一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法技术

本发明专利技术公开了一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法。该包括上下两个拱形结构；上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；硅油和硅油纸构成摩擦电对，同时硅油纸起到支撑结构的作用，导电铜箔胶用作导电电极。纸张具有一定的亲水性，但作为摩擦纳米发电机的组成部分，其输出信号还不足以明显的反应湿度变化，通过在纸张上添加氯化锂来增加纸张的亲水性，从而使得摩擦纳米发电机的输出信号更好的来反应湿度变化。基于摩擦纳米发电机的湿度传感器具有重量轻，体积小，稳定性好，制作简单，成本低等特点，该发明专利技术为实现自供电湿度传感系统提供了一种有潜力的解决方案。

A humidity sensor based on friction nano-generator and its method

The invention discloses a humidity sensor based on friction nano-generator and a method thereof. The upper arch structure consists of conductive copper foil, bottom paper and silicone oil layer arranged from top to bottom, and the lower arch structure includes conductive copper foil, silicone oil layer and bottom paper arranged from bottom to top. Silicone oil and silicone oil paper constitute friction and electricity pairs, while silicone oil paper acts as supporting structure and conductive copper foil gel acts as conductive electrode. Paper has a certain hydrophilicity, but as a part of friction nano-generator, its output signal is not enough to respond to the obvious change of humidity. By adding lithium chloride to the paper to increase the hydrophilicity of paper, the output signal of friction nano-generator can better reflect the change of humidity. The humidity sensor based on friction nano-generator has the characteristics of light weight, small volume, good stability, simple fabrication and low cost. The invention provides a potential solution for self-powered humidity sensor system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法
本专利技术涉及一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器。该湿度传感器可用于测量环境湿度，可广泛的应用于农业、电子工业、仓储和医疗等。研专利技术为实现自供电湿度传感系统提供了一种有潜力的解决方案。属于纳米能源领域。
技术介绍
近几年来，随着工业物联网，环境监测和智能社区的发展，湿度传感器在无线传感器网络，电气设备，食品安全，环境保护等诸多领域发挥着越来越重要的作用。传感器的连续运行仍然依赖于传统的电力，但随之而来的是，一些关键的环境问题越来越突出，特别是与人类生活密切相关的城市环境的恶化。同时，这些传感器通常分布在难以供应能量的硬环境中。为了对抗这些，人们开始研究可以从环境中获取能量并转化为电能的方法。值得一提的是，环境“能量”是无限的。从环境中获取能量以便为便携式设备或传感器网络节点供电可以有效地解决由当前电池供电引起的一系列问题。因此，有必要找到一种方法，通过清除环境中的能量，可以使传感器开始为自己供电。幸运的是，摩擦纳米发电机(TENG)已经发展成为新时代的新型能量收集技术，并广泛影响了传感器网络，智能机器人和物联网等其他领域的发展。到目前为止，TENG可用于从我们的环境中获取多种机械能，如人体运动，风，振动和海浪。然而，TENG的成本效率仍然相对较高，尤其是复杂结构的设计，表面纹理的复杂制造工艺以及特定工艺的昂贵设备。这限制了TENG的大规模生产和应用。直到2017年，提出了一种纸张TENG，它是用石墨铅笔涂在石墨层上形成的，并用作导电电极。它为低成本TENG的快速制造实践提供了新的思路和方法。同时，总结了摩擦纳米发电机的基础理论研究，包括其控制方程，等效电路模型和仿真方法。并且TENG具有高输出电压和低电流的特性，这可归因于大的内阻。然而，尚未研究影响内阻的因素。此外，TENG还被证明可以为各种电子设备供电，包括微悬臂梁，温度传感器和湿度传感器。但是，基于大量节点的分布式协作努力，难以提供足够的功率来维持传感器网络的连续操作。为了解决这个问题，需要将TENG设计为自供电传感器，以实现能量供应系统和传感系统的集成。
技术实现思路
本文提出了一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法。本专利技术所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，包括上下两个拱形结构；所述的两个拱形结构凹面相对设置，两端相互粘接；上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，所述的下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；上拱形结构的硅油层和下拱形结构的底纸相对设置构成摩擦电对；上下拱形结构的导电铜箔构成导电电极；所述的下拱形结构的底纸凹面上设置有氯化锂颗粒；当上下两个拱形结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且上下两个导电铜箔的位置正好相对应。优选的，所述的摩擦电对和导电铜箔来源于同一卷导电铜箔胶带；所述的导电铜箔胶带包括导电铜箔和硅油纸；硅油纸包括基纸层和硅油层；以硅油纸的基纸层作为摩擦电对的底纸，硅油纸的硅油层作为摩擦电对的硅油层。优选的，每平方厘米底纸凹面上含氯化锂颗粒1-2mg。本专利技术所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器其工作原理采用的是垂直分离模型中的“电介质材料-电介质材料”模式。所述的导电电极采用的是导电铜箔胶带，该导电胶带具有很好的导电性和柔性，适合于各种复杂环境。构成摩擦电对的底纸和硅油两种材料都具有很好的耐磨性和柔性，适合复杂环境下使用。底纸作为支撑结构具有很好的韧性和柔性。进一步的，所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器还包括振动器和示波器；所述的振动器设置在上拱形结构上部，所述的示波器与导电铜箔相连。本专利技术还公开了一种所述湿度传感器的制作方法，包括以下步骤：1)将导电铜箔胶带剪成设定尺寸的2片基材；2)将其中一片基材的导电铜箔揭下来露出硅油，将揭下来的导电铜箔贴在该片基材的底纸表面；3)在另外一片基材的底纸表面喷涂质量百分比浓度为30％的氯化锂溶液，然后用电吹风将其吹干；4)将两片基材折成拱形结构，使得其中一片的硅油正对另一片的底纸，两端粘起来形成湿度传感器结构。本专利技术还公开了一种所述的湿度传感器的湿度测量方法，包括以下步骤：1)将制作好的湿度传感器放在振动器下方；2)调整振动器的振幅和振动频率，使其在一定频率和振幅下工作；且振动过程中，上下两个拱形结构能被压缩完全；3)将湿度传感器的正负极直接与示波器或LED连接；4)使湿度传感器在不同的湿度环境下工作，通过测量其输出电压信号或LED亮度值来反应环境的湿度变化。本专利技术所具有的优点：(1)制作该摩擦纳米发电机的材料低廉，全部材料均来自于一卷导电铜箔胶带；(2)该摩擦纳米发电机制作简单，没有复杂的加工工艺；(3)基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，在收集机械能的同时，还可以用来测量湿度变化；(4)具有很高的可靠性，多次按压后，电学性能依然稳定；(5)通过实验测试，湿度传感器具有良好的湿度响应，响应线性，可逆性。(6)将制作的湿度传感器与LED灯珠连接，相对湿度可以由LED的亮度来反映。附图说明图1是一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器结构示意图；图2是在不同湿度条件下，测量的输出电压信号的数据图。具体实施方式下面结合附图和实施例对专利技术进一步说明。众所周知，导电铜箔带是一种常见的商业材料，由三部分组成，包括铜箔，底纸和硅油。底纸和硅油形成摩擦电对，铜箔用作导电电极。同时，由于其良好的可持续性和灵活性，底纸起着支撑作用的作用。参阅图1，为本专利技术所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，包括上下两个拱形结构；所述的两个拱形结构凹面相对设置，两端相互粘接；上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，所述的下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；上拱形结构的硅油层和下拱形结构的底纸相对设置构成摩擦电对；上下拱形结构的导电铜箔构成导电电极；所述的下拱形结构的底纸凹面上设置有氯化锂颗粒；当上下两个拱形结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且上下两个导电铜箔的位置正好相对应。本实施例所述湿度传感器的制作方法，包括以下步骤：1)将导电铜箔胶带剪成尺寸为2cm*3cm的2片基材；2)将其中一片基材的导电铜箔揭下来露出硅油，将揭下来的导电铜箔贴在该片基材的底纸表面；3)在另外一片基材的底纸表面喷涂质量百分比浓度为30％的氯化锂溶液，然后用电吹风将其吹干；4)将两片基材折成拱形结构，使得其中一片的硅油正对另一片的底纸，两端粘起来形成湿度传感器结构。湿度传感器的湿度测量方法(也即发电方法)如下：1)将制作好的湿度传感器放在振动器下方；2)调整振动器的振幅和振动频率，使其在一定频率和振幅下工作；且振动过程中，上下两个拱形结构能被压缩完全；3)将湿度传感器的正负极直接与示波器或LED连接；4)使湿度传感器在不同的湿度环境下工作，通过测量其输出电压信号或LED亮度值来反应环境的湿度变化。图2为本专利技术的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，在不同湿度环境测量的输出电压信号能够反映湿度的变化；通过实验测试，湿度传感器具有良好的湿度响应，响应线性，可逆性。同时，相对湿度也可以由湿度传感器驱动的LED的亮度反映。经过实验测试，摩擦纳米发电机的输出功率密度在约5Hz的频率下通过手指按压可以达220.8μW/cm2，这被认为足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，其特征在于包括上下两个拱形结构；所述的两个拱形结构凹面相对设置，两端相互粘接；上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，所述的下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；上拱形结构的硅油层和下拱形结构的底纸相对设置构成摩擦电对；上下拱形结构的导电铜箔构成导电电极；所述的下拱形结构的底纸凹面上设置有氯化锂颗粒；当上下两个拱形结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且上下两个导电铜箔的位置正好相对应。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，其特征在于包括上下两个拱形结构；所述的两个拱形结构凹面相对设置，两端相互粘接；上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，所述的下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；上拱形结构的硅油层和下拱形结构的底纸相对设置构成摩擦电对；上下拱形结构的导电铜箔构成导电电极；所述的下拱形结构的底纸凹面上设置有氯化锂颗粒；当上下两个拱形结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且上下两个导电铜箔的位置正好相对应。2.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，其特征在于，所述的摩擦电对和导电铜箔来源于同一卷导电铜箔胶带；所述的导电铜箔胶带包括导电铜箔和硅油纸；硅油纸包括基纸层和硅油层；以硅油纸的基纸层作为摩擦电对的底纸，硅油纸的硅油层作为摩擦电对的硅油层。3.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，其特征在于每平方厘米底纸凹面上含氯化锂颗粒1-2mg。4.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，其特征在于还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏克泉，朱智源，徐志伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33