振动传感器和背电极式振动传感器的制作方法

1.本发明涉及一种摩擦纳米发电技术，尤其涉及一种振动传感器和背电极式振动传感器。


背景技术：

2.振动传感器（特别是在几个khz到>100khz之间）在各个领域都非常受欢迎，例如结构健康监测、环境监测、医疗诊断、人机交互和物联网。现有的振动传感器（如压电、电容、光学和电磁传感器），由于受相对低频振动响应、窄工作频率范围和操作复杂性等因素影响，阻碍了它们在广泛的实际应用中的使用。电容式振动传感器已广泛商业化，但在信号检测方面存在操作复杂性。光学振动传感器显示出高灵敏度但不是自供电的，并且相关的监控系统很复杂，因为它们通常需要额外的设备（例如光源和光电探测器）来产生光信号并将其转换为电信号。电磁振动传感器是自供电的，但由于使用大容量磁性元件而通常体积庞大。压电振动传感器是自供电的，但受到工作频率范围窄和制造工艺复杂的限制。摩擦纳米发电机由于其独特的工作原理带来了新兴的自供电振动传感技术。尽管本领域技术人员早就致力于开发基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，但相对低频的振动响应范围（与几khz 至>100khz的频率范围相比）将导致在高频区域缺乏振动信号的明确细节并阻碍其进一步的实际实施。因此，开发具有高频振动响应能力和宽工作频率范围的自供电振动传感器来满足广泛的实际应用的需求仍然极具挑战性。


技术实现要素：

3.针对背景技术中的问题，本发明提出了一种振动传感器，其结构为：所述振动传感器由上绝缘层、下绝缘层、环形垫层、上导电层、下导电层和微粒状的振动体组成；所述上绝缘层、环形垫层和下绝缘层顺次层叠在一起；上导电层设置在上绝缘层的内壁上；下导电层设置在下绝缘层的内壁上；上导电层和下导电层之间留有间隙；具体实施时，为便于制作，可直接使上绝缘层、上导电层、环形垫层、下绝缘层和下导电层顺次层叠在一起；图1中所示结构，上导电层位于环形垫层的内孔中，采用这种结构需要控制上导电层的轮廓，使其与环形垫层的内孔轮廓匹配，在一定程度上会增加制作复杂度，但可以有效减少交界面的暴露，对交界面起到保护效果；环形垫层、上导电层和下导电层所围空间形成振动腔，所述振动体填充在振动腔内；振动体中单个微粒的粒径为毫米、微米或纳米量级；振动体和上导电层的摩擦电序列不同，振动体和下导电层的摩擦电序列不同。
4.前述振动传感器的工作原理是：将振动传感器设置在监测物表面，当监测物发生振动时，振动作用会通过振动传感器的结构件传递到振动体上，使振动体发生振动，振动体振动过程中，振动体中的大量微粒就会周期性地与上绝缘层和下绝缘层接触与分离，在摩擦起电和静电感应的耦合作用下，振动传感器就能产生交流电输出，通过对电信号进行检测，我们就能知道监测物的振动情况。
5.优选地，所述振动体由导电微粒和绝缘微粒混合而成；所述导电微粒由单种或多种导电材料加工而得；所述绝缘微粒由单种或多种绝缘材料加工而得。采用此优选方案后，振动体振动时，导电微粒和绝缘微粒也能相互摩擦起电，进一步提高传感器的电输出。
6.优选地，所述上绝缘层和下绝缘层均采用刚性绝缘材料制作。由此得到的振动传感器，其结构强度和振动敏感性都较好。
7.优选地，所述上绝缘层和下绝缘层均采用柔性绝缘材料制作。由此得到的振动传感器外形可弯曲，适合安装在外形不规则或外形为曲面的监测物上（如管道、手环或衣物等）。
8.在一些特殊场景下，还可使上绝缘层和下绝缘层中的一者采用刚性绝缘材料制作，另一者采用柔性绝缘材料制作。
9.优选地，所述环形垫层的厚度为0.01~3mm。
10.本发明还提出了一种背电极式振动传感器，其结构为：所述背电极式振动传感器由上表层、下表层、环形垫层、上电极层、下电极层、上内绝缘层、下内绝缘层和微粒状的振动体组成；所述上表层、环形垫层和下表层顺次层叠在一起；上电极层设置在上表层的内壁上，上内绝缘层层叠在上电极层的下侧面上；下电极层设置在下表层的内壁上，下内绝缘层层叠在下电极层的上侧面上；上内绝缘层和下内绝缘层之间留有间隙；具体实施时，为便于制作，可直接使上表层、上电极层、上内绝缘层、环形垫层、下内绝缘层、下电极层和下表层顺次层叠在一起；图2中所示结构，上电极层和上内绝缘层位于环形垫层的内孔中，采用这种结构需要控制上电极层和上内绝缘层的轮廓，使其与环形垫层的内孔轮廓匹配，在一定程度上会增加制作复杂度，但可以有效减少交界面的暴露，对交界面起到保护效果；环形垫层、上内绝缘层和下内绝缘层所围空间形成振动腔，所述振动体填充在振动腔内；振动体中单个微粒的粒径为毫米、微米或纳米量级；所述上表层和下表层均采用绝缘材料制作；振动体和上内绝缘层的摩擦电序列不同，振动体和下内绝缘层的摩擦电序列不同。
11.前述背电极式振动传感器的工作原理与振动传感器相似，二者的差异在于背电极式振动传感器采用了电极层和内绝缘层所构成的背电极式结构。
12.与振动传感器方案类似地，背电极式振动传感器的振动体也可采用如下优选方案：所述振动体由导电微粒和绝缘微粒混合而成；所述导电微粒由单种或多种导电材料加工而得；所述绝缘微粒由单种或多种绝缘材料加工而得。
13.与振动传感器方案类似地，背电极式振动传感器的上表层和下表层也可采用如下优选方案：所述上表层和下表层均采用刚性绝缘材料制作。
14.与振动传感器方案类似地，背电极式振动传感器的上表层和下表层还可采用如下优选方案：所述上表层和下表层均采用柔性绝缘材料制作。
15.在一些特殊场景下，还可使上表层和下表层中的一者采用刚性绝缘材料制作，另一者采用柔性绝缘材料制作。
16.与振动传感器方案类似地，背电极式振动传感器的环形垫层也可采用如下优选方案：所述环形垫层的厚度为0.01~3mm。
17.本发明的有益技术效果是：提出了一种振动传感器和背电极式振动传感器，该方案给出了一种全新的振动传感方式，传感器结构简单，易于制造，并且传感器能够自供能，再有，测试表明，传感器的振动频率响应范围可达3
‑
170khz，具有宽频响应能力，能够满足诸多实际应用的需求。
附图说明
18.图1、振动传感器断面结构示意图；图2、背电极式振动传感器断面结构示意图；图中各个标记所对应的名称分别为：上绝缘层1、下绝缘层2、环形垫层3、上导电层4、下导电层5、振动体6、上表层7、下表层8、环形垫层3、上电极层9、下电极层10、上内绝缘层11、下内绝缘层12。
具体实施方式
19.一种振动传感器，其创新在于：所述振动传感器由上绝缘层1、下绝缘层2、环形垫层3、上导电层4、下导电层5和微粒状的振动体6组成；所述上绝缘层1、环形垫层3和下绝缘层2顺次层叠在一起；上导电层4设置在上绝缘层1的内壁上；下导电层5设置在下绝缘层2的内壁上；上导电层4和下导电层5之间留有间隙；具体实施时，环形垫层3可采用方形、圆形或三角形垫圈、垫环，如有必要，也可采用异形结构的垫圈、垫环，材料可以是塑料材质或者陶瓷材质；具体实施时，可通过喷涂工艺，在上绝缘层1和下绝缘层2上喷涂导电材料来分别形成上导电层4和下导电层5；环形垫层3、上导电层4和下导电层5所围空间形成振动腔，所述振动体6填充在振动腔内；振动体6中单个微粒的粒径为毫米、微米或纳米量级；振动体6和上导电层4的摩擦电序列不同，振动体6和下导电层5的摩擦电序列不同。
20.进一步地，所述振动体6由导电微粒和绝缘微粒混合而成；所述导电微粒由单种或多种导电材料加工而得；所述绝缘微粒由单种或多种绝缘材料加工而得。具体实施时，绝缘微粒可采用塑料（如pet、ptfe等）或绝缘陶瓷（如氧化铝等）制作，导电微粒可采用金属（如ag、cu、fe等）或碳制作；进一步地，所述上绝缘层1和下绝缘层2均采用刚性绝缘材料制作，如陶瓷。
21.进一步地，所述上绝缘层1和下绝缘层2均采用柔性绝缘材料制作，如pet，ptfe或pdms等。
22.进一步地，所述环形垫层3的厚度为0.01~3mm。
23.一种背电极式振动传感器，其创新在于：所述背电极式振动传感器由上表层7、下表层8、环形垫层3、上电极层9、下电极层10、上内绝缘层11、下内绝缘层12和微粒状的振动体6组成；所述上表层7、环形垫层3和下表层8顺次层叠在一起；上电极层9设置在上表层7的内壁上，上内绝缘层11层叠在上电极层9的下侧面上；下电极层10设置在下表层8的内壁上，下内绝缘层12层叠在下电极层10的上侧面上；上内绝缘层11和下内绝缘层12之间留有间隙；具体实施时，环形垫层3可采用方形、圆形或三角形垫圈、垫环，如有必要，也可采用异形
结构的垫圈、垫环，材料可以是塑料材质或者陶瓷材质；具体实施时，可通过喷涂工艺，在上内绝缘层11和下内绝缘层12上喷涂导电材料来分别形成上电极层9和下电极层10；环形垫层3、上内绝缘层11和下内绝缘层12所围空间形成振动腔，所述振动体6填充在振动腔内；振动体6中单个微粒的粒径为毫米、微米或纳米量级；所述上表层7和下表层8均采用绝缘材料制作；振动体6和上内绝缘层11的摩擦电序列不同，振动体6和下内绝缘层12的摩擦电序列不同。
24.进一步地，所述振动体6由导电微粒和绝缘微粒混合而成；所述导电微粒由单种或多种导电材料加工而得；所述绝缘微粒由单种或多种绝缘材料加工而得。具体实施时，绝缘微粒可采用塑料（如pet、ptfe等）或绝缘陶瓷（如氧化铝等）制作，导电微粒可采用金属（如ag、cu、fe等）或碳制作；进一步地，所述上表层7和下表层8均采用刚性绝缘材料制作，如陶瓷。
25.进一步地，所述上表层7和下表层8均采用柔性绝缘材料制作，如pet，ptfe或pdms等。
26.进一步地，所述环形垫层3的厚度为0.01~3mm。
27.具体实施时，本发明可用于结构健康监测（如汽车发动机监测、铁轨断裂检测、地质勘探、管道泄露监测等），上、下绝缘层或上、下表层采用柔性绝缘材料制作时，传感器可以更好地与管道表面贴合，进行管道泄露监测，而且还可设置在手环上，作为穿戴器件来传感语音等振动。
28.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。
29.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。