柔性自发电式加速度传感器制造技术

本发明专利技术提供一种柔性自发电式加速度传感器，包括：一个质量块和由多种材料结合形成的功能薄膜。可以加入衬底结构起到保护作用。所述功能薄膜固定于所述质量块，所述功能薄膜包括依次层叠设置的第一电极层、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极层；所述第二摩擦层通过表面微处理方法加工出微金字塔结构。构成功能薄膜的材料具有一定的黏附性，能保证组件的可靠连接。本发明专利技术的一种柔性自发电式加速度传感器，将摩擦发电技术和MEMS技术进行结合，在一定的加速度环境下，利用第一，第二摩擦层之间的相互摩擦产生电荷，从而得到与加速度相关的电压，具有可自发电自供给、可弯折、成本低、制作工艺简单、具有良好的抗摔性和防水性的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种基于摩擦发电原理的柔性自发电式加速度传感器。
技术介绍
微机电系统是一门融合了微电子材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域的综合性学科，涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。广义的微机电系统涵盖微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信，属于跨领域、多学科的复杂信息技术，并被广泛应用到国防，航空航天等各行各业。常见的MEMS产品有如下几类：加速度计、麦克风、微马达、微泵、微振子、光学传感器、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器、气体传感器等。市面上的加速度计广泛测量运载体线加速度的仪表，按照工作原理通常分为如下几类：重锤式、液浮摆式、挠式、振弦式、微机械式(MEMS)和摆式积分陀螺式加速度计。而MEMS加速度计又可划分为压电式、压阻式、电容式、静电力平衡式和石英振梁式。随着材料科学和信息技术的不断进步，便携式设备得到了前所未有的发展处于对其柔韧性，抗摔等特定性能的要求，柔性电子学迎来了春天。传统工艺制造的MEMS加速度计是基于硬性材料上，对于柔性材料的贴合与测量存在一定问题。为了满足这种需要，可贴附、可穿戴、便携式、可折叠的柔性加速度计的设计与制作成为了研究热点。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。随着环境逐渐恶化以及资源不断枯竭，人们对节约能源和保护环境的关注越来越多。海水的潮起潮落、风的此起彼伏等等，地球上能量无处不在，但对于能量的合理收集以及应用却少之又少。目前尚缺乏一种可以充当机械能转化为电能的媒介，来实现能量采集功能的加速度传感器。日常生活中常出现摩擦起电效应，毛皮与橡胶棒、丝绸与玻璃棒、头发与尺子之间的相互接触摩擦能产生成百上千的静电，有时候人接触后会有触电般的感觉，甚至在电子元器件中也需要专门ESD protection(Electro static discharge protection:静电防护)。这反映了大众对摩擦起电现象的忽视甚至排斥，但是如何利用合理的技术手段来综合处理应用这些广为诟病的静电效应，做到收集毫不起眼的静电能，同时也实现变废为宝实现目标要求是新时期加速度传感器研究的新方向。但现有的MEMS加速度传感器，譬如电容式和压阻式等，都是基于硅等材料，并未用到柔性材料，同时也无法做到自供给。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种柔性自发电式加速度传感器，具有可自发电自供给、可弯折、成本低、制作工艺简单、具有良好的抗摔性和防水性的优点。为了实现上述目的，本专利技术提供一种柔性自发电式加速度传感器，包括：一质量块和至少一功能薄膜，所述功能薄膜包括层叠设置并连接的一第一电极层、一第一摩擦层、一第二摩擦层和一第二电极层；所述第一电极层固定于所述质量块，所述第二摩擦层邻近所述第一摩擦层的一第一相邻面或所述第一摩擦层邻近所述第二摩擦层的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构，所述锥体阵列结构包括均匀分布的多个锥体，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层通过所述锥体阵列结构粘接。优选地，所述锥体为棱锥体。优选地，所述第一摩擦层、所述第二摩擦层采用绝缘柔性的高分子聚合物材料。优选地，所述高分子聚合物材料是透明的。优选地，所述第一电极层和所述第二电极层采用透明导电薄膜。优选地，所述透明导电薄膜采用铟锡氧化物薄膜、FTO薄膜或AZO薄膜。优选地，还包括至少一绝缘衬底，所述绝缘衬底固定于所述功能薄膜远离所述质量块的一面。优选地，所述质量块呈立方体。优选地，包括两个功能薄膜，两所述功能薄膜对置固定于所述质量块的两表面；或包括六个功能薄膜，所述质量块的每个表面固定有一所述功能薄膜。本专利技术由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：质量块为柔性自发电式加速度传感器提供主要质量，在加速度运动时作为功能薄膜提供外部压力，启动柔性自发电式加速度传感器。柔性自发电式加速度传感器在进行加速度运动时，第一摩擦层、第二摩擦层及其表面的锥体阵列结构相互摩擦，利用静电感应原理，一种材料将由于摩擦后更易失去电子而带上正电荷，另一种材料将更易得到电子而带上负电荷，通过两个电极材料可以得到一个随加速度变化的电势差。所述第一电极层或所述第二电极层接地用于防止信号干扰。由于采用绝缘柔性的高分子聚合物材料，使得柔性自发电式加速度传感器可贴附、可弯折，并具有良好的抗摔性和防水性。绝缘衬底可作为柔性自发电式加速度传感器的底座，起到固定放置的作用。附图说明图1为本专利技术实施例之一的单轴柔性自发电式加速度传感器结构示意图；图2为本专利技术实施例之二的单轴柔性自发电式加速度传感器结构示意图；图3为本专利技术实施例之三的一种差分式柔性自发电式加速度传感器结构示意图；图4为本专利技术实施例之四的一种三轴柔性自发电式加速度传感器分解结构示意图。具体实施方式下面根据附图1-4，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本专利技术的功能、特点。请参阅图1，本专利技术实施例一的一种柔性自发电式加速度传感器，利用摩擦发电原理，能将将机械能转变为电能，降低电子系统的功耗，其包括：一质量块1和一功能薄膜2，功能薄膜2固定于质量块1，功能薄膜2包括依次层叠设置并连接的一第一电极层21，第一电极层21固定于质量块1；一第一摩擦层22，第一摩擦层22与第一电极层21紧密贴合粘接；一第二摩擦层23，第二摩擦层23邻近第一摩擦层22的一第一相邻面或第一摩擦层22邻近第二摩擦层23的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构231，其中，优选在第一相邻面上形成锥体阵列结构231，锥体阵列结构231包括均匀分布的多个锥体，本实施例中，锥体为棱锥体，在其他实施例中，锥体可也为圆锥体。第一摩擦层22和第二摩擦层23通过锥体阵列结构231粘接；第二电极层24与第二摩擦层23紧密贴合粘接；第三摩擦层25与第二电极层24连接紧固，形成单轴式加速度计。本实施例中，质量块1呈立方体，在其他实施例中，质量块1可根据需要设置为任一形状。质量块1为柔性自发电式加速度传感器提供主要质量，在加速度运动时作为功能薄膜2提供外部压力，启动柔性自发电式加速度传感器。柔性自发电式加速度传感器在进行加速度运动时，第一摩擦层22、第二摩擦层23和锥体阵列结构231的相互配合，利用静电感应原理，摩擦发电，利用传感器中第一摩擦层22和第二摩擦层23表面的锥体阵列结构231之间的相互摩擦，产生于加速度相关的电压，并根据输出电压的大小与方向来确定传感器收到的加速度。第一摩擦层22与第二摩擦层23的锥体阵列结构231的接触面积会随着质量块所受加速度的变化而变化，初始状态下锥体阵列结构231与第一摩擦层22是相互接触的。第三摩擦层25起到保护第二电极层24的作用。本实施例中，锥体阵列结构231的锥体尺寸在微米级至亚微米级，其锥体底边长度约为10um，锥体的高度在纳米尺度空间。其中，第二摩擦层23与第二电极层24之间依靠分子间的作用力紧密贴合粘接。质量块1与第一电极层21固定，质量块1与第一电极层21之间可
通过胶带等固定，防止发送侧移。第二摩擦层23与第一摩擦层22之间不做任本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，包括：一质量块和至少一功能薄膜，所述功能薄膜包括层叠设置并连接的一第一电极层、一第一摩擦层、一第二摩擦层和一第二电极层；所述第一电极层固定于所述质量块，所述第二摩擦层邻近所述第一摩擦层的一第一相邻面或所述第一摩擦层邻近所述第二摩擦层的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构，所述锥体阵列结构包括均匀分布的多个锥体，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层通过所述锥体阵列结构粘接。

【技术特征摘要】
1.一种柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，包括：一质量块和至少一功能薄膜，所述功能薄膜包括层叠设置并连接的一第一电极层、一第一摩擦层、一第二摩擦层和一第二电极层；所述第一电极层固定于所述质量块，所述第二摩擦层邻近所述第一摩擦层的一第一相邻面或所述第一摩擦层邻近所述第二摩擦层的一第二相邻面上形成一锥体阵列结构，所述锥体阵列结构包括均匀分布的多个锥体，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层通过所述锥体阵列结构粘接。2.根据权利要求1所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述锥体为棱锥体。3.根据权利要求1所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦层、所述第二摩擦层采用绝缘柔性的高分子聚合物材料。4.根据权利要求3所述的柔性自发电式加速度传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓峰，向成豪，车录锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31