CN204214576U - 摩擦电和压电复合传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种摩擦电和压电复合传感器，包括：依次层叠设置的第一摩擦单元，压电层，第二摩擦单元；压电层包括中间高分子聚合物层和阵列结构的多个压电元件；中间高分子聚合物层的至少一部分表面与第一摩擦单元和/或与第二摩擦单元形成摩擦界面；第一摩擦单元包括第一电极层，第二摩擦单元包括第二电极层。本实用新型在摩擦发电机结构中添加了包含阵列形式的多个小型压电元件的复合层，传感器各层在压力作用下形变，复合层与至少一侧的聚合物层或电极层产生摩擦，压电元件也发生形变并产生电荷，摩擦电荷和压电电荷在公共电极产生感应电荷，向外输出电信号，不仅能够获取较高的输出电压，还能够获取较高的输出电流。

Description

摩擦电和压电复合传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种摩擦电和压电复合传感器。

背景技术

近年来，摩擦发电机以其简单的制作工艺及广泛的应用前景受到越来越多的科研工作者的关注。摩擦发电机在受到外力时通过聚合物之间因摩擦而产生的电荷形成电势差，电势差与压力的大小相关，可应用于压力传感器领域，通过测量电压信号得知压力大小。

由于摩擦发电机的特性，这种摩擦电传感器能够达到较高的输出电压，但其较小的输出电流和输出功率以及较差的稳定性，在很大程度上限制其应用。

压电传感器是另一种广泛应用的传感器，利用压电材料的特性将压力转化为电信号。与摩擦传感器不同，压电传感器的输出电压较小但具有相对较高的输出电流，且稳定性较好。

可见，单独的摩擦电传感器和压电传感器都具有各自的局限性，在对输出电压，输出电流要求较高的应用环境中无法单独适用。

实用新型内容

本实用新型的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种摩擦电和压电复合传感器，通过将摩擦电传感器和压电传感器整合，形成摩擦电和压电复合传感器，受到外力作用时，不仅能够产生较高的输出电压，还能够产生较高的输出电流，具有更广泛的应用。

本实用新型提供了一种摩擦电和压电复合传感器，包括：依次层叠设置的第一摩擦单元，压电层，第二摩擦单元；

压电层包括中间高分子聚合物层和阵列结构的多个压电元件；

中间高分子聚合物层的至少一部分表面与第一摩擦单元和/或与第二摩擦单元形成摩擦界面；

第一摩擦单元包括第一电极层，第二摩擦单元包括第二电极层；

第一电极层和第二电极层是摩擦电和压电复合传感器的输出电极。

可选地，所述压电层为单层结构，所述多个压电元件设置在所述中间高分子聚合物层内部。

可选地，所述中间高分子聚合物层的材质为液态高分子聚合物，所述压电层由所述中间高分子聚合物层包覆多个压电元件固化形成。

可选地，所述中间高分子聚合物层上具有与所述多个压电元件相适应的多个空腔；

所述多个压电元件镶嵌在所述多个空腔中；

所述中间高分子聚合物层的空腔以外的表面与所述第一摩擦单元和/或与所述第二摩擦单元形成摩擦界面。

可选地，所述中间高分子聚合物层和所述多个压电元件为层叠结构，所述多个压电元件设置在所述中间高分子聚合物层朝向所述第一摩擦单元和/或第二摩擦单元的表面上；

所述中间高分子聚合物层未被所述多个压电元件覆盖的部分与所述第一摩擦单元和/或第二摩擦单元形成摩擦界面。

可选地，所述中间高分子聚合物层至少一部分表面与所述第二电极层和/或第一电极层形成摩擦界面。

可选地，所述第一摩擦单元还包括第一高分子聚合物层，所述压电层设置在所述第一高分子聚合物层上；

所述第二摩擦单元还包括第二高分子聚合物层，所述第二高分子聚合物层朝向所述压电层；

所述中间高分子聚合物层至少一部分表面与所述第二高分子聚合物层形成摩擦界面。

可选地，所述第一摩擦单元还包括第一高分子聚合物层，所述压电层设置在所述第一高分子聚合物层上；

所述中间高分子聚合物层与所述第二电极层形成摩擦界面。

可选地，所述多个压电元件选自压电薄膜和/或压电陶瓷；

所述压电薄膜选自聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯中的一种或多种；

所述压电陶瓷选自钛酸钡陶瓷，锆钛酸铅陶瓷中的一种或多种。

可选地，所述多个压电元件的横截面为正方形，长方形，圆形或以上组合。

可选地，所述中间高分子聚合物层与所述第一摩擦单元和/或与所述第二摩擦单元形成摩擦界面的表面部分上设置有微纳结构。

根据本实用新型的摩擦电和压电复合传感器，在摩擦发电机结构中添加了包含阵列结构的多个小型压电元件的复合层，这种结构的传感器在压力作用下形变，复合层与至少一侧的聚合物层或电极层产生摩擦，同时，压力还能够传递到压电元件上使其形变并产生电荷，摩擦产生的电荷和压电效应产生的电荷在公共的电极上感应出电荷，向外输出电信号。由于继承了摩擦发电机和压电元件的发电优点，这种结构的传感器不仅能够获取较高的输出电压，还能够获取较高的输出电流。

附图说明

图1a示出了本实用新型一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图；

图1b示出了摩擦电和压电复合传感器的俯视结构示意图；

图2示出了本实用新型另一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图；

图3示出了本实用新型另一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图；

图4a示出了本实用新型另一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图；

图4b示出了本实用新型的一种四层结构的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图；

图4c示出了本实用新型的一种三层结构的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图。

具体实施方式

为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本实用新型做详细说明，但本实用新型并不仅仅限于此。

本实用新型提供了一种摩擦电和压电复合传感器，该复合传感器整合了摩擦发电机和压电元件，具体地，传感器包括：

依次层叠设置的第一摩擦单元，压电层和第二摩擦单元；其中，压电层为复合结构，包括：中间高分子聚合物层和阵列结构的多个压电元件。

其中，中间高分子聚合物层与其两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元共同形成传感器的摩擦发电部分。摩擦发电部分可参考现有技术中的摩擦发电机，选用三层，四层或五层结构的摩擦发电机。

中间高分子聚合物层和多个压电元件可以有多种结合方式，例如，覆盖、镶嵌、贴合等，但应使中间高分子聚合物层的至少一部分表面与第一、第二摩擦单元中的至少一个形成摩擦界面，并使压力或震动能够有效地传递至压电元件上，使压电元件通过拉伸、变形、震动而产生电荷，分别通过摩擦发电和压电效应在两侧的第一电极层和第二电极层产生电信号。

下面通过几个具体的实施例说明本实用新型的摩擦电和压电复合传感器的具体结构和工作过程。

图1a示出了本实用新型一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图，如图1a所示，摩擦电和压电复合传感器包括：依次层叠设置的第一摩擦单元110，其中第一摩擦单元110进一步包括第一电极层1101和第一高分子聚合物层1102；压电层130；以及第二摩擦单元120，其中第二摩擦单元120进一步包括第二电极层1201和第二高分子聚合物层1202；压电层130包括中间高分子聚合物层1301和设置在中间高分子聚合物层1301中的多个压电元件1302，多个压电元件1302形成阵列结构。

由于压电元件1302设置在中间高分子聚合物层1301中，则中间高分子聚合物层1301的上表面整体地与第二高分子聚合物层1202形成摩擦界面。当然，也可以选择使中间高分子聚合物层同时与两侧的第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层形成摩擦界面，此处不做限定，本领域可以根据需要进行选择。

上述的摩擦电和压电复合传感器通过摩擦发电和压电效应两种方式在第一电极层1101和第二电极层1201中感应出电荷，向外部输出电压和电流信号。具体地，图1a示出的是非工作状态下的传感器各层结构，如图1a所示，中间高分子聚合物层1301与第二高分子聚合物层1202分离，而多个压电元件1302设置在中间高分子聚合物层1301的内部。这种复合传感器的摩擦发电的原理与现有的摩擦发电机相同，在复合传感器受压力或发生震动时，各层结构随之产生形变，中间高分子聚合物层1301与第二高分子聚合物层1202接触、摩擦，产生异种电荷，在第一电极层1101和第二电极层1201感应出电荷，中间高分子聚合物层1301和第二高分子聚合物层1202不断的接触，分离，重复上述过程向外电路产生交流电信号。

另一方面，在压力或震动下，中间高分子聚合物层1301形变，则设置在其中的多个压电元件1302也会因形变而发生弯曲、拉伸或震动，从而在压电元件1302两侧表面上产生电荷。本实用新型采用阵列结构的压电元件，这能够降低压电元件与中间高分子聚合物层结合时对中间高分子聚合物层形变能力等机械特性的影响，从而保证复合传感器整体对振动、压力的敏感性，当然，本领域技术人员也可以根据需要将压电元件1302无规则的设置在中间高分子聚合物层1301中，此处不做限定。

压电元件可以选择压电薄膜、压电陶瓷或两者的组合，其中，压电薄膜可选自聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯中的一种或多种，与压电陶瓷相比，压电薄膜厚度较小，密度低，形状易于加工，并且具有较高的柔性，设置在中间高分子聚合物层中时，对中间高分子聚合物层本身的机械特性，形变能力等影响较小。因此，采用压电薄膜的复合传感器的整体厚度也较小，更加轻薄。传感器受到压力时，压电薄膜随中间高分子聚合物层的形变产生拉伸，弯曲，而在压电薄膜的两端产生电荷。压电陶瓷可选自BaTiO₃(钛酸钡陶瓷)，PZT(锆钛酸铅陶瓷)中的一种或多种。

压电元件可以通过多种方式设置在中间高分子聚合物层内部。例如，中间高分子聚合物可以是PDMS(聚二甲基硅氧烷)等液态高分子聚合物，则压电层由覆盖多个压电元件的液态高分子聚合物固化后形成。具体地，可将液态PDMS旋涂在已制作有阵列结构的压电元件的第一高分子聚合物层上，覆盖压电元件，然后进行固化处理，得到压电层。或者，制作独立的PDMS层，例如，在放置有压电元件的硅片表面旋涂液态PDMS，固化后取下，与第一高分子聚合物层键合。

第一电极层、第二电极层以及第一高分子聚合物层和第二高分子聚合物层材质和制作方式可参照现有的摩擦发电机，例如，第一、第二高分子聚合物层可以是PET，PVC等聚合物，第一、第二电极层可以是金属电极，分别与第一、第二高分子聚合物层贴合，或以蒸发、溅射方式制作在第一、第二高分子聚合物层表面。当然，第一、第二电极层也可以选用ITO，石墨烯等材质。

为进一步提高传感器中摩擦发电部分的发电效率，进而提高传感器的灵敏度，还可以在中间高分子聚合物表面设置微纳结构。

图1b示出了上述实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的俯视结构示意图，图1b中，多个压电元件横截面为圆形。实际中，压电元件的横截面的形状还可以是正方形，长方形或多种不同形状的组合，此处不做限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择。

本实施例提供的摩擦电和压电复合传感器整合了摩擦发电机和压电元件，不仅能够获取较高的输出电压，还能够获取较高的输出电流。

图2示出了本实用新型另一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图，如图2所示，压电元件2302同样设置在中间高分子聚合物层2301中，形成压电层230。第一摩擦单元210包括第一电极层2101和第一高分子聚合物层2102，第二摩擦单元220包括第二电极层2201和第二高分子聚合物层2202。压电层230的第一表面设置在第一高分子聚合物层2102上，另一表面朝向第二高分子聚合物层2202并与第二高分子聚合物层2202分离，压力作用下相互接触摩擦。

该实施例中采用镶嵌的方式将压电元件2302设置在中间高分子聚合物层2301中。具体地，根据制作的压电元件2302的形状、尺寸和预设的分布方式，在中间高分子聚合物层2301上预留出与压电元件2302位置、大小相适应的空腔，然后将多个压电元件2302镶嵌在空腔中。

该实施例中，中间高分子聚合物层2301应选用非液态的聚合物，如PTFE(聚四氟乙烯)薄膜或Kapton(聚酰亚胺)薄膜等。

在图2示出的摩擦电和压电复合传感器中，空腔穿通中间高分子聚合物层2301，并且中间高分子聚合物层2301的厚度与压电元件2302相同，中间高分子聚合层2302的空腔以外的表面与第二高分子聚合物层2202形成摩擦界面。实际中，也可以在中间高分子聚合物层2301中制作半穿通的空腔，而形成如图1a所示的结构，这时，中间高分子聚合物层2301的上表面整体地与第二高分子聚合物层2202的上表面形成摩擦界面。

该实施例中，第一、第二电极层以及第一、第二高分子聚合物层选取可参照上一实施例，此处不再赘述。类似地，压电元件也可以是压电薄膜和/或压电陶瓷。由于本实施例中采用镶嵌的方式将压电元件与中间高分子聚合物层整合，尤其适合于使用压电陶瓷作为压电元件。

与上一实施例类似地，还可以在中间高分子聚合物层形成摩擦界面的部分设置微纳结构。

图3示出了本实用新型另一个实施例提供的摩擦电和压电复合传感器的剖面结构示意图。在该实施例中，压电层330中的中间高分子聚合物层3301和多个压电元件3302为层叠结构。第一摩擦单元310包括第一电极层3101和第一高分子聚合物层3102；第二摩擦单元320包括第二电极层3201和第二高分子聚合物层3202。多个压电元件3302设置在中间高分子聚合物层3301朝向第二高分子聚合物层3202的表面上，中间高分子聚合物层3301未被多个压电元件3302覆盖的部分与第二高分子聚合物层3202形成摩擦界面。层叠结构可通过多种方式形成，例如将压电元件3302按阵列结构与中间高分子聚合物3301层贴合。

这种层叠结构的复合传感器中，压电元件支撑第二高分子聚合物层，能够起到隔离摩擦界面的作用，一方面避免摩擦界面直接接触而导致的信号错误输出。另一方面，与前述实施例中的复合传感器相比，传感器表面受到按压时，压电元件能够直接受到第二高分子聚合物层传递的压力，更加敏感。

另外，由于摩擦界面被压电元件分离，与前述实施例相比，应对压电元件的尺寸、高度和分布作出调整，使用尺寸、高度较小的压电元件，以尽可能减小对摩擦界面接触面积的影响，避免摩擦发电部分对压力、震动的灵敏度降低。

本实施例中，还可以在中间高分子聚合物层未被压电元件覆盖的部分设置微纳结构。

上文中以五层结构(第一、第二电极层，第一、第二高分子聚合物层以及中间高分子聚合物层)的摩擦发电方式为例，介绍了复合传感器的结构和工作过程。图4a-图4c中示出了另外几种具有不同层状结构的复合传感器。

图4a中，摩擦电和压电复合传感器结构整体上与图2对应实施例类似，区别在于，压电层430a整体上与第一高分子聚合物层4102a和第二高分子聚合物层4202a分离，在两侧同时形成摩擦界面。

图4b中示出了一种四层结构的摩擦电和压电复合传感器。图4b中，第一摩擦单元410b包括第一电极层4101a和第一高分子聚合物层4102b，而第二摩擦单元只包括了第二电极层420b，压电层430b中，中间高分子聚合物层4301b除空腔4302b以外的部分与第二电极层420b形成摩擦界面。

图4c中示出了一种三层结构的摩擦电和压电复合传感器，图4c中，第一摩擦单元仅包括第一电极层410c，第二摩擦单元仅包括第二电极层420c。压电层430c中，中间高分子聚合物层4301c除空腔4302c以外的部分与第一电极层410c和/或第二电极层420c形成摩擦界面。

另外，图4a至图4c仅以压电层为层叠结构进行说明，本领域技术人员也可以将其替换成图1a或图3所示的压电层为单层结构，此处不做限定。

对图1a或图3中所示结构的摩擦电和压电复合传感器也可以使用三层、四层的摩擦发电结构，例如，在图3中，不设置第二高分子聚合物层3202而使中间高分子聚合物层3301直接与第二电极3201形成摩擦界面等，此处不再一一列举。

另外，摩擦发电机和压电元件的输出都是交流信号，其是通过同一电极输出电流，为避免出现输出相互抵消的情况，需要调整二者输出一致，即压电材料的极化方向和摩擦电材料的易带正负电性方向一致。这样可保证在受力时，在同一电极上，由摩擦发电机和压电元件输出的电荷极性相同，起到增强电信号的作用。

本实用新型上述实施例提供的摩擦电和压电复合传感器，在摩擦发电机结构中添加了结合有阵列形式的多个小型压电元件的复合层，这种结构的传感器在压力作用下形变，复合层能够与至少一侧的聚合物层或电极层产生摩擦，同时，压力还能够传递到压电元件上使其拉伸、形变或震动从而产生电荷，摩擦电荷和压电电荷在公共电极产生感应电荷，向外输出电信号。由于继承了摩擦发电机和压电元件的发电优点，这种结构的传感器不仅能够获取较高的输出电压，还能够获取较高的输出电流。

本领域技术人员应该理解，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一摩擦单元，压电层和第二摩擦单元；

所述压电层包括中间高分子聚合物层和阵列结构的多个压电元件；

所述中间高分子聚合物层的至少一部分表面与所述第一摩擦单元和/或与所述第二摩擦单元形成摩擦界面；

所述第一摩擦单元包括第一电极层，所述第二摩擦单元包括第二电极层；

所述第一电极层和所述第二电极层是所述摩擦电和压电复合传感器的输出电极。

2.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述压电层为单层结构，所述多个压电元件设置在所述中间高分子聚合物层内部。

3.根据权利要求2所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述中间高分子聚合物层的材质为液态高分子聚合物，所述压电层由所述中间高分子聚合物层包覆多个压电元件固化形成。

4.根据权利要求2所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述中间高分子聚合物层上具有与所述多个压电元件相适应的多个空腔；

所述多个压电元件镶嵌在所述多个空腔中；

所述中间高分子聚合物层的空腔以外的表面与所述第一摩擦单元和/或与所述第二摩擦单元形成摩擦界面。

5.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述中间高分子聚合物层和所述多个压电元件为层叠结构，所述多个压电元件设置在所述中间高分子聚合物层朝向所述第一摩擦单元和/或第二摩擦单元的表面上；

所述中间高分子聚合物层未被所述多个压电元件覆盖的部分与所述第一摩擦单元和/或第二摩擦单元形成摩擦界面。

6.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述中间高分子聚合物层至少一部分表面与所述第二电极层和/或第一电极层形成摩擦界面。

7.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述第一摩擦单元还包括第一高分子聚合物层，所述压电层设置在所述第一高分子聚合物层上；

所述第二摩擦单元还包括第二高分子聚合物层，所述第二高分子聚合物层朝向所述压电层；

所述中间高分子聚合物层至少一部分表面与所述第二高分子聚合物层形成摩擦界面。

8.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述第一摩擦单元还包括第一高分子聚合物层，所述压电层设置在所述第一高分子聚合物层上；

所述中间高分子聚合物层与所述第二电极层形成摩擦界面。

9.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述多个压电元件选自压电薄膜和/或压电陶瓷；

所述压电薄膜选自聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯中的一种或多种；

所述压电陶瓷选自钛酸钡陶瓷，锆钛酸铅陶瓷中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述多个压电元件的横截面为正方形，长方形，圆形或以上组合。

11.根据权利要求1所述的摩擦电和压电复合传感器，其特征在于，所述中间高分子聚合物层与所述第一摩擦单元和/或与所述第二摩擦单元形成摩擦界面的表面部分上设置有微纳结构。