一种接触分离模式摩擦电传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种接触分离模式摩擦电传感器及其制备方法和应用。所述摩擦电传感器采用接触分离模式进行构建，高密度EVA海绵表面的Ag叉指电极和PTFE喷涂层作为下摩擦层和多层叠加的PVA

【技术实现步骤摘要】
一种接触分离模式摩擦电传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于摩擦纳米发电机
，具体涉及一种接触分离模式摩擦电传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近几十年来，由于其固有的柔韧及轻便性，可穿戴或柔性电子设备作为一个快速发展的研究领域而出现。它提供了广泛的应用，像是运动监测，康复理疗，人机界面(HMI)，疾病诊断等等。其中，各种可穿戴传感器附着在皮肤上或直接戴在身上，来进行感知信息收集，并有望区分不同的身体行为。比如具有深度学习信号处理的智能袜子和多自由度外骨骼感知系统被分别开发用于步态分析和姿势感知。这种可穿戴的感知系统将人类活动数字化并建立基于数据的健康状况和活动管理，从而弥合了人类和机器之间的间隙。同时，随着第五代无线网络的显着进度，可以忽略信息传输的延迟，并且所有感官信息都可以上传到云中，以通过物联网和大数据进行远程分析和数据可视化。正常来说，可穿戴传感器配合无缝数据交换以进行人体运动检测，将有助于智能医疗保健应用。
[0003]摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等常被人忽视的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。因此，摩擦纳米发电机(TENG)凭借其自身产生的信号和较低的功耗这两个特点，正受到越来越多的关注，尤其是在大规模物联网应用场景中。更重要的是，由于独特的操作机制，摩擦电传感器在制造技术和材料方面有多种选择。
[0004]最近，人们陆续从自然界中获得了灵感，并开发了模拟人类皮肤的多层传感器。该领域的未来突破需要更高的传感器密度和不同传感器模式的更大集成，就像嵌入人体皮肤中的受体一样。同时，需要具有较少复杂结构和集成机制的制造方案来实现可扩展的大规模传感。最后，在传感系统设计过程中还应考虑硬件和数据驱动算法，以感测大量传感数据并实现闭环任务。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一一种接触分离模式摩擦电传感器及其制备方法和应用，利用微电子电路打印机在改性EVA海绵表面打印叉指电极，作为柔性摩擦纳米发电机基础输出电极；在一半的叉指电极表面喷涂一层PTFE薄膜，作为下摩擦层，在另一半没喷涂的电极层上再打印一次电极，使两部分厚度一致，兼具摩擦层和导电层的功能；在柔性PET表面依次旋涂PVA和丙烯荧光层，共计六次，成品作为上摩擦层；基于相同制造工艺制备了不同大小规格的柔性可穿戴摩擦电传感器，将其用于人体大关节运动监测和手势数
字信号监测；结合配套搭建的多输入卷积深度学习网络，该传感器还可用于足型、步态和人物识别，整体正确率高于99％。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种接触分离模式摩擦电传感器，所述摩擦电传感器的基础构型是接触分离模式，高密度EVA海绵表面的Ag叉指电极和PTFE喷涂层作为下摩擦层和多层叠加的PVA
‑
丙烯荧光层作为上摩擦层。
[0007]进一步的，所述接触分离模式摩擦电传感器从上至下依次是PVA薄膜、丙烯荧光层、PVA薄膜、丙烯荧光层、PVA薄膜、丙烯荧光层和叉指电极层，所述叉指电极层包括双层打印电极和PTFE喷涂层叠加单层打印电极；
[0008]或，所述接触分离模式摩擦电传感器的最大输出功率为286.84μW。
[0009]进一步的，在同一绝缘的摩擦层表面可同时在不同部位聚集性质相反的电荷。
[0010]进一步的，多个所述传感器能够构建鞋垫式传感阵列，上摩擦层和下摩擦层的间距为1mm，叉指电极的宽度和指间距为1mm；
[0011]或，所述鞋垫式传感阵列其内部的双层打印电极被统一接地，各自的单层打印电极作为有用信号输出电极。
[0012]进一步的，
[0013]所述打印电极所用材料为Au、Ag和Cu纳米颗粒中的一种，所述双层打印的电极厚度为20微米，所述单层打印电极厚度为10微米；
[0014]或，所述高密度EVA海绵厚度为1毫米。
[0015]一种接触分离模式摩擦电传感器的制备方法，
[0016](1)制备表面改性高密度EVA海绵基底；
[0017](2)制备单层及双层打印电极；
[0018](3)制备多层叠加的PVA
‑
丙烯荧光层作为上摩擦层；
[0019](4)制备接触分离模式的摩擦电传感器；
[0020](5)针对具体应用环境设计制造对应规格的摩擦电传感器和传感阵列。
[0021]进一步的，
[0022]所述步骤(1)的具体步骤包括：
[0023](1
‑
1)将高密度EVA海绵置于烧杯内，倒入50mL乙醇，将烧杯用保鲜膜封口后置于超声清洗机内，进行30min超声清洗；
[0024](1
‑
2)将步骤(1
‑
1)清洗完成的海绵从烧杯中取出，用去离子水反复冲洗3次，放入真空干燥箱内于60℃环境下干燥1小时；
[0025](1
‑
3)将步骤(1
‑
2)所得海绵平铺在紫外光清洗机的腔室内，用紫外光对海绵的单面进行照射改性，时间为5min；
[0026]或，所述步骤(2)的具体步骤包括：
[0027](2
‑
1)用DP500微电子打印机在改性EVA海绵表面先打印一层叉指电极，完成后置于60℃真空干燥箱内1小时；
[0028](2
‑
2)将固含量为60％的PTFE乳液超声震荡10分钟，用事先制作好的镂空模具罩在打印电极表面，只露出一半的电极，用喷枪在电极表面均匀喷涂PTFE乳液一次，将所得物置于60℃的真空干燥箱内2小时；
[0029](2
‑
3)将(2
‑
2)中所得产物再置于DP500打印台上的原位置处，在未喷涂PTFE乳液
的电极表面再打印一层电极，完成后置于60℃真空干燥箱内1小时；
[0030]或，所述步骤(3)的具体步骤包括：
[0031](3
‑
1)在20mL去离子水中加入3g PVA颗粒，将混合物置于90℃环境中水浴并磁力搅拌3小时，完成后取出烧杯待温度降至36℃并保持；
[0032](3
‑
2)将(3
‑
1)所得粘稠溶液旋涂在柔性PET的表面，第一阶段以1070转/分的转速旋转18s，第二阶段以2510转/分的转速旋转60s，之后将所得物置于60℃真空干燥箱内1小时；
[0033](3
‑
3)在(3
‑
2)所得PVA薄膜表面旋涂一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种接触分离模式摩擦电传感器，其特征是：所述摩擦电传感器的基础构型是接触分离模式，高密度EVA海绵表面的Ag叉指电极和PTFE喷涂层作为下摩擦层和多层叠加的PVA
‑
丙烯荧光层作为上摩擦层。2.根据权利要求1所述的接触分离模式摩擦电传感器，其特征是：所述接触分离模式摩擦电传感器从上至下依次是PVA薄膜、丙烯荧光层、PVA薄膜、丙烯荧光层、PVA薄膜、丙烯荧光层和叉指电极层，所述叉指电极层包括双层打印电极和PTFE喷涂层叠加单层打印电极；或，所述接触分离模式摩擦电传感器的最大输出功率为286.84μW。3.根据权利要求1所述的接触分离模式摩擦电传感器，其特征是：在同一绝缘的摩擦层表面可同时在不同部位聚集性质相反的电荷。4.根据权利要求3所述的接触分离模式摩擦电传感器，其特征是：多个所述传感器能够构建鞋垫式传感阵列，上摩擦层和下摩擦层的间距为1mm，叉指电极的宽度和指间距为1mm；或，所述鞋垫式传感阵列其内部的双层打印电极被统一接地，各自的单层打印电极作为有用信号输出电极。5.根据权利要求2所述的接触分离模式摩擦电传感器，其特征是：所述打印电极所用材料为Au、Ag和Cu纳米颗粒中的一种，所述双层打印的电极厚度为20微米，所述单层打印电极厚度为10微米；或，所述高密度EVA海绵厚度为1毫米。6.一种接触分离模式摩擦电传感器的制备方法，所述摩擦电传感器具有权利要求1
‑
5任一项所述的结构，其特征在于：(1)制备表面改性高密度EVA海绵基底；(2)制备单层及双层打印电极；(3)制备多层叠加的PVA
‑
丙烯荧光层作为上摩擦层；(4)制备接触分离模式的摩擦电传感器；(5)针对具体应用环境设计制造对应规格的摩擦电传感器和传感阵列。7.根据权利要求6所述的接触分离模式摩擦电传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤包括：(1
‑
1)将高密度EVA海绵置于烧杯内，倒入50mL乙醇，将烧杯用保鲜膜封口后置于超声清洗机内，进行30min超声清洗；(1
‑
2)将步骤(1
‑
1)清洗完成的海绵从烧杯中取出，用去离子水反复冲洗3次，放入真空干燥箱内于60℃环境下干燥1小时；(1
‑
3)将步骤(1
‑
2)所得海绵平铺在紫外光清洗机的腔室内，用紫外光对海绵的单面进行照射改性，时间为5min；或，所述步骤(2)的具体步骤包括：(2
‑
1)用DP500微电子打印机在改性EVA海绵表面先打印一层叉指电极，完成后置于60℃真空干燥箱内1小时；(2
‑
2)将固含量为60％的PTFE乳液超声震荡10分钟，用事先制作好的镂空模具罩在打印电极表面，只露出一半的电极，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬至，徐振原，张昊，周兰娟，周丽娜，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：