基于摩擦电的压力传感器制造技术

本发明专利技术涉及传感领域，公开了一种基于摩擦电的压力传感器。其中，该压力传感器包括：发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。通过本发明专利技术上述的压力传感器，无需外加电源就可以对压力进行检测，实现压力传感器的自驱动。

Pressure sensor based on friction electric

The invention relates to the field of sensor, and discloses a pressure sensor based on friction electric. Among them, the pressure sensor comprises a generator, the generator generates deformation under pressure, and based on the deformation and output signal; an external circuit connected with the generator for detecting electrical signals from the output of the generator, and according to the signal detected by the determination of the size or the size of the deformation pressure. Through the pressure sensor of the invention, the pressure can be detected without an external power supply, so as to realize the self driving of the pressure sensor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感领域，具体地，涉及一种基于摩擦电的压力传感器。
技术介绍
信息技术是现代社会发展的主要驱动力，而信息的收集和交换主要依赖于各种具有不同功能的传感器。将单独的传感器件集成来创建大尺度的传感器网络和系统对于物联网的实现是至关重要的。这些数量巨大且遍布世界各个角落的微型传感器件的驱动主要依赖于电池，然而电池面临着使用寿命、回收再利用、环境污染等诸多问题。另外，传感器节点经常是植入型的，需要无线操作，所以能够独立地、可持续地、免维护地工作是非常重要的。因此，这些传感器节点的供电不能再简单地由电池来提供，因为传感器网络中传感器数量巨大且位置很难追踪，由此将导致替换个别传感器的电池是非常繁琐甚至是不可能完成的任务，并且大量的废弃电池将对人类健康造成很大的伤害。因此，发展微纳尺度的能源技术从周围环境中自行收集能量，并以此实现传感器的自驱动是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于摩擦电的压力传感器，以解决上述现有技术中的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于摩擦电的压力传感器，其中，该压力传感器包括：发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。通过上述技术方案，在需要检测压力的位置设置本专利技术上述的压力传感器，该压力传感器中的发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号，该压力传感器中的外部电路与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。由此，无需外加电源就可以对压力进行检测，实现压力传感器的自驱动。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是根据本专利技术一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的方框图；图2是根据本专利技术一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的横截面示意图；图3是根据本专利技术一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的开路电压峰值与压力的关系曲线图；图4是根据本专利技术一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的开路电压峰值与形变深度的关系曲线图；以及图5是根据本专利技术一种实施方式的凸起阵列结构层的制造方法的示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本发明。图1是根据本专利技术一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的方框图。如图1所示，本专利技术一种实施方式提供的基于摩擦电的压力传感器包括：发电机10，该发电机10在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路20，与所述发电机10连接，用于检测所述发电机10输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。通过在需要检测压力的位置设置本专利技术上述的压力传感器，该压力传感器中的发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号，该压力传感器中的外部电路与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。由此，无需外加电源就可以对压力进行检测，实现压力传感器的自驱动。图2是根据本专利技术一种实施方式的基于摩擦电的压力传感器的横截面示意图。如图2所示，所述发电机10包括第一支撑层1、第二支撑层2、第一摩擦层4、第一电极层5和凸起阵列结构层3，其中，所述第一电极层5设置在所述第一摩擦层4和所述第一支撑层1之间；所述凸起阵列结构层3设置在所述第二支撑层2上，所述凸起阵列结构层3的凸起部与所述第一摩擦层4接触；其中，在没有压力作用时所述凸起阵列结构层3的凸起部保持原始状态；在存在压力作用时所述凸起阵列结构层3的凸起部发生形变且与所述第一摩擦层的接触面积发生变化，并通过所述第一电极层4和所述凸起阵列结构层3输出所述电信号。其中，所述第一电极层4和所述凸起阵列结构层3与所述外部电路20连接。在该实施方式中，凸起阵列结构层3既充当了摩擦层也充当了电极层。其中，第一摩擦层4与凸起阵列结构层3之间的接触面积取决于所施加的压力，所施加的压力越大，二者之间的接触面积越大，反之则越小。其中，在没有外部压力施加的情况下，凸起阵列结构层3的凸起部保持原始状态，此时不存在电荷的转移，也没有电势差；而在施加外部压力的情况下，凸起阵列结构层3的凸起部发生形变，凸起部与第一摩擦层4之间的接触面积相比于凸起部处于原始状态增大，此时，凸起阵列结构层3的表面产生正电荷，而第一摩擦层4的表面产生负电荷，但整个体系仍处于静电平衡状态。在所施加的压力得以释放后，凸起部将自行恢复至原始状态，与第一摩擦层4之间的接触面积逐渐变小。也就是，在施加压力到释放压力的过程中，凸起部与第一摩擦层4之间的接触面积从小变到大又从大变到小，通过二者的接触分离过程产生了周期性的电信号。在本专利技术的所有实施例中，凸起阵列结构层3的凸起部与所述第一摩擦层4互相接触的表面的材料具有不同的得失电子能力。可以均为绝缘体或者一者为绝缘体，另一者为导体。由于本专利技术提供的压力传感器的第一摩擦层4与凸起阵列结构层3之间仅仅是在不同压力作用下二者的接触面积会有所不同，二者之间不会出现间隔，所以这种无间隔的接触能够实现压力传感器的全封装，为微纳电子器件的集成节省了较大的空间。并且，全封装后的压力传感器更适于在灰尘、潮湿等恶劣环境中工作。根据本专利技术一种实施方式，所述凸起阵列结构层3可以包括第二电极层和第二摩擦层，所述第二电极层为平坦结构，而所述第二摩擦层为凸起阵列结构，且所述第二电极层位于所述第二摩擦层和所述第二支撑层2之间，即所述第二摩擦层与所述第一摩擦层4接触。在这种情况下，通过第一电极层5和第二电极层输出电信号至外部电路20。其中，所述第一电极层5和所述第二电极层可以均为任意导电材料，例如金属材料、ITO、有机物导体等。例如，所述金属材料可以为以下中的一者：铜、铝和金，优选为铜。所述第一摩擦层4和所述第二摩擦层可以均为高分子材料。可替换地，第一摩擦层4也可以为导电材料(金属材料、ITO或有机物导体)，例如使用第一电极层5的材料作为第一摩擦层4的材料(即，采用与第一电极层5相同的导电材料)，而第二摩擦层为高分子材料。对于所述第一摩擦层4和所述第二摩擦层均为高分子材料的情况，所述第一摩擦层4可以为任意的柔性高分子材料，也可以为任意的硬性高分子材料；而第二摩擦层可以为柔性高分子材料。例如，第一摩擦层4的材料可以选用电负性较好的材料，以提高表面电荷密度，如含氟类材料：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)，优选采用聚四氟乙烯。第二摩擦层可以选用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、聚异戊二烯橡胶或聚丁二烯橡胶等等，优选采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。对于第二摩擦层，除了上述列举的材料，还可以使用其他的材料，只要能够保证第二摩擦层的柔性和弹性(即在外力的作用下能够产生变形并在压力释放后能够自行恢复)即可。对于具有凸起阵列结构的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于摩擦电的压力传感器，其中，该压力传感器包括：发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦电的压力传感器，其中，该压力传感器包括：发电机，该发电机在压力的作用下产生形变，并基于该形变产生并输出电信号；外部电路，与所述发电机连接，用于检测所述发电机输出的电信号，并根据所检测到的电信号确定压力的大小或形变的大小。2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述发电机包括第一摩擦层、第一电极层和凸起阵列结构层，其中，所述第一电极层设置在所述第一摩擦层上；所述凸起阵列结构层的凸起部与所述第一摩擦层接触，互相接触的表面的材料具有不同的得失电子能力；其中，在没有压力作用时所述凸起阵列结构层的凸起部保持原始状态；在存在压力作用时所述凸起阵列结构层的凸起部发生形变且与所述第一摩擦层的接触面积发生变化，并通过所述第一电极层和所述凸起阵列结构层输出所述电信号。3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，所述凸起阵列结构层包括第二电极层和第二摩擦层，所述第二电极层为平坦结构，而所述第二摩擦层为凸起阵列结构，所述第二摩擦层与所述第一摩擦层接触。4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述第一电极层和所述第二电极层为金属材料、ITO或有机物导体。5.根据权利要求3或4所述的压力传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，蒋涛，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11