摩擦纳米发电机、微力学传感器和传感系统

摘要

本发明提供了一种摩擦纳米发电机，包括第一发电层、第二发电层以及封装层，第一发电层包括：第一基底材料层、设置在第一基底材料层的第一表面上的第一电极层、设置在第一基底材料层第二表面上的第一聚合物纳米结构层；第二发电层包括：第二基底材料层、设置在第二基底材料层的第一表面上的第二聚合物纳米结构层、设置在第二聚合物纳米结构层上的第二电极层，第二电极层与第一聚合物纳米结构层面对面设置；封装层用于封装所述第一发电层和第二发电层。本发明还提供了一种基于摩擦纳米发电机的微力学传感器及包括多个微力学传感器的传感系统。本发明的微力学传感器能够实时、高精准地检测微弱力学信号，并且实现可穿戴式应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种摩擦纳米发电机、基于摩擦纳米发电机的微力学传感器和传感系统。

背景技术

目前，微力学传感器主要有应变式、压阻式和压电式三种模式。应变式是把力的变化转换成电阻值的变化进行测量，其电阻值随力所产生的应变而变化，这种传感器灵敏度较低。压阻式灵敏度较高，响应频率较好，但是性噪比不高，结构复杂，受温度影响较大。压电式是基于某些晶体材料的压电效应，但是这种传感器信号很弱而且输出阻抗很高，需要将微弱的信号经过电压放大或电荷放大，同时把高输出阻抗转换成低输出阻抗，这种传感器的缺陷是电荷容易泄露，受电场的干扰较大。

另外，目前所用微力学传感器都是由硬性材料与介质组成，无法与测试表面紧密的贴合，也因此无法做成可穿戴传感器。此外，对于常规的微力学传感器，测试脉搏时，不同位置的脉搏波形差异大，难以对比，导致无法精确计算脉搏波的传播速度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种摩擦纳米发电机和基于摩擦纳米发电机的微力学传感器，该微力学传感器能够实时、高精准地检测微弱力学信号，并且实现力学传感器的可穿戴式应用。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种摩擦纳米发电机，包括第一发电层、第二发电层以及封装层，第一发电层包括：第一基底材料层、第一电极层和第一聚合物纳米结构层，第一电极层设置在第一基底材料层的第一表面上，第一聚合物纳米结构层设置在第一基底材料层的第二表面上；第二发电层包括：第二基底材料层、第二聚合物纳米结构层和第二电极层，第二聚合物纳米结构层设置在第二基底材料层的第一表面上，第二电极层设置在第二聚合物纳米结构层上，第二电极层与第一聚合物纳米结构层面对面设置；封装层用于封装第一发电层和第二发电层。

根据本发明的另一个方面，提供了一种微力学传感器，包括摩擦纳米发电机、数据传输装置以及显示装置，摩擦纳米发电机用于测量力学信号，摩擦纳米发电机通过模数转换系统与数据传输装置连接，显示装置与数据传输装置连接，用于显示测量数据。

根据本发明的又一个方面，提供了一种传感系统，包括多个微力学传感器，分别放置在不同的传感部位。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的摩擦纳米发电机、基于这种摩擦纳米发电机的微力学传感器以及传感系统至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明的摩擦纳米发电机的两个摩擦层均为纳米级别，提高了两个发电层的表面电荷密度，提高了灵敏度和性噪比，并缩短了响应时间；基于这种摩擦纳米发电机的微力学传感器能够实时、高精准地检测微弱力学信号；

(2)本发明的微力学传感器由于是在柔性材料表面形成金属作为电极层，实现传感器的柔性化，可以良好地贴合于测试对象的表面，实现力学传感器的可穿戴式应用；

(3)基于封装后的柔性摩擦纳米发电机的微力学传感器能够准确收集不同部位的脉搏波信号，多个传感器配合形成的传感系统可以精确地计算脉搏波的传播速度；

(4)封装使微力学传感器收集的信号更稳定，不易受外界环境扰动的干扰，提高了性噪比，扩大了其适用范围，例如液体环境；

(5)本发明的微力学传感器可以对心血管和心脏部位的疾病起到预防和诊断的作用，实现无创伤监护技术；

(6)本发明的微力学传感器可以采用蓝牙发射接收装置，实现了无线传输与可视化分析。

附图说明

图1为本发明实施例封装型柔性摩擦纳米发电机的结构示意图。

图2为图1的摩擦纳米发电机的第一、第二发电层的结构示意图。

图3为图2中第一、第二发电层的纳米结构制备的示意图。

图4为本发明的摩擦纳米发电机与其它结构摩擦纳米发电机的灵敏度对比图。

图5为本发明实施例微力学传感器的组成示意图。

图6为本发明实施例的微力学传感器整合在其它器件上的示意图。

图7为利用本发明实施例的微力学传感器可测量部位的示意图。

图8为测量图7中四个不同部位的脉搏信号的曲线图。

【主要元件】

1-第一发电层；

11-第一柔性材料层；

12-第一电极层；

13-第一聚合物纳米结构层；

2-第二发电层；

21-第二柔性材料层；

22-第二聚合物纳米结构层；

23-第二电极层。

3-间隙层；

4-封装层；

具体实施方式

在对本发明进行介绍之前，首先对摩擦静电效应的摩擦纳米发电机的设计原理进行说明。摩擦纳米发电机是根据两个摩擦层的表面材料的摩擦电性质不同，二者之间存在得失电子能力的差异，当两个摩擦层接触时，易失电子的摩擦层材料失去电子，易得电子的摩擦层材料得到电子，使与两种摩擦层材料贴合的电极层对外输出电信号。当两个摩擦层之间的接触面积发生变化时，就会有电信号对外输出。

材料的摩擦电性质是指材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种材料相接触时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得失电子能力不同，亦即两者的摩擦电性质不同。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种封装型双层结构的摩擦纳米发电机(TENG)。图1为本发明实施例封装型摩擦纳米发电机的结构示意图。如图1所示，所述封装型摩擦纳米发电机包括第一发电层1、间隙层3、第二发电层2、和封装层4。第一发电层1与第二发电层2相对设置。

第一发电层包括：第一基底材料层、第一电极层和第一聚合物纳米结构层，第二发电层包括：第二基底材料层、第二电极层和第二聚合物纳米结构层。在本实施例中，第一基底材料层和第二基底材料层分别为第一柔性材料层和第二柔性材料层。图2为摩擦纳米发电机的第一、第二发电层的结构示意图。其中，第一发电层1包括第一柔性材料层11，在第一柔性材料层的第一表面设置第一电极层12，在第一柔性材料层11的第二表面设置第一聚合物纳米结构层13(作为第一摩擦层)。本实施例中，第一表面为第一柔性材料层的上表面，第二表面为第一柔性材料层的下表面。第二发电层2包括第二柔性材料层21，第二柔性材料层21的第一表面设置第二聚合物纳米结构层22，在第二聚合物纳米结构层22上设置第二电极层23(同时作为第二摩擦层)，第二电极层23与第一聚合物纳米结构层13面对面设置。

第一聚合物纳米结构层13、第二聚合物纳米结构层22采用的聚合物可以是聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等。本领域的技术人员应当明白，本实施例中的聚合物并不局限于此，只要是具有一定的得电子能力的聚合物即可。

第一柔性材料层11和第二柔性材料层21均可以为聚合物材料，为了方便在柔性材料层的表面设置聚合物纳米结构层，优选第一柔性材料层11与第一聚合物纳米结构层13的材料相同，第二柔性材料层21与第二聚合物纳米结构层22的材料相同，均为聚合物材料，第一柔性材料层11和第二柔性材料层21选择的聚合物可以相同也可以不同。聚合物纳米结构可以通过微纳加工技术设置在聚合物层的表面，可以采用的微纳加工技术有ICP刻蚀技术、光刻、模板法等。

本实施例中的摩擦纳米发电机采用的是第二电极层23与第一聚合物纳米结构层13始终互相接触不分离的模式。为了保证两层片状结构的发电层之间有少量的空气存在，即保证两层片状结构之间的接触面积是可变的，两层片状结构之间可以设置间隙层3，间隙层3设置在两层片状结构的发电层之间，尤其可以设置在两层片状结构的边缘，可以是厚度范围为500μm-2mm的固化的条形柔性材料，例如可以为1mm厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的垫片。

在其他实施例中，摩擦纳米发电机的第二电极层23与第一聚合物纳米结构层13(或者第一发电层和第二发电层)也可以在不受力时互相分离，受力作用时互相接触摩擦。

第一发电层1上设置的第一聚合物纳米结构层13，以及第二发电层2上设置的在第二聚合物纳米结构层22上的第二电极层23均为纳米结构，这种纳米结构的设计可以增加两个摩擦层在力作用下的有效接触面积，提高两个发电层的表面电荷密度，提高灵敏度和性噪比，并缩短响应时间。纳米结构优选为纳米线阵列或纳米柱阵列。

第一电极层和第二电极层由导电材料构成，电极层的材料可以相同也可以不同，优选为金属，例如铝、铁、银、铂、铜、金等。两个电极层引出两根导线连接至模数转换系统，然后与蓝牙传输系统连接传输至可视化设备上实现可视化显示分析。第二聚合物纳米结构层22上的第二电极层23采用金属时，可以称为纳米金属结构。

第一柔性材料层11和第二聚合物纳米结构层22均采用聚合物的情况，第一发电层1和第二发电层2中电极层与聚合物层紧密接触，优选的方式是通过磁控溅射或者蒸镀的方式将导电材料沉积在聚合物层的表面上。

在本实施例中，关于摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：在第一基底材料层的第二表面上和第二基底材料层的第一表面上形成(磁控溅射或蒸镀)金颗粒层；以第一基底材料层的第二表面上的金颗粒层为模板刻蚀出第一聚合物纳米结构层，以第二基底材料层的第一表面上的金颗粒层为模板刻蚀出第二聚合物纳米结构层；在第一基底材料层的第一表面上和第二基底材料层的第二聚合物纳米结构层表面上分别形成(磁控溅射或蒸镀)一层金属，得到第一发电层和第二发电层；对第一发电层和第二发电层进行封装，得到摩擦纳米发电机。

为了更加清楚地理解本发明，以下介绍本实施例中第一发电层1上设置的第一聚合物纳米结构层13，以及第二发电层2上设置的第二聚合物纳米结构层22的双层纳米结构的制备方法，如图3所示，该制备方法如下：

首先，准备第一聚合物薄膜(第一柔性材料层11)和第二聚合物薄膜(第二柔性材料层21)，如图3中(a)所示，均采用Kapton(聚酰亚胺胶)薄膜，清洗干净后，在第一聚合物薄膜的第二表面上和第二聚合物薄膜的第一表面上溅射金颗粒层，如图3中(b)所示；然后，利用ICP(电感耦合等离子体刻蚀)技术以金属金Au颗粒层为模板刻蚀出一层Kapton的纳米结构层，如图3中(c)所示；最后，在第一聚合物薄膜的第一表面上和第二聚合物薄膜的纳米结构表面分别磁控溅射约20min，溅射一层金属铜，如图3中(d)所示。纳米结构层可以为纳米线或纳米柱阵列，纳米线或纳米柱的高度可以为1-3微米，纳米线或纳米柱的横截面尺寸可以为100nm-500nm，纳米线或纳米柱的密度可以为每平方微米1-3个。其中，第一电极层和第二电极层的厚度范围可以为50～100nm。

将本实施例的纳米聚合物结构和纳米金属结构构成的双层纳米结构与现有的三种结构(纳米聚合物结构与平面金属结构摩擦、纳米金属结构与聚合物平面摩擦、平面金属结构与聚合物平面摩擦)进行对比发现，现有的这三种结构无论是在灵敏度上，还是在性噪比上，亦或在响应时间上，本发明的双层纳米结构摩擦纳米发电机都远大于这三种摩擦结构，如图4所示，为不同结构发电机的灵敏度测试结果比较。

为了使收集的信号更稳定，不易受外界环境扰动的干扰，提高性噪比，扩大其适用范围，例如可以在液体(如测试柔性管道表面的压力)或植入体内等环境下工作，本实施例中建议采用密封柔性结构将摩擦纳米发电机进行封装。密封柔性结构封装层可以为两层柔性材料形成。

封装层4由内向外依次包括聚四氟乙烯薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜，内层的聚四氟乙烯薄膜的厚度范围可以为0.01mm～0.05mm，外层的聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度范围可以为0.2～0.6mm。

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的微力学传感器。图5为本发明实施例微力学传感器的组成示意图。该微力学传感器包括：降噪装置供电电源、降噪装置、摩擦纳米发电机(TENG)、数据传输装置(蓝牙、ZigBee模块、或WIFI模块)和显示装置。显示装置可以是电脑、手机、APP显示屏等。

对于降噪装置供电电源，电压一般需要在3V以上，但是过大会使器件的体积变大，携带不便，所以3-6V为宜。降噪装置供电电源上接一个开关，测量时将其打开即可使用。降噪装置供电电源与降噪装置连接，降噪装置与摩擦纳米发电机连接。摩擦纳米发电机通过模数转换系统与数据传输装置连接；数据传输装置与显示装置连接，显示装置用于显示测量数据。

本发明的微力学传感器的核心部件是摩擦纳米发电机，封装后的摩擦纳米发电机即可用来测量声音、震动、呼吸、压力、脉搏等微弱力学信号。因此，上文中对摩擦纳米发电机各个部件的说明均适用于本实施例中的微力学传感器，此处不再赘述。

在本发明的微力学传感器中，由于发电层是在聚合物表面形成金属层作为电极层，使传感器实现柔性化，可以良好的贴合于测试对象的表面。也正是基于TENG的柔性这一特性，可以将TENG与降噪装置供电电源、降噪装置等整合在腕带或手表等柔性基底上，实现可穿戴测量(如图6所示)。以脉搏为例，将微力学传感器固定于腕带上，可以方便地测量各个部位的脉搏，如图7所示。

该微力学传感器不局限于桡动脉，比如图7中的各部位脉搏都可以进行测试，四个不同部位的脉搏信号如图8所示。另外此传感器也不仅仅局限于测试动脉，也可以用来测试静脉信号，如指脉等。另外，可以将多个微力学传感器组成传感系统，可以将多个微力学传感器放置在不同的传感部位同时进行测量，可用于测量脉搏传播速度。

人体脉搏信号中包含丰富的生理学信息，将不同人的脉搏信号经过时域或频域的分析作为大数据背景，找出这些信息与心脏、心血管疾病的对应关系，能够使佩戴者对上述疾病进行提前发现与预防，因此，该力学传感器通过测量人体脉搏信号，可以对心血管和心脏部位的疾病起到预防和诊断的作用，实现无创伤监护技术。

本发明的力学传感器制作简单、成本低，仅由两层片状结构组成，信号扰动较小，性噪比提高到40db，可以在某些领域替代其他力学传感器。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

间隙层可以用其他固体材料或者可以固化的材料来代替；

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。