基于ZnO纳米线的自供电振动传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种自供电振动传感器，包括：悬臂梁；悬臂梁上的自供电振动传感器元件，其中自供电振动传感器元件包括：上电极和下电极；上电极和下电极之间的介电层；多条具有压电效应的纳米结构，位于介电层中，所述纳米结构与上电极和下电极绝缘，并与上电极或下电极大致平行。本发明专利技术还提供了一种自供电振动传感器装置和自供电振动传感器的制造方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自供电振动传感器及其制造方法，尤其涉及一种由锥状ZnO纳米线构成的自供电振动传感器及其制造方法。
技术介绍
在现有技术中，有关振动传感器的种类很多，这些器件中的核心部分多为基于PZT的压电陶瓷片或薄膜，而PZT中含有的Pb(铅)严重污染环境。且现有技术中的振动传感器一般结构都比较复杂，制作精度要求高，体积和重量比较大，并且需要外部电源供电，这些缺点限制了振动传感器的广泛应用。ZnO纳米线具有优良的环境友好性，是一种绿色的压电材料。2007年，美国佐治亚 理工的王中林教授通过用AFM的针尖拨动单跟纳米线，第一次观察到了 ZnO的发电现象。自此，不同结构，获取不同能量源的纳米发电机相继产生。对这些发电机的研究，不难发现，产生的电学信号与外界能量源的特征有密切关系，这包括频率、力的大小、形变量等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于ZnO纳米线的自供电振动传感器，以解决现有振动传感器体积和重量比较大、且需要外部电源供电的问题。本专利技术是利用ZnO纳米线的压电特性而构成的。在过去的几年里，基于ZnO纳米线的不同的结构的纳米发电机被相继报道。最初，在用原子力显微镜的针尖侧向推动ZnO纳米线的过程中观察到了发电现象(Wang Z L and Song J H 2006Science 312 242),紧接着制备了可以吸收高频超声波能量的发电机(Wang X D,Song J H,Liu J and Wang Z L2007Science 316102),之后又制备了横向的柔性发电机(Zhu G, Yang R S, Wang S H andWang Z L 20IONano letter. 10 3515)，可以把低频的能量转化为电能。这些改进极大地拓宽了纳米发电机将自然界浪费和闲置的能量源转化为电能的能力，同时也为监测这些能量源提供了一个全新的手段。纳米发电机能收集周围环境的振动机械能、声波和超声波产生的能量和人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。纳米发电机所产生的电学信号与其所受到的外界作用信号的特征相吻合。因此，可以通过直接测量和分析纳米发电机产生的电学信号就可获得机械振动，声波等外界作用的特征。由此，本专利技术提供一种自供电振动传感器，包括悬臂梁；悬臂梁上的自供电振动传感器元件，包括上电极和下电极；上电极和下电极之间的介电层；多条具有压电效应的纳米结构，位于介电层中，所述纳米结构与上电极和下电极绝缘，并与上电极或下电极大致平行。根据本专利技术提供的自供电振动传感器，其中所述纳米结构为ZnO纳米线。根据本专利技术提供的自供电振动传感器，其中悬臂梁由与下电极相同的材料与下电极一体形成，从而悬臂梁兼做下电极，由此可简化结构。 根据本专利技术提供的自供电振动传感器，其中所述介电层包括多个子介电层，每一子介电层中均包括多条锥状的ZnO纳米线。根据本专利技术提供的自供电振动传感器，其中悬臂梁上具有多个自供电振动传感器元件，各自供电振动传感器元件相互串联、并联或串并联。根据本专利技术提供的自供电振动传感器，其中自供电振动传感器元件设置在靠近悬臂梁固定端的一侧或设置在悬臂梁的中部。根据本专利技术提供的自供电振动传感器，其中悬臂梁上设置有质量块，以增加振动的振幅。本专利技术还提供一种自供电振动传感器装置，包括壳体；自供电振动传感器，固定在壳体的内表面上。根据本专利技术提供的自供电振动传感器装置，其包括多个自供电振动传感器，多个自供电振动传感器的固有振动频率相同或不同。根据本专利技术提供的自供电振动传感器装置，多个自供电振动传感器位于壳体的同一内表面上，或位于壳体的不同的内表面上。本专利技术还提供一种制备自供电振动传感器的方法，包括I)在下电极上沉积一介电材料层；2)在介电材料层上滴加含有均匀分散的多条锥状ZnO纳米线的乙醇溶液；3)再沉积一介电材料层；4)形成上电极；5)将步骤1-4形成的结构固定到悬臂梁上。根据本专利技术提供的制备自供电振动传感器的方法，其中悬臂梁由与下电极由相同的材料与下电极一体形成，在悬臂梁上直接进行步骤I。本专利技术提供的自供电振动传感器，由于采用了悬臂梁的结构，在受到外力振动时，可增大振动幅度、延长振动时间，因此无需外部供电、结构简单、体积小、质量轻、长寿命、可对被测物体进行全方位检测，且制备过成简单方便，无需复杂的工艺。不仅可以用于仪器设备的机械振动检测，声波的检测，还可用于人体中某些振动的检测，例如脉搏振动。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中图I为本专利技术提供的自供电振动传感器的布置示意图；图2为本专利技术提供的自供电振动传感器元件的剖面示意图；图3为本专利技术第I实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；图4为本专利技术第I实施例提供的自供电振动传感器当悬臂梁振动时产生的电学信号随时间变化的曲线；图5为本专利技术第I实施例提供的自供电振动传感器当悬臂梁受到周期性的方波外力作用时所产生的电学信号随时间变化的曲线；图6为本专利技术第2实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；图7为本专利技术第3实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；图8为本专利技术第4实施例提供的自供电振动传感器的剖面示意图；图9为本专利技术第5实施例提供的自供电振动传感器装置的示意图；以及图10为本专利技术第6实施例提供的自供电振动传感器装置的示意图。具体实施例方式基于ZnO纳米线的上述特征，本专利技术提供了一种如图I所示的自供电振动传感器， 包括悬臂梁2，固定到固定片3上；悬臂梁上的自供电振动传感器元件I。其中自供电振动传感器元件I (如图2所示,为图I所示的自供电振动传感器元件I的局部放大图)，包括上电极15;下电极12;上电极、下电极之间的介电层14 ;多条锥状的c轴方向生长的ZnO纳米线13 (为清晰起见在图2中仅示出一条)，位于介电层中且随机分布，大致与上、下电极平行，并与上、下电极绝缘。如图2所示，由于ZnO纳米线为锥状，因此ZnO纳米线的斜边大致与下电极平行，此时ZnO纳米线的c轴与下电极呈一角度α。当悬臂梁受到振动时，自由端产生偏离平横位置的位移，使得内部的ZnO纳米线发生应变，产生沿c轴方向(方向)的电势梯度。例如，当悬臂梁向上弯曲时，位于悬臂梁上边缘的传感器元件I中的ZnO纳米线受到压应力，这时产生的电势沿c方向由正变为负；当悬臂梁向下弯曲时，ZnO纳米线受到张应力，这时产生的电势沿c方向由负变为正。对于在基底上大量随机分布的ZnO纳米线，当其受到应力时，沿介电层平面内方向的电势分量由于ZnO纳米线的随机分布而彼此相互抵消，而沿介电层法向方向的电势分量则由于方向相同而叠加，从而宏观上仅在上下电极之间产生电势差。该电势差驱动外电路中的电子流动，从而产生电压或电流信号。得到的电学信号的频率与振动频率相同，幅值与振动幅值呈比例，从而可以得出周期、加速度和振幅等振动特征量。下面提供几种不同的实施例，这些实施例仅为示例性的，根据本专利技术对下列实施例做出的改进对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此同样落入本专利技术的范围。实施例I本实施例提供一种如图3所示的自供电振动传感器，包括厚度约200 μ m的PI (聚亚酰胺)基底111 ;基底111上的Cr/Au下电极112;下电极112上的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)介电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自供电振动传感器，包括：悬臂梁；悬臂梁上的自供电振动传感器元件，包括：上电极和下电极；上电极和下电极之间的介电层；多条具有压电效应的纳米结构，位于介电层中，所述纳米结构与上电极和下电极绝缘，并与上电极或下电极大致平行。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，于爱芳，江鹏，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：