一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及其传感方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及传感方法，包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出所述电信号。本发明专利技术通过引入不对称结构的摩擦面，进而产生不对称电信号，将不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感，可以用于判断人体的运动状态和运动速度。

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及其传感方法
本专利技术涉及一种传感装置及传感方法，特别是涉及一种自驱动摩擦纳米运动传感装置及其传感方法。
技术介绍
随着人工智能和计算机技术的不断发展，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件被不断地开发出来，在人们的日常生活以及科学研究等各个领域中扮演着越来越重要的角色，同时也体现了前所未有的应用前景。但是随着各种电子设备的不断发展，给其供电的电源系统却始终保持着一个较低的技术水平，现在给微型电子器件供电的最普遍的方式主要是直接或间接来源于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且电池里面的化学物质对人体和环境存在一定的危害。因此针对此种情况而言，开发出一种将环境中的振动能、运动能转化为电能储存起来并方便携带使用的技术是具有极其重要的意义。摩擦纳米发电机是一种极其灵敏的装置，即使在极其微小的扰动下也能够有电信号产生，而且摩擦纳米发电机不需要额外的能量输入，可以吸收环境中的振动能来供给自己工作，可以免掉更换能量装置的过程，超高的灵敏性，从环境中摄取的振动能来维持自己工作，对于实现完全自驱动高灵敏度传感有着极其重要的意义。振动能是一种丰富、近乎无尽且广泛分布的清洁能源，从古至今一直广受人们的重视。通过高效地利用振动能转换为电能储存在储能设备中来解决目前在全世界范围内的能源紧缺问题，这已经是成为了全世界人类的一个共识。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的一个目的是提供一种自驱动摩擦纳米运动传感装置，该装置能够对于人体运动过程中产生的振动能的高效吸收，实现较高性能的输出，从而通过输出曲线的规律来检测速度以及人体运动具有比较明显的特征优势；本专利技术的另一个目的是提供一种自驱动摩擦纳米运动传感装置的传感方法。技术方案：本专利技术的自驱动摩擦纳米运动传感装置，包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出该电信号。进一步地，所述第一导电部包括第一导电元件、与第一导电元件相连的第二导电元件，第二导电部包括第三导电元件；所述第一导电元件的下表面为第一摩擦面，第二导电元件的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件的上表面为第四摩擦面。其中，第一导电元件和第二导电元件可以使用绝缘双面胶粘接，如Kapton绝缘不导电双面胶。进一步地，所述第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。进一步地，所述第一导电部设置在第二导电部的上方，第二导电部包括下基板和相对于下基板对称设置的跷跷板结构；所述跷跷板结构包括固定设置的转轴、与转轴铰接的跷跷板，跷跷板的一端与下基板柔性连接；下基板和跷跷板上均设有摩擦面。对称设置的跷跷板结构可以使得第二导电部平稳升降。优选地，所述第二导电部的摩擦面上设有银纳米颗粒。银纳米颗粒以蒸镀形式被设置在摩擦面上，银纳米颗粒所能够起到的作用是提高输出性能，进而提高发电器件的灵敏度。其中，银纳米球的制备为现有技术，可以采用简单的乙二醇湿法化学还原法，该方法操作简繁、制备得到的银纳米球尺寸分布较为均匀。具体方法为：1gPVP溶解在20ml乙二醇中。60℃搅拌。待等到PVP充分溶解后，加入80mg硝酸银，60℃搅拌至硝酸银全部溶解。此后，120℃恒温搅拌1h，溶液由无色变为橘黄色。反应结束冷却至室温后，将反应液和乙醇、丙酮1∶4混合，在8000rmp下离心15min。如此反复3至4次，所得沉淀分散在无水乙醇中待用。进一步地，所述第一摩擦面、第二摩擦面、第三摩擦面的形状、尺寸均相同。进一步地，所述第一导电元件和第三导电元件的材质为容易失去电子的材质，如：铝、金、铜、铂等，所述第二导电元件的材质为容易得到电子的材质，如：FEP、PFA、PTFE等。其中，FEP全称为Fluorinatedethylenepropylene，即为氟化乙烯丙烯共聚物(全氟乙烯丙烯共聚物)。第一、第二和第三导电元件的材质都可以不一样，但第一导电元件和第三导电元件是更为容易失去电子的材质，第二导电元件是更为容易得到电子的材质，这样输出电信号才能尽可能的大。进一步地，所述传感装置还包括基座，第一导电部包括固定导电元件的上基板，基座上设支撑上基板的支撑部。优选地，所述支撑部为弹性部件。弹性部件的设置配合了上基板，在外力作用下，上基板上下运动，弹性部件进而伸缩；当撤去外力后，弹性部件恢复至原来的位置。弹性部件可以是弹簧，也可以是其他弹性的零部件。本专利技术还提供了一种所述自驱动摩擦纳米运动传感装置的传感方法，该自驱动摩擦纳米运动传感装置在外力的作用下，摩擦面接触和分离产生不对称的电信号，对所述不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感。专利技术原理：本专利技术的自驱动摩擦纳米运动传感装置，利用两种得失电子能力不同的材料接触分离会产生电荷的定向移动的原理，采用相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；而第一导电部的摩擦面为非对称结构，并且第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；因此，通过外力的施加和撤去，摩擦面之间的接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出该不对称的电信号。由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，两个导电元件之间会产生电势差，接触部分会发生电荷的转移，并且通过导电元件就可以将电信号引出来，形成电流。其中第一导电部的摩擦面可以设计为一个或多个非对称的摩擦面，而电输出的大小取决于摩擦面之间的接触面积，因此当第一导电部的不对称的摩擦面与第二导电部的摩擦面接触分离，会产生不同大小的电信号。对该不对称电信号进行分析处理，通过对比前两个电信号的大小以及第一个和第三个电信号出现的时间差进行传感。其中，对于产生的不对称电信号的处理可以采用C语言编写程序进行分析，也可以采用现有技术中的其它方法。通过对电信号的分析，可以识别出物体的运动方向与运动速度；通过与LED灯连接，将该装置植入鞋子之中，收集人体运动过程中产生的振动能来点亮LED灯，通过LED灯的亮的顺序可以判断人体的运动状态(走路还是跑步)。通过C语言的程序设计可以对该装置的电输出信号进行分析，从而得出物体的运动速度。有益效果：(1)本专利技术的自驱动摩擦纳米运动传感装置通过引入不对称结构的摩擦面，进而产生不对称电信号，将收集得到的不对称电信号进行分析处理，每组不对称电信号有四个电信号，通过对比第一个和第二个电信号的大小，第一个和第三个电信号出现的时间差来进行传感。(2)本专利技术的传感装置可以用于判断人体的运动状态和运动速度；(3)本专利技术中的跷跷板结构可以实现当一个物体以不同方向滚动经过该装置的上导电部时，随着滚动的进行，下导电部的不同部位会依次和上导电部进行接触，从而依次产生不同强度的电信号，且可以根据所产生的电信号来判断物体所经多上部分时的具体的位置。附图说明图1是本专利技术的自驱动摩擦纳米运动传感装置的结构示意图；图2是本专利技术的结构分解示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出所述电信号。

【技术特征摘要】
1.一种自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：包括相对设置的第一导电部和第二导电部，第一导电部、第二导电部均具有摩擦面；所述第一导电部的摩擦面为非对称结构，第一导电部摩擦面的面积小于第二导电部摩擦面的面积；通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生不对称的电信号，并通过第一导电部和第二导电部向外输出所述电信号。2.根据权利要求1所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一导电部包括第一导电元件(1)、与第一导电元件(1)相连的第二导电元件(2)，第二导电部包括第三导电元件(3)；所述第一导电元件(1)的下表面为第一摩擦面，第二导电元件(2)的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件(3)的上表面为第四摩擦面。3.根据权利要求2所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。4.根据权利要求1所述的自驱动摩擦纳米运动传感装置，其特征在于：所述第一导电部设置在第二导电部的上方，第二导电部包括下基板(8)和相对于下基板(8)对称设置的跷跷板结构；所述跷跷板结构包括固定设置的转轴(4)、与转轴(4)铰接的跷跷板(5)，跷跷板(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢燕楠，林鸿宾，徐庆昊，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32