一种叠层式摩擦电压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种叠层式摩擦电压力传感器及其制备方法，属于摩擦纳米发电机技术领域。该叠层式摩擦电压力传感器包括：从上到下依次布置的第一电极层、第一摩擦材料层、介电层薄膜、第二电极层和第二摩擦材料层，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量，所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔，且所述密封腔中封装有绝缘液体。本发明专利技术还提供了一种用于制备上述叠层式摩擦电压力传感器的制备方法。本发明专利技术的叠层式摩擦电压力传感器能够有效提升输出信号的稳定性。传感器能够有效提升输出信号的稳定性。传感器能够有效提升输出信号的稳定性。

A laminated triboelectric pressure sensor and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种叠层式摩擦电压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及摩擦纳米发电机
，特别是涉及一种叠层式摩擦电压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着物联网(IoT)的快速发展，体量和驱动传感器所需的电源数量增加显着，甚至可能比传感器本身更大。在巨大的分布式传感节点，供电问题将成为阻碍其发展的关键因素的原因之一。摩擦电的诞生为通过摩擦纳米发电机(TENG)解决分布式传感节点的电源问题提供了有效途径。基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，摩擦电压力传感器能够通过分析电信号(如电压值、峰值密度、波形等)来获取机械输入(幅度和频率)的信息。感应信号来源于摩擦电压力传感器本身，无需应用于设备的外接电源，这是相对于传统传感技术的显著优势。然而，受限于结构缺陷和内在传统TENG的工作机制，摩擦电荷非常易受外部环境(例如，湿度、电磁场)的影响，导致稳定性和可重复性差。TENG的本质是基于电荷产生、积累、转移和传导的动态过程。因此，调节摩擦电荷将是一种有效的策略以提高TENG的传感性能。
[0003]在空气中，由于环境湿度表面摩擦电荷随时间迅速衰减。为了避免这种不良影响，可真空包装被用来隔离空气并实现超高电荷密度。但是，将摩擦电压力传感器保持高真空是非常困难且昂贵的，特别是要确保它可以保持连续的接触分离移动。因此，表面和界面工程已成为调节电荷的替代选择。由于介电层的性质对摩擦电压力传感器的电荷密度影响很大，通过掺杂弹性体的摩擦电材料来调节介电系数被认为是一种优选的方法。从空气隔离的角度，在接触带电界面上采用高介电系数的液体来代替空气已被证明是一种有效的方法。走向实际应用，为摩擦电压力传感器构建多功能层以实现稳定信号成为首要解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术第一方面的一个目的是要提供一种叠层式摩擦电压力传感器，能够有效提升输出信号的稳定性。
[0005]本专利技术的另一个目的是要减少环境电磁波干扰的影响，进而提高叠层式摩擦电压力传感器的稳定性和可重复性。
[0006]本专利技术第二方面的一个目的是要一种上述叠层式摩擦电压力传感器的制备方法。
[0007]特别地，本专利技术提供了一种叠层式摩擦电压力传感器，包括：
[0008]从上到下依次布置的第一电极层、第一摩擦材料层、介电层薄膜、第二电极层和第二摩擦材料层，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量，所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔，且所述密封腔中封装有绝缘液体。
[0009]可选地，叠层式摩擦电压力传感器还包括：
[0010]绝缘薄膜，贴附于所述第一电极层的顶面和所述第二摩擦材料层的底面处；以及
[0011]静电屏蔽层，设置于每一所述绝缘薄膜的外表面处。
[0012]可选地，所述微型结构的形状为金字塔形、锥形、正方体形和圆柱形中一种或多种，且所有所述微型结构呈阵列排布。
[0013]特别地，本专利技术还提供了一种用于制备上述任一项所述的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法，包括：
[0014]制备液态金属和柔性介电层材料的混合物；
[0015]利用所述混合物制备介电层薄膜，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量；
[0016]制备第一摩擦材料层、第二摩擦材料层、第一电极层和第二电极层；
[0017]依次布置所述第一电极层、所述第一摩擦材料层、所述介电层薄膜、所述第二电极层和所述第二摩擦材料层，其中，所述介电层薄膜的所述环形凸条的顶面通过柔性的封闭材料与所述第一摩擦材料层相连，以在所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔；
[0018]在所述密封腔中封装绝缘液体。
[0019]可选地，在所述密封腔中封装绝缘液体的步骤包括：
[0020]将第一注射器和第二注射器分别在所述密封腔的两侧插入所述密封腔内；
[0021]利用所述第一注射器注射所述绝缘液体，同时利用所述第二注射器吸出空气。
[0022]可选地，利用所述混合物制备介电层薄膜的步骤包括：
[0023]制作介电层模具，所述介电层模具的一侧设有多个凹陷的微型特征和围绕所述多个微型特征的凹槽，分别与多个所述微型结构和所述环形凸条相匹配；
[0024]在所述介电层设有所述微型特征的一侧喷射脱模剂；
[0025]将所述混合物倒入所述脱模剂的上表面；
[0026]将带有所述混合物和所述脱模剂的模具放入真空环境，以去除所述混合物多种的空气；
[0027]将带有所述混合物和所述脱模剂的模具放入烤箱烘干在烘干后剥离混合形成的薄膜，以形成所述介电层薄膜。
[0028]可选地，叠层式摩擦电压力传感器的制备方法，还包括：
[0029]在所述第一电极层的远离所述第一摩擦材料层的一侧，和所述第二摩擦材料层远离所述第二电极层的一侧贴附绝缘薄膜；
[0030]在所述绝缘薄膜上形成导电材料，以形成静电屏蔽层。
[0031]可选地，在所述绝缘薄膜上溅射导电材料的步骤包括：
[0032]利用磁控溅射系统在所述绝缘薄膜上溅射导电材料。
[0033]可选地，所述液态金属为在室温下呈液态的镓基合金；
[0034]所述柔性介电层材料为含硅元素和/或氟元素的高分子聚合物。
[0035]可选地，所述液态金属的质量百分比为10％
‑
70％中的任一值。
[0036]根据本专利技术的一个实施例，叠层式摩擦电压力传感器由于在介电层薄膜和第一摩擦层之间填充了绝缘液体，能有效隔绝空气，消除空气中水分的影响，因此能够有效提升叠
层式摩擦电压力传感器的稳定性。
[0037]根据本专利技术的一个实施例，叠层式摩擦电压力传感器还设置了静电屏蔽层，静电屏蔽层可以起到静电屏蔽的作用，以减少环境电磁波干扰的影响，进而提高叠层式摩擦电压力传感器的稳定性和可重复性。
[0038]根据本专利技术的一个实施例，可以提高叠层式摩擦电压力传感器的电学输出性能和力学输出性能。在低压区，叠层式摩擦电压力传感器的灵敏度到达8.56kPa
‑1；在高压区，叠层式摩擦电压力传感器的灵敏度到达3.50kPa
‑1，检测范围宽至66.3kPa，响应和恢复速度快，在不同湿度下保持有良好的稳定性和可重复性。
[0039]根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0040]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0041]图1是根据本专利技术一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的剖面示意图；
[0042本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种叠层式摩擦电压力传感器，其特征在于，包括：从上到下依次布置的第一电极层、第一摩擦材料层、介电层薄膜、第二电极层和第二摩擦材料层，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量，所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔，且所述密封腔中封装有绝缘液体。2.根据权利要求1所述的叠层式摩擦电压力传感器，其特征在于，还包括：绝缘薄膜，贴附于所述第一电极层的顶面和所述第二摩擦材料层的底面处；以及静电屏蔽层，设置于每一所述绝缘薄膜的外表面处。3.根据权利要求1或2所述的叠层式摩擦电压力传感器，其特征在于，所述微型结构的形状为金字塔形、锥形、正方体形和圆柱形中一种或多种，且所有所述微型结构呈阵列排布。4.一种用于制备权利要求1
‑
3中任一项所述的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：制备液态金属和柔性介电层材料的混合物；利用所述混合物制备介电层薄膜，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量；制备第一摩擦材料层、第二摩擦材料层、第一电极层和第二电极层；依次布置所述第一电极层、所述第一摩擦材料层、所述介电层薄膜、所述第二电极层和所述第二摩擦材料层，其中，所述介电层薄膜的所述环形凸条的顶面通过柔性的封闭材料与所述第一摩擦材料层相连，以在所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔；在所述密封腔中封装绝缘液体。5.根据权利要求4所述的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述密封腔中封装绝缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：文震，徐仁杰，马艳芸，孙旭辉，刘伊娜，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：