摩擦纳米发电机、微力学传感器和传感系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
摩擦纳米发电机、微力学传感器和传感系统
本专利技术涉及一种传感器，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术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)技术方案根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的另一个方面，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。根据本专利技术的又一个方面，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，本专利技术的摩擦纳米发电机、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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术实施例微力学传感器的组成示意图。图6为本专利技术实施例的微力学传感器整合在其它器件上的示意图。图7为利用本专利技术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专利技术进行介绍之前，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。为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。在本专利技术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为本专利技术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，尤其可以设置在两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括第一发电层、第二发电层以及封装层，其中：所述第一发电层，包括：第一基底材料层，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；所述第二发电层，包括：第二基底材料层，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；所述第二电极层与所述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。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括第一发电层、第二发电层以及封装层，其中：所述第一发电层，包括：第一基底材料层，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；所述第二发电层，包括：第二基底材料层，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；所述第二电极层与所述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。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度为50～100nm。3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一基底材料层、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。4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括：间隙层，设置在第一发电层和第二发电层之间。5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述间隙层设置在两层片状结构的边缘，为固化的条形柔性材料，其厚度范围为500μm-2mm。6.根据权利要求1-5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一发电层和第二发电层始终互相接触；或者，所述第一发电层和第二发电层在不受力时互相分离，受力时互相接触。7.根据权利要求1-5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一聚合物纳米结构层和/或第二聚合物纳米结构层为纳米线或纳米柱阵列，纳米线或纳米柱的高度为1-3微米，横截面尺寸为100nm-500nm，密度为每平方微米1-3个。8.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一柔性材料层与第一聚合物纳米结构层的材料相同；第一聚合物纳米结构层通过微纳加工技术设置在所述第一柔性材料层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李舟，田静静，欧阳涵，
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