分接触;
在测量第二加速度范围时,通过质量块的惯性力,带动所述蛛网功能层的仿蛛网结构的粘弹性特性,吸收冲击能量,避免第一摩擦电层与第二摩擦电层剧烈撞击;
所述第一加速度范围小于第二加速度范围。
3.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,所述质量块呈圆柱形,直径为10mm。
4.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,所述蛛网功能层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸-共-聚乳酸、聚己内酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,所述第一电极、第二电极材料为铜、铝或银中的一种。
6.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,所述第一摩擦电层采用柔性聚合物和导电材料的混合材料。
7.根据权利要求6所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,所述第一摩擦电层的柔性聚合物材料为环氧树脂、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚矾醚、聚酰亚胺、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、天然橡胶、丁腈橡胶、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯类热塑性弹性体、热塑性硫化橡胶中的一种或多种;
所述第一摩擦电层的导电材料为石墨烯、石墨炔、碳纳米管、炭黑、MXene、碳纤维中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,
所述第二摩擦电层为聚四氟乙烯薄膜。
9.根据权利要求1所述的耦合仿生加速度传感器,其特征在于,所述第一电极、第一摩擦电层、第二电极和第二摩擦电层的外边沿都呈圆形设置,所述传感器外壳外部呈圆形设置。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的耦合仿生加速度传感器的制备方法,其特征在于,包括步骤:
设计并制备圆形的传感器外壳,并在所述传感器外壳内设置一容纳空腔;
采用激光加工、雕刻机加工中的一种制备所述蛛网功能层;
准备圆柱形质量块,并将所述质量块装配到所述蛛网功能层的中心上表面位置;
制备第一电极、第二电极,并所述第一电极装配到所述蛛网功能层的中心下表面位置,以及将所述第二电极装配到所述传感器外壳的容纳空腔的底部中心位置;
制备第一摩擦电层:S1,将新鲜叶片切成长方形,选择扁平叶片,用去离子水洗涤,并室温烘干,用双面胶带将烘干后的叶片固定在玻璃基片上;S2,第一摩擦电层的制备:将聚二甲基硅氧烷基料和固化剂按重量比10:1混合,机械搅拌至少10分钟,抽真空去除气泡后,倒在处理好的叶片上,再次抽真空去除气泡,在室温下固化20小时,叶片剥落后,制得负型的叶片聚二甲基硅氧烷模具,将柔性聚合物材料和导电材料按比例混合,搅拌15分钟,抽真空去除气泡后倒在负型聚二甲基硅氧烷模具上,再次脱气以促进聚二甲基硅氧烷模具的浸润,放入80℃的干燥箱中固化2小时,将所述第一摩擦电层从聚二甲基硅氧烷模具上剥离;并将所述第一摩擦电层贴合设置在所述第一电极下表面;并将所述蛛网功能层安装在所述传感器外壳的容纳空腔中部;
用聚四氟乙烯薄膜制备第二摩擦电层,并将所述第二摩擦电层贴合设置在所述第二电极上方、与所述第一摩擦电层的位置相对应,得到所述耦合仿生加速度传感器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311188196.7A CN117538562A (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311188196.7A CN117538562A (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN117538562A true CN117538562A (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=89792535
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202311188196.7A Pending CN117538562A (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN117538562A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117890050A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 中北大学 | 一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器 |
-
2023
- 2023-09-14 CN CN202311188196.7A patent/CN117538562A/zh active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117890050A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 中北大学 | 一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mi et al. | High-performance flexible triboelectric nanogenerator based on porous aerogels and electrospun nanofibers for energy harvesting and sensitive self-powered sensing | |
Bui et al. | Treefrog toe pad‐inspired micropatterning for high‐power triboelectric nanogenerator | |
CN117538562A (zh) | 一种耦合仿生加速度传感器及其制备方法 | |
Li et al. | Synergy of porous structure and microstructure in piezoresistive material for high-performance and flexible pressure sensors | |
CN110146198B (zh) | 一种柔性自供能压力传感器 | |
Yang et al. | A flexible and wide pressure range triboelectric sensor array for real-time pressure detection and distribution mapping | |
Wang et al. | Magnetic flap-type difunctional sensor for detecting pneumatic flow and liquid level based on triboelectric nanogenerator | |
KR102071260B1 (ko) | 무전원 마찰전기 압력센서 및 그 제조방법 | |
Wang et al. | Triboelectric nanogenerator: Vertical contact-separation mode | |
CN104836473B (zh) | 采集声音能量的发电机和声音传感器 | |
Huang et al. | Improvement of piezoresistive sensing behavior of graphene sponge by polyaniline nanoarrays | |
CN112924060B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
CN110082012B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制作方法 | |
Zhu et al. | More than energy harvesting in electret electronics‐moving toward next‐generation functional system | |
Miao et al. | Toward self-powered inertial sensors enabled by triboelectric effect | |
CN106610324A (zh) | 基于摩擦电的压力传感器 | |
Shahriar et al. | Self-powered flexible PDMS channel assisted discrete liquid column motion based triboelectric nanogenerator (DLC-TENG) as mechanical transducer | |
Xia et al. | High output compound triboelectric nanogenerator based on paper for self-powered height sensing system | |
Gokana et al. | Scalable preparation of ultrathin porous polyurethane membrane-based triboelectric nanogenerator for mechanical energy harvesting. | |
Bui et al. | High-temperature operatable triboelectric nanogenerator using microdome-patterned polyimide for self-powered sensors | |
Salauddin et al. | Design and experimental analysis of a low-frequency resonant hybridized nanogenerator with a wide bandwidth and high output power density | |
Matin Nazar et al. | Hybrid piezoelectric and triboelectric nanogenerators for energy harvesting and walking sensing | |
Yang et al. | Scalable, flexible, and hierarchical porous conductive nanocomposites for self-powered and pressure sensing dual-mode integration | |
Fan et al. | Pressure sensors combining porous electrodes and electrospun nanofiber-based ionic membranes | |
Luo et al. | Biomimetic jagged micropatterns templated from photoswitchable liquid crystal topography for energy harvesting and sensing applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |