基于摩擦纳米发电机的压力传感器及其制备方法、应用

1.本技术涉及一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器及其制备方法、应用，属于新型传感器技术领域。


背景技术：

2.2012年，王中林团队发表了《flexible triboelectric generator》，主要为基于接触起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机，其在能量采集和传感器设计领域取得了广泛应用。基于摩擦纳米发电机的压力传感器大部分适用于低压范围(《1kpa)，其中应用于高压范围(》1kpa)的压力传感器存在着检测限较高的问题和灵敏度差的问题。此外，上述的压力传感器大部分是通过有线连接，给使用者带来不便。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本技术提供了一种检测限低，灵敏度高，检测范围广的压力传感器制备方法，以及提供了一种由16个压力传感器组成的无线传感阵列用于运动检测。
4.根据本技术的一个方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器，包括正电产生端和负电产生端；
5.所述正电产生端包括基底i和摩擦电正性材料层，所述摩擦电正性材料层贴合于所述基底i上；
6.所述负电产生端包括基底ii、支撑体和摩擦电负性材料薄膜，至少一个所述支撑体的平面端固定在所述基底ii上，所述支撑体的凸面端覆盖所述摩擦电负性材料薄膜；
7.所述摩擦电负性材料薄膜上设有均匀的凸起；
8.在所述支撑体的凸面端最高点上的所述凸起与所述摩擦电正性材料层接触。
9.在静止状态下，摩擦电正性材料层与凸起只有极小的接触面积，在外力作用下，摩擦电负性材料薄膜发生形变而与摩擦电正性材料层发生接触或分离，基于该相对面积的变化产生电信号。其中，摩擦电负性材料薄膜上的凸起不仅降低检测限，同时还能提高检测灵敏度。
10.可选地，所述摩擦电负性材料薄膜包括纳米颗粒。
11.可选地，所述纳米颗粒选自钛酸钡、碳纳米管、锡酸锌、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化锌、氮化硅、氮化铝中的至少一种。
12.可选地，所述摩擦电正性材料层为导电材料。
13.可选地，所述摩擦电正性材料层的材料选自金、银、铜、铁、镍、铝、碳纤维、石墨中至少一种。
14.可选地，所述基底i选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、全氟乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
15.可选地，所述基底ii选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、全氟乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
16.可选地，所述凸起为微米级圆柱凸起。
17.可选地，所述凸起的直径为50～300μm，所述凸起的高度为150～900μm，相邻所述凸起之间的间隔为50～500μm。
18.可选地，所述凸起的直径选自50μm、100μm、150μm、200μm、300μm中的任意值或两值之间的范围值。
19.可选地，所述凸起的高度选自150μm、300μm、450μm、600μm、750μm、900μm中的任意值或两值之间的范围值。
20.可选地，相邻所述凸起之间的间隔选自150μm、300μm、450μm、600μm、750μm、900μm中的任意值或两值之间的范围值。
21.可选地，所述摩擦电负性材料薄膜的厚度为50～100μm。
22.可选地，所述摩擦电负性材料薄膜的厚度选自50μm、60μm、70μm、90μm、100μm中的任意值或两值之间的范围值。
23.可选地，所述摩擦电正性材料薄膜的厚度为50～100μm。
24.可选地，所述摩擦电正性材料薄膜的厚度选自50μm、65μm、80μm、100μm中的任意值或两值之间的范围值。
25.可选地，所述支撑体选自半圆柱支撑体或半球状支撑体，其中，支撑体设置为半圆柱或半球状可以增加检测范围。
26.根据本技术的又一方面，提供了一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
27.a)将摩擦电正性材料层贴合于基底i上，得到正电产生端；
28.b)将含有摩擦电负性材料聚合物、纳米颗粒、溶剂i的混合溶液i倒入带有凹槽的模具中，固化i后得到摩擦电负性材料薄膜；
29.c)将含有聚合物、溶剂ii的混合溶液ii倒入支撑体模具中，固化ii后得到支撑体；
30.d)所述支撑体的平面端和凸起端通过固定胶分别与基底ii和摩擦电负性材料薄膜贴合，得到负电产生端。
31.可选地，步骤b)中，所述模具的凹槽直径为50～300μm，凹槽深度为150～900μm，相邻凹槽的间隔为50～500μm。
32.可选地，步骤b)中，所述模具的凹槽直径为50μm、100μm、150μm、200μm、300μm中的任意值或两值之间的范围值。
33.可选地，步骤b)中，所述模具的凹槽深度为150μm、300μm、450μm、600μm、750μm、900μm中的任意值或两值之间的范围值。
34.可选地，步骤b)中，相邻所述模具的间隔为50μm、100μm、135μm、250μm、400μm、500μm中的任意值或两值之间的范围值。
35.可选地，所述支撑体模具为半圆柱或半球状。
36.可选地，步骤a)中，所述摩擦电正性材料层与基底i的贴合方式选自真空蒸镀法、溅射镀膜、化学气相沉积、旋涂中的一种。
37.可选地，所述固化i的温度为50～180℃，固化i的时间为0.5～6h。
38.可选地，所述固化i的温度选自50℃、70℃、100℃、150℃、180℃中的任意两值或两值之间的范围值
39.可选地，所述固化i的时间选自0.5h、1h、2h、4h、6h中的任意值或两值之间的范围
值。
40.可选地，所述固化ii的温度为50～180℃，固化ii的时间为0.5～6h。
41.可选地，所述固化ii的温度选自50℃、70℃、100℃、150℃、180℃中的任意两值或两值之间的范围值。
42.可选地，所述固化ii的时间选自0.5h、1h、2h、4h、6h中的任意值或两值之间的范围值。
43.可选地，所述摩擦电负性材料聚合物选自聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、聚三氟乙烯、聚醚砜中的至少一种。
44.可选地，步骤c)中，所述聚合物选自聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、聚三氟乙烯、聚醚砜中的至少一种。
45.可选地，所述混合溶液i中，所述摩擦电负性材料聚合物与纳米颗粒的质量比为：100：(1～50)。
46.可选地，所述混合溶液i中，所述摩擦电负性材料聚合物与纳米颗粒的质量比选自100:1、100:1.5、100:3、100:5、100:50中的任意比值或两比值之间的范围值。
47.可选地，所述混合溶液ii中的聚合物的浓度为：3wt％～10wt％。
48.可选地，所述混合溶液ii中的聚合物的浓度选自3wt％、3.8wt％、6wt％、9wt％、10wt％中的任意值或两值之间的范围值。
49.可选地，溶剂i选自水、苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、异丙醇、六氟异丙醇中的至少一种。
50.可选地，所述溶剂ii选自水、苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、异丙醇、六氟异丙醇中的至少一种。
51.可选地，所述固定胶为热熔胶或压敏胶。
52.作为本技术一种具体的实施方式，基于纳米发电机的压力传感器具有如下步骤：
53.第一步：在基底表面覆盖一层薄膜作为摩擦电正性材料。
54.第二步：将制备摩擦电负性材料的聚合物和纳米颗粒加入到相应溶剂中，通过搅拌、超声形成单一聚合物溶液或者含两种以上聚合物的混合溶液。
55.第三步：将第二步所得到的溶液倒入具有柱状凹槽的模具中，通过脱气、固化得到聚合物薄膜。
56.第四步：将制备半圆柱的聚合物加入到相应溶剂中，通过搅拌、超声形成单一聚合物溶液或者含两种以上聚合物的混合溶液。
57.第五步：将第四步得到的溶液倒入模具中，通过脱气、固化得到半圆柱。
58.第六步：使用热熔胶或压敏胶将半圆柱和聚合物薄膜紧密贴合。
59.第七步：使用热熔胶或压敏胶将半圆柱和基底紧密贴合。
60.根据本技术的又一个方面，提供了一种无线传感阵列的运动检测装置，包括上述的压力传感器以及由上述方法制备得到的压力传感器。
61.可选地，所述压力传感器输出的电信号数据通过无线传输至手机。
62.具体的，将传感器阵列集成在拳击桩表面，无线传感系统可将运动员击打的力量大小、位置以及击打频率传输至手机并保存，为运动员的动作优化提供了有效的数据信息。
63.本技术能产生的有益效果包括：
64.1)本技术所提供的压力传感器，可有效的检测外力变化，具有较低的检测限，可以检测到微弱的力，同时还具有较大的检测范围，应用于多种场景。
65.2)本技术所提供的压力传感器，加入纳米颗粒可有效的提高摩擦纳米发电机的输出性能，提高了传感器的灵敏度。具体的，聚二甲基硅氧烷中钛酸钡最优加入比例为100:3，此时开路电压提升104％，短路电流提升92％，短路电荷提升85％。
66.3)本技术所提供的压力传感器的一种应用，一种无线传感阵列的运动检测装置，具有更好的便携性，在运动检测领域有着广泛的应用空间。
附图说明
67.图1为本技术基于摩擦纳米发电机的压力传感器结构示意图；
68.图2为本技术基于摩擦纳米发电机的压力传感器支撑体局部方法图；
69.图3为本技术对比例1与实施例2至4中聚二甲基硅氧烷加入不同质量比的钛酸钡(100:0、100:1.5、100:3、100:5)对摩擦纳米发电机开路电压的影响；
70.图4为本技术对比例1与实施例2至4中聚二甲基硅氧烷加入不同质量比的钛酸钡(100:0、100:1.5、100:3、100:5)对摩擦纳米发电机短路电流的影响；
71.图5为本技术对比例1与实施例2至4中聚二甲基硅氧烷加入不同质量比的钛酸钡(100:0、100:1.5、100:3、100:5)对摩擦纳米发电机短路电荷的影响；
72.图6为本技术实施例1所述的压力传感器的灵敏度曲线；
73.图7为本技术应用例的传感示意图；
74.图8为本技术应用例的无线传感工作原理。
75.部件和附图标记列表：
76.1、正电产生端，2、负电产生端，3、基底i，4、摩擦电正性材料层，5、支撑体，51、平面端，52、凸面端，6、摩擦电负性材料薄膜，61、凸起，7、基底ii。
具体实施方式
77.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
78.如无特别说明，本技术的实施例中的原料均通过商业途径购买。
79.本技术的实施例中分析方法如下：
80.利用静电计keithley 6514、线性马达p01-37x120-c/c1100对开路电压进行分析；
81.利用静电计keithley 6514、线性马达p01-37x120-c/c1100对短路电流进行分析；
82.利用静电计keithley 6514、线性马达p01-37x120-c/c1100对短路电荷进行分析；
83.利用静电计keithley 6514、线性马达p01-37x120-c/c1100、压力传感器jhbs-500n对压力传感器的灵敏度进行分析。
84.实施例1
85.如图1和图2所示，本发明一种实施方式提供的一种基于摩擦纳米发电机的压力传感器，包括正电产生端1和负电产生端2；
86.所述正电产生端1包括基底i 3和摩擦电正性材料层4，所述摩擦电正性材料层4贴合于所述基底i 3上；
87.所述负电产生端2包括基底ii 7、支撑体5和摩擦电负性材料薄膜6，至少一个所述
支撑体5的平面端51固定在所述基底ii 7上，所述支撑体5的凸面端52覆盖所述摩擦电负性材料薄膜6；
88.所述摩擦电负性材料薄膜6上设有均匀的凸起61；
89.在所述支撑体5的凸面端52最高点上的所述凸起61与所述摩擦电正性材料层4接触。
90.在具体实施例中，凸起61为微米级圆柱凸起，凸起的直径为300μm，凸起的高度为900μm，相邻凸起的间隔为135μm；通过在摩擦电负性材料薄膜6上设置多个凸起61，可以降低检测限，同时还可以提高检测的灵敏度。
91.在具体实施例中，摩擦电负性材料薄膜6的厚度为70μm；
92.摩擦电正性材料层4的厚度为80μm。
93.在具体实施例中，支撑体5选自半圆柱支撑体或半球状支撑体，通过将支撑体5设置成半圆柱或半球状，可以有效增加压力传感器的检测范围。
94.实施例2
95.基于摩擦纳米发电机的压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
96.第一步:通过磁控溅射技术在聚甲基丙烯酸甲酯板(尺寸为：50mm
×
50mm
×
2mm)上覆盖一层80μm厚的铜膜。
97.第二步：将聚二甲基硅氧烷(10g)及交联剂(2g)，钛酸钡颗粒(0.36g，尺寸为100nm)通过搅拌、超声分散在三氯甲烷(300g)中，形成混合溶液i，其中混合溶液i中聚二甲基硅氧烷与纳米颗粒的质量比为100:3。
98.第三步：然后第二步得到的混合溶液i倒入具有柱状凹槽的模具中脱气、固化。固化的温度为70℃，时长1h。固化好的薄膜厚度为70μm，固化好的薄膜表面微米柱直径为300μm，长度为900μm，间隔为135μm。
99.第四步：将聚二甲基硅氧烷(2.85g)及交联剂(0.15g)通过搅拌分散在三氯甲烷(75g)中，制备混合溶液ii。
100.第五步：将第四步得到的混合溶液ii倒入支撑体模具中，通过脱气、固化得到三个半圆柱，半圆柱的高为40mm，半径为4mm。固化的温度为100℃，时长2h。
101.第六步：使用压敏胶将半圆柱和聚合物薄膜紧密贴合。
102.第七步：使用压敏胶将半圆柱和基底紧密贴合。
103.实施例3
104.实施例3提供了一种压力传感器的制备方法，制备步骤与实施例2相同，其中不同的为所述混合溶液i中聚二甲基硅氧烷与纳米颗粒的质量比为100:1.5。
105.实施例4
106.实施例4提供了一种压力传感器的制备方法，制备步骤与实施例2相同，其中不同的为所述混合溶液i中聚二甲基硅氧烷与纳米颗粒的质量比为100:5。
107.对比例1
108.对比例1提供了一种压力传感器的制备方法，制备步骤与实施例2相同，其中不同的为所述混合溶液i中不含有纳米颗粒。
109.通过静电计keithley 6514、线性马达p01-37x120-c/c1100分别测得对比例1与实施例2至4的摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流和短路电荷，混合溶液i中不同质量比的
纳米颗粒对摩擦纳米发电机的影响分别如图3至图5所示，加入钛酸钡后可提升摩擦纳米发电机的输出性能，提高传感器的灵敏度。聚二甲基硅氧烷中钛酸钡最优加入比例为100:3，此时开路电压提升104％，短路电流提升92％，短路电荷提升85％。
110.通过静电计keithley 6514、线性马达p01-37x120-c/c1100、压力传感器jhbs-500n对压力传感器的灵敏度进行测试，得到压力传感器的灵敏度曲线，如图6所示，可以得知该压力传感器有较低的检测限，在两个压力区间内，电压和压力均有较好的线性关系。
111.应用例1
112.本发明还提供了一种由16个压力传感器组成的无线传感阵列用于运动检测。当外力给与传感器一定的刺激，手机上便可显示和记录力的大小、位置以及频率。
113.该阵列由数据采集，数据外理和数据显示三个部分组成。以单片机为核心，采用合适的频率采集压力传感器阵列的信号，然后通过蓝牙模块将传感器的信号发送至手机端进行数据显示，系统总体结构示意图如图7所示。
114.具体的工作原理如图8所示，传感器阵列受到外力刺激时，由电压信号采集电路采集并将信号输出到a/d转换电路，该模拟信号由a/d转换电路转换为数字信号，输入到单片机，单片机将接收到的数字信号进行数据处理，然后通过蓝牙传输到手机端实时显示。
115.将传感器阵列集成在拳击桩表面，当运动员进行训练时，无线传感系统可将运动员击打的力量大小、击打的位置以及击打频率传输至手机并保存，为运动员的动作优化提供了有效的数据信息。
116.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。