自供电压力振动传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种自供电压力振动传感器。该自供电压力振动传感器包括：第二摩擦层；形成于第二摩擦层背面的电极层；位于第二摩擦层的正面上方，外侧边缘与第二摩擦层的外侧边缘密封结合的第一摩擦层，其材料与第二摩擦层的材料位于摩擦电极序中的不同位置；支撑于第一摩擦层和第二摩擦层之间的至少一支撑体，其将第一摩擦层朝向远离第二摩擦层的方向顶出，使之形成保持预应力的鼓膜。本发明专利技术通过支撑椎体将第一摩擦层向外侧支撑，形成保持着一定预应力的紧张鼓膜，其与两摩擦层间的渐变空间，构成耳膜仿生结构，使传感器能够响应微弱的压力振动，具有高的灵敏度以及宽的频率响应范围。

【技术实现步骤摘要】
自供电压力振动传感器
本专利技术涉及纳米电子学
，尤其涉及一种基于耳膜仿生结构的自供电压力振动传感器。
技术介绍
可穿戴电子技术是将传感器、多媒体和无线通信等装置嵌入人们的衣着或佩戴在人体某部位上，通过获取人体生理和行为等信息，如人体肢体信息等，支持手势和眼动操作等多种交互方式，实现人体生理和行为的监测。可穿戴电子技术在运动健身、医疗看护、媒体娱乐、信息管理方面展现了广泛的应用前景。脉搏作为人体重要的生理信号，反应了人体心血管系统的健康状态，该脉搏信号通过血管和皮肤传播，在人体体表可以探测，但是信号已变得微弱。声音信号在语音交流、语音识别等方面具有重要作用，尤其是喉咙声，目前得到了广泛关注，这一声音同样可通过喉咙部的皮肤传播到表皮。这两类信号具有完全不同的特征，脉搏信号具有低的频率特性，通常低于1Hz，而声音信号是高频振动信号，人类声音主要频率范围高于200Hz。目前，大多数可穿戴电子设备的传感器中，获取脉搏信号或者语音信号主要采用光电、压电、静电和电磁等传感方式。然而，已有传感器均需要外界供电或装配电池，导致此类传感器体积较大或结构复杂。此外，在采用单一传感器情况下，传感功能单一，既通常只能传感脉搏信号或者语音信号其中之一，若需同时传感两类信号，需要额外配置相应的传感器。
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基于耳膜仿生结构的自供电压力振动传感器，以在实现自供电的前提下，能够同时测量脉搏信号和语音信号。(二)技术方案本专利技术自供电压力振动传感器包括：第二摩擦层2形成于第二摩擦层2背面的电极层3；位于第二摩擦层2的正面上方，外侧边缘与第二摩擦层2的外侧边缘密封结合的第一摩擦层1，其材料与第二摩擦层2的材料位于摩擦电极序中的不同位置；支撑于第一摩擦层1和第二摩擦层2之间的至少一支撑体，其将第一摩擦层1朝向远离第二摩擦层2的方向顶出，使之形成保持预应力的鼓膜。其中，外界振动波作用于保持预应力的鼓膜，第一摩擦层1和第二摩擦层2不断的接触和分离，产生接触电荷，该接触电荷由电极层3导出，形成与外界振动波相关的电信号。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术自供电压力振动传感器具有以下有益效果：(1)通过支撑椎体将第一摩擦层向外侧支撑，形成保持着一定预应力的紧张鼓膜，其与两摩擦层间的渐变空间，构成耳膜仿生结构，使传感器能够响应微弱的压力振动，具有高的灵敏度以及宽的频率响应范围；(2)两摩擦层通过摩擦实现了自供电，不需要配置电池或额外的供电线路，简化了传感器的自身构造；(3)摩擦层直接作为外界微小振动的负载层，振动直接作用到摩擦层上，不需要额外振动膜，减少不必要的振动损失，提高振动响应敏感度；(4)将纳米材料融合摩擦层上，利用纳米材料的优良机械和电特性，使器件具有高的振动到电能的转换效率；由于具有上述优点，本专利技术可将人体不同部位的低频脉搏振动，以及人说话时喉咙发声引起的高频振动转换为电能，从而同时实现自供电的脉搏及喉咙声振动传感，构建便携式、可穿戴式的医疗监测及喉咙发声记录及识别系统。附图说明图1为根据本专利技术第一实施例自供电压力振动传感器的结构示意图；图2为图1所示自供电压力振动传感器中第一摩擦层在外部压力振动驱使下变形前后的示意图；图3为根据本专利技术第二实施例自供电压力振动传感器的结构示意图。【主要元件】1-第一摩擦层；2-第二摩擦层；3-电极层；4-支撑椎体；5-声孔；6-基底；401-第一支撑椎体；402-第二支撑椎体。具体实施方式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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，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的值。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。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术的保护范围。本专利技术基于耳膜仿生结构及摩擦纳米材料，提供了一种自供电压力振动传感器。一、第一实施例在本专利技术的一个示例性实施例中提供了一种自供电压力振动传感器。图1为根据本专利技术实施例自供电压力振动传感器的结构示意图。如图1所示，该自供电压力振动传感器包括：第二摩擦层6；形成于第二摩擦层2背面的电极层3；位于电极层3下方的基底6，第二摩擦层6形成电极层3的一面固定于该基底6上；位于第二摩擦层2正面上方的第一摩擦层1，其材料与所述第二摩擦层2的材料位于摩擦电极序中的不同位置，其外侧边缘与第二摩擦层2的外侧边缘密封结合；支撑于第一摩擦层1和第二摩擦层2之间的支撑椎体4，其将第一摩擦层1朝向远离第二摩擦层2的方向顶出，使之形成保持预设的预应力的鼓膜。以下分别对本实施例自供电压力振动传感器的各个组成部分进行详细说明。本实施例中，自供电压力振动传感器整体上呈圆形，故而基底6、电极层3、第二摩擦层2和第一摩擦层1的外侧边缘同样呈圆形，但本专利技术并不以此为限。本领域技术人员可以根据需要将该自供电压力振动传感器设计为合适的形状，例如：椭圆形、六边形、长方形等等。其中，基底6为弹性基底，如塑料片，其厚度介于1mm～3mm之间。此外，该基底6还可以为硬性基底。需要说明的是，虽然本实施例自供电压力振动传感器具有基底，但基底并不是实现本专利技术所必须的，如果第二摩擦层的厚度和强度能够使第一摩擦层在支撑体的支撑作用下保证工作所需要的预应力时，该基底事实上可以忽略。第二摩擦层2的背面沉积有电极层3。该电极层3作为自供电压力振动传感器的信号输出端。电极层3为导电薄膜，可为铂膜、铝膜、金膜、铜膜或ITO薄膜等等，其厚度可以为10nm-200mm，优选为50nm-140nm，优选为100nm。具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀。第二摩擦层2沉积电极层3的一面通过粘贴或机械方式固定与基底6上。本领域技术人员应当了解，上述仅列出几种具体的电极材料和厚度参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本专利技术保护范围的限制性因素。本领域技术人员也可以根据需要选择其他的导电材料。第一摩擦层1位于第二摩擦层2的正面，两者的形状、尺寸相同。第一摩擦层1的外侧边缘与第二摩擦层2的外侧边缘密封结合。并且，在第一摩擦层1和第二摩擦层2之间的中部位置，设置有支撑椎体4。在该支撑椎体4的支撑作用下，第一摩擦层1朝向远离第二摩擦层2的方向凸出，形成紧张的鼓膜。第一摩擦层1与第二摩擦层2的材料存在摩擦电极序差，极性差异越大，将在两电极层之间产生更大的电势差，从而提高本实施例的输出功率。这里的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自供电压力振动传感器，其特征在于，包括：第二摩擦层(2)；形成于所述第二摩擦层(2)背面的电极层(3)；位于第二摩擦层(2)的正面上方，外侧边缘与所述第二摩擦层(2)的外侧边缘密封结合的第一摩擦层(1)，其材料与所述第二摩擦层(2)的材料位于摩擦电极序中的不同位置；支撑于所述第一摩擦层(1)和第二摩擦层(2)之间的至少一支撑体，其将所述第一摩擦层(1)朝向远离第二摩擦层(2)的方向顶出，使之形成保持预应力的鼓膜；其中，外界振动波作用于所述保持预应力的鼓膜，所述第一摩擦层(1)和第二摩擦层(2)不断的接触和分离，产生接触电荷，该接触电荷由所述电极层(3)导出，形成与所述外界振动波相关的电信号。

【技术特征摘要】
1.一种自供电压力振动传感器，其特征在于，包括：第二摩擦层(2)；形成于所述第二摩擦层(2)背面的电极层(3)；位于第二摩擦层(2)的正面上方，外侧边缘与所述第二摩擦层(2)的外侧边缘密封结合的第一摩擦层(1)，其材料与所述第二摩擦层(2)的材料位于摩擦电极序中的不同位置；支撑于所述第一摩擦层(1)和第二摩擦层(2)之间的至少一支撑体，其将所述第一摩擦层(1)朝向远离第二摩擦层(2)的方向顶出，使之形成保持预应力的鼓膜；其中，外界振动波作用于所述保持预应力的鼓膜，所述第一摩擦层(1)和第二摩擦层(2)不断的接触和分离，产生接触电荷，该接触电荷由所述电极层(3)导出，形成与所述外界振动波相关的电信号。2.根据权利要求1所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(1)的弹性模量不低于350MPa。3.根据权利要求1所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(1)由以下材料中的一种形成：聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚丙烯，其厚度介于20μm～200μm之间。4.根据权利要求1所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(1)的预应力介于3kPa-6kPa之间。5.根据权利要求3所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(1)由聚四氟乙烯形成，其厚度介于60μm～80μm之间。6.根据权利要求5所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(1)的预应力为4.8kPa。7.根据权利要求1至6中任一项所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述支撑体呈锥状、圆台状、圆球状、椭球状或长方体状。8.根据权利要求7所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述支撑体呈锥状，其与所述第一摩擦层(1)接触的部分做圆弧化处理。9.根据权利要求1至6中任一项所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述支撑体的数目为1个、2个或者沿第二摩擦层圆周方向设置的多个。10.根据权利要求9所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述支撑体的高度保证：E*e＜σ其中，E和σ分别为所述第一摩擦层(1)的弹性模量、抗拉强度，e为所述第一摩擦层(1)最大形变量。11.根据权利要求10所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦径向尺寸介于2cm-4cm之间；所述支撑体的高度介于0.4mm-1.2mm之间。12.根据权利要求9所述的自供电压力振动传感器，其特征在于，其特征在于，所述支撑体为2个或沿第二摩擦层圆周方向设置的多个，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，杨进，陈俊，
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