一种高灵敏度自供电加速度传感器及其制备方法技术

一种高灵敏度自供电加速度传感器，包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；第二电极层的上表面连接有绝缘层，绝缘层的上方设置有质量块；第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。

A high sensitivity self powered acceleration sensor and its preparation method

The first electrode layer is attached to the lower surface of the first friction layer. The lower surface of the first electrode layer is provided with a first electrode lead point and is led outwards from the first electrode lead point The second electrode layer is attached to the upper surface of the second friction layer, and the upper surface of the second electrode layer is provided with a second electrode lead point and a second wire led out from the second electrode lead point; the upper surface of the second electrode layer is connected with an insulating layer, and a mass block is arranged above the insulating layer; the first friction layer and the second friction layer are arched and opposite in direction, and the first friction layer The second friction layer is opposite to the electric sequence of the positive sequence friction layer and can contact and separate with the positive sequence friction layer driven by the mass block.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度自供电加速度传感器及其制备方法
本专利技术涉及自供电加速度传感器
，特别是一种高灵敏度自供电加速度传感器及其制备方法。
技术介绍
加速度传感器是一种测量加速度的装置，在卫星、生物医学设备、大型机械结构测试、安全气囊、地震监测等领域发挥着重要作用。根据不同的原理加速度传感器可以分为不同的类型，常见的传感器有电容式加速度传感器、压阻式加速度传感器和压电式加速度传感器等。其中电容式加速度传感器和压阻式加速度传感器需要外部供电才能正常工作，很大程度上降低了它们的应用范围。压电传感器虽然能实现自供电，但输出的电信号很小，容易受到环境噪声的影响。基于上述存在的问题，基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器被广泛的研究。实践证明，由于自身的结构和现有工艺的缺陷，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器普遍存在下述问题：其一，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器的灵敏度较低且输出功率小；其二，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器制作难度大，不能进行大规模生产；其三，现有的基于摩擦发电效应的自供电加速度传感器普遍采用弹簧结构，增大了成本且占用空间。
技术实现思路
本专利技术提供了一种灵敏度高、功率密度大、抗冲击能力强、具有可穿戴性、高稳定性、良好的稳定性和一致性的高灵敏度自供电加速度传感器。本专利技术还提供了一种器件制作工艺简单、成本低，能实现大规模生产以及自供电特性的高灵敏度自供电加速度传感器制备方法。本专利技术采用的技术方案是：一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，所述传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；所述的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；所述第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；所述第二电极层的上表面连接有绝缘层，所述绝缘层的上方设置有质量块；所述第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，所述第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，所述第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。进一步，所述第一摩擦层和第二摩擦层采用强力胶带相连呈拱状，通过胶带的恢复张力实现两层之间的接触与分离，替代了传统的弹簧结构，节约了制备成本，降低器件结构的复杂度。进一步，所述的第一摩擦层和第二摩擦层采用绝缘型柔性薄膜，具有强大的抗机械冲击能力，进而提高传感器的使用寿命，并具有良好的光学特性。进一步，所述绝缘型柔性薄膜采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚乙烯。进一步，所述正电序列摩擦层材料采用聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺或蚕丝蛋白。进一步，所述正电序列摩擦层通过喷涂技术喷涂于第一摩擦层上。第一摩擦层附着的正电序列摩擦层，通过操作简单、成本低廉的喷涂技术制得，可实现本专利技术传感器的大规模生产。进一步，所述绝缘外壳的两侧均设置有通孔，所述第一导线和第二导线分别从相应的通孔内穿出与外部电路连接。进一步，所述高灵敏度自供电加速度传感器的理论为全新的V-Q-a模型可表示为：其中V(t)为某时刻t第一电极层和第二电极层之间的输出电压，a为作用于传感器上的加速度，t为摩擦层运动的时间，R为外接电阻，Q为转移电荷量，S为摩擦层的面积，ε0为真空介电常数，σ为摩擦层表面电荷密度，d0＝d1/ε1+d2/ε2为摩擦层的等效厚度，d1为第一摩擦层和第二摩擦层的厚度，ε1为第一摩擦层和第二摩擦层的介电常数，d2为正电序列摩擦层的厚度，ε2为正电序列摩擦层的介电常数。上述高灵敏度自供电加速度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a)、选取长方体绝缘外壳，在左右两侧打上分别打上一个直径为1～10mm的圆孔；步骤b)、选取两片面积相同的附有导电层的绝缘柔性薄膜，在其中一片绝缘柔性薄膜无导电层一侧的表面，用装有正电序列摩擦层材料溶液的喷枪均匀喷涂正电序列摩擦层材料溶液；步骤c)、在第一、第二薄膜导电层的表面固定电极引线点，并将导线与电极引线点连接；步骤d)、将上述的两片薄膜两侧边缘相互接触且导电层朝外形成拱状，通过强力胶带相互连接；步骤e)、利用强力胶带将绝缘层与第二电极层相连，并将质量块固定于绝缘层的上方形成内部传感系统；将内部传感系统封装于绝缘外壳内形成高灵敏度自供电加速度传感器。进一步，步骤b)中的喷涂过程：喷涂在80℃～200℃高温环境下进行，经历3～10次循环，在每次循环中，喷涂的持续时间为5～15s，每次循环的时间间隔为10～20min。本专利技术的高灵敏度自供电加速度传感器的有益效果：测得开路电压峰值超过250V，短路电流峰值超过5.7μA，能瞬间同时点亮100～200个商用LED灯泡，输出功率密度大于370mW/m2，并同时具有高稳定性、良好的重复性和一致性。对应灵敏度高达20.4V·s2/m，与已报道的自供电加速度传感器相比，灵敏度提高了5倍以上。并且实验测得的灵敏度与理论模型计算结果高度一致。采用自供电的形式，相比于现有的MEMS加速度传感器更加的灵活，不受外界的约束，绿色环保，具有更广的应用范围，具有可穿戴性，可作为可穿戴报警装置和振动检测系统。本专利技术的制备方法的有益效果：器件制作工艺简单、成本低，能实现大规模生产。附图说明图1是本专利技术的剖面示意图。图2是本专利技术的静止状态原理图。图3是本专利技术受到向上加速度时的原理图。图4是本专利技术受到向下加速度时的原理图。图5是本专利技术的理论模型分析图。图6是本专利技术在a＝9m/s2的条件下输出电压曲线图。图7是本专利技术在不同加速度条件下的理论和实验数据的对比图。图8中(a)-(e)是本专利技术的工艺流程图。图中：1-绝缘外壳，2-质量块，3-绝缘层，4-第二电极层，5-第二摩擦层，6-正电序列摩擦层，7-第一摩擦层，8-第一电极层，9-第一圆孔，10-第二圆孔，11-第一导线，12-第二导线，13-第一电极引线点，14-第二电极引线点，15-喷枪。具体实施方式下面结合具体实施例来对本专利技术进行进一步说明，但并不将本专利技术局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本专利技术涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。实施例一参见图1、图2，本实施例提供了一种高灵敏度自供电加速度传感器包括绝缘外壳1、第一电极层8、第二电极层4、第一摩擦层7、第二摩擦层5、绝缘层3和质量块2；第一电极层8、第二电极层4、第一摩擦层7、第二摩擦层5、绝缘层3和质量块2构成内部传感系统，位于绝缘外壳1的内部；第一电极层8附着在第一摩擦层7的下表面，第一电极层8的下表面设有第一电极引线点13及由第一电极引线点13向外引出的第一导线11；第二电极层4附着在第二摩擦层5的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，所述传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；/n所述的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；所述第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；所述第二电极层的上表面连接有绝缘层，所述绝缘层的上方设置有质量块；/n所述第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，所述第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，所述第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。/n

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：包括绝缘外壳和设置于绝缘外壳内的传感系统，所述传感系统包括第一电极层、第二电极层、第一摩擦层、第二摩擦层；
所述的第一电极层附着在第一摩擦层的下表面，第一电极层的下表面设有第一电极引线点及由第一电极引线点向外引出的第一导线；所述第二电极层附着在第二摩擦层的上表面，第二电极层的上表面设有第二电极引线点及由第二电极引线点向外引出的第二导线；所述第二电极层的上表面连接有绝缘层，所述绝缘层的上方设置有质量块；
所述第一摩擦层和第二摩擦层均呈拱状且方向相反，所述第一摩擦层上附着有正电序列摩擦层，所述第二摩擦层与正电序列摩擦层的电序列相反并在质量块的带动下可与正电序列摩擦层接触分离。


2.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述第一摩擦层和第二摩擦层采用强力胶带相连呈拱状。


3.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述的第一摩擦层和第二摩擦层采用绝缘型柔性薄膜。


4.如权利要求3所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述绝缘型柔性薄膜采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或聚乙烯。


5.如权利要求1所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述正电序列摩擦层材料采用聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺或蚕丝蛋白。


6.如权利要求5所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述正电序列摩擦层通过喷涂技术喷涂于第一摩擦层上。


7.如权利要求1至6任意一项所述的一种高灵敏度自供电加速度传感器，其特征在于：所述绝缘外壳的两侧均设置有通孔，所述第一导线和第二导线分别从相应的通孔内穿出与外部电路连接。

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【专利技术属性】
技术研发人员：刘超然，王益哨，李耀，董林玺，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33