摩擦纳米发电机、应用其的监测装置和自驱动卡片灯的制作方法

文档序号:11111409阅读:749来源:国知局
摩擦纳米发电机、应用其的监测装置和自驱动卡片灯的制造方法

本发明涉及纳米发电领域,具体地,涉及一种摩擦纳米发电机、应用该摩擦纳米发电机的检测装置和自驱动卡片灯。



背景技术:

越来越多的人被睡眠紊乱所困扰,在临床诊断中,主要通过多导睡眠监测系统诊断患者的睡眠情况。睡眠监测指数包括EEG、ECG、EOG、EMG、胸腹式呼吸运动、鼾声、脉搏、血氧饱和度、脉搏波、呼吸频率、体位等。通过多导睡眠监测系统记录并分析睡眠时各种生理参数,可以实现对睡眠障碍、睡眠呼吸紊乱和睡眠呼吸暂停、低通气综合征疾病的分析、诊断。然而,该系统耗电量大,设备庞大和繁杂,给患者的使用和医护人员的操作带来了不便。

因此,需要一种自驱动的无需额外电源的传感器来监测睡眠中肢体运动、体位变化等。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种摩擦纳米发电机、应用其的监测装置和自驱动卡片灯,以解决上述现有技术中的问题。

为了实现上述目的,本发明提供一种摩擦纳米发电机,其中,该摩擦纳米发电机包括:第一发电部件;以及第二发电部件,所述第二发电部件具有凹陷部、比所述凹陷部的凹陷面高第一预定距离的第一支撑面和比所述凹陷部的凸起面高第二预定距离的第二支撑面,所述第一支撑面和所述第二支撑面分别与所述第一发电部件接触,在静止状态下所述第一发电部件在所述第一支撑面和所述第二支撑面的支撑作用下不与所述凹陷部接触,而在外力作用下所述第一发电部件发生形变而与所述凹陷部接触或分离,并基于该形变产生并输出电信号。

优选地,所述第一发电部件的数量为一个,所述第二发电部件夹在折叠后的所述第一发电部件之间以使所述第一支撑面和所述第二支撑面分别与所述第一发电部件接触。

优选地,所述第一发电部件的数量为两个,所述第二发电部件夹在两个所述第一发电部件之间以使所述第一支撑面和所述第二支撑面分别与所述第一发电部件接触。

优选地,所述第一发电部件包括有机高分子薄膜层、金属薄膜层和微结构层,在外力作用下所述微结构层与所述凹陷部接触或分离,且在接触和分离的过程中,所述微结构层与所述凹陷部之间产生摩擦电势差。

优选地,所述有机高分子薄膜层的材料选自以下中的至少一种:聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

优选地,所述金属薄膜层为铝薄膜层。

优选地,所述微结构层为以下结构中的一种或多种形成的阵列:纳米线、纳米管、纳米棒和纳米柱。

优选地,所述微结构层的材料为流延聚丙烯。

优选地,所述有机高分子薄膜层的厚度范围为12μm至40μm,所述金属薄膜层的厚度范围为30μm至50μm,所述微结构层的厚度范围为20μm至100μm。

优选地,所述第二发电部件的材料为金属,所述金属选自以下中任一者:铜、铁和锰钢。

本发明还提供了一种监测装置,其中,包括上述的摩擦纳米发电机,用于肢体运动监测的压力传感器。

优选地,所述摩擦纳米发电机输出的电信号数据通过远程控制技术发送给监测机构。

本发明还提供了一种自驱动卡片灯,其中,包括上述的摩擦纳米发电机,将所述摩擦纳米发电机的输出端连接至照明部件。

通过上述技术方案,将所述第二部件设置为具有凹陷部、分别与所述第一发电部件接触的第一支撑面和第二支撑面,在静止状态下所述第一发电部件在所述第一支撑面和所述第二支撑面的支撑作用下不与所述凹陷部接触,而在外力作用下所述第一发电部件发生形变而与所述凹陷部接触或分离,并基于该形变产生并输出电信号。由此,本发明上述的摩擦纳米发电机能够将机械能转换为电能,且其输出的电信号的变化能够反映施加至该发电机的外力变化,从而可以将该摩擦纳米发电机用做自驱动的压力传感器,实现压力的检测。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:

图1是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机的结构示意图;

图2是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机的第二发电部件的示意图;

图3是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机的工作原理示意图;

图4是根据本发明一种实施方式的基于不同直径的纳米柱的摩擦纳米发电机的输出电压比较示意图;

图5是根据本发明一种实施方式的基于不同直径的纳米柱的摩擦纳米发电机的输出电流比较示意图;以及

图6是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机用于睡眠监测中的肢体运动监测的电压输出示意图。

附图标记说明

1 第一发电部件 2 第二发电部件

10 有机高分子薄膜层 11 金属薄膜层 12 微结构层

20 凹陷部 21 第一支撑面 22 第二支撑面

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。

图1是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机的结构示意图。

如图1所示,本发明一种实施方式提供的摩擦纳米发电机包括:第一发电部件1;以及第二发电部件2,所述第二发电部件2具有凹陷部20、比所述凹陷部20的凹陷面高第一预定距离的第一支撑面21和比所述凹陷部20的凸起面高第二预定距离的第二支撑面22,所述第一支撑面21和所述第二支撑面22分别与所述第一发电部件1接触,在静止状态下所述第一发电部件1在所述第一支撑面21和所述第二支撑面22的支撑作用下不与所述凹陷部20接触,而在外力作用下所述第一发电部件1发生形变而与所述凹陷部20接触或分离,并基于该形变产生并输出电信号。

通过上述技术方案,将所述第二部件设置为具有凹陷部、分别与所述第一发电部件接触的第一支撑面和第二支撑面,在静止状态下所述第一发电部件在所述第一支撑面和所述第二支撑面的支撑作用下不与所述凹陷部接触,而在外力作用下所述第一发电部件发生形变而与所述凹陷部接触或分离,并基于该形变产生并输出电信号。由此,本发明上述的摩擦纳米发电机能够将机械能转换为电能,且其输出的电信号的变化能够反映施加至该发电机的外力变化,从而可以将该摩擦纳米发电机用做自驱动的压力传感器,实现压力的检测。

本发明还提供了一种监测装置,其中,包括上述实施方式中所述的摩擦纳米发电机,用于肢体运动监测的压力传感器。

本发明还提供了一种自驱动卡片灯,其中,包括上述实施方式中所述的摩擦纳米发电机,将所述摩擦纳米发电机的输出端连接至照明部件。

举例来讲,可以将本发明上述的摩擦纳米发电机用做用于睡眠监测中的肢体运动监测的压力传感器或是用于制作用于应急照明的自驱动卡片灯。

在例如用作用于睡眠监测中的肢体运动监测的压力传感器的情况下,由于无需外部额外供电设备进行供电,且具有质量轻、体积小等优点,所以方便了患者的使用和操作。例如,患者可以在家测试,并将输出的电信号数据通过远程控制技术发送给监测机构例如医疗中心,从而医生可以进行远程监控和会诊。除了睡眠检测,应用本发明提供的摩擦纳米发电机的检测装置也可以应用在其他疾病的检测中,例如步态检测、计步等,还可以应用在一些慢性病的检测中,检测肢体的运动等情况。

其中,对于远程控制技术,可以采用现有技术中已有的远程控制方法和系统实现数据的传递,本发明不对此进行限定。例如,摩擦纳米发电机输出的电信号可以利用各种移动终端(手机、笔记本电脑、平板电脑等)经由网关通过因特网或通信塔传递至医疗中心(救护车等)以供医生分析使用。

在例如用于制作用于应急照明的自驱动卡片灯的情况下,将摩擦纳米发电机的输出端连接至照明部件例如外部LED灯,按压时第一发电部件1发生形变而与所述凹陷部20接触和无压力时第一发电部件1自行复位而与凹陷部20分离的过程产生电子运动,可以使得发电机输出的电信号为外部LED灯供电而点亮LED等,从而实现应急照明作用。由于摩擦纳米发电机具有质量轻、体积小等优点,所以由此制成的自驱动卡片灯便于携带,方便使用。

在本发明中,第二发电部件2包括凹陷部20、第一支撑面21和第二支撑面22的结构可以称为双面凹陷结构。图2是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机的第二发电部件的示意图。例如,如图2所示,凹陷部20为向下中空凹陷的部分;凹陷部20相对于第一支撑面21为凹陷状态;而相对于第二支撑面22而言由于凸起面低于第二支撑面22(例如,凸起面的凸起高度小于第二支撑面22的高度),所以也可以称之为凹陷状态。由于

本领域技术人员应当理解,图2仅仅是本发明所述的发电机的第二部件2的一个示例性侧视图,并非用于限定本发明。

其中,第一预定距离和第二预定距离可以相同,例如均为1mm。

根据本发明一种实施方式,所述第二发电部件2的材料可以为金属,所述金属选自以下中任一者:铜、铁和锰钢。

例如,第二发电部件2可以为具有凹陷部20、第一支撑面21和第二支撑面22的弹性金属薄片。

继续参照图1,如图1所示,根据本发明一种实施方式,所述第一发电部件1的数量可以为一个,所述第二发电部件2夹在折叠后的所述第一发电部件1之间以使所述第一支撑面21和所述第二支撑面22分别与所述第一发电部件1接触(所述第一支撑面21和所述第二支撑面22分别与折叠后的所述第一发电部件1的两个面贴合)。

通过折叠第一发电部件1的方式将第二发电部件2夹在中间,封装的过程中只需要对三侧开口进行封口操作,密封性更好。例如,可以通过热塑机在160℃时加热加压封口。

其中,所述第一支撑面21和所述第二支撑面22可以被固定至所述第一发电部件1。

根据本发明一种实施方式,虽然图1中所示的第一发电部件1的数量为一个,但可替换地,所述第一发电部件1的数量也可以为两个,所述第二发电部件2夹在两个所述第一发电部件1之间以使所述第一支撑面21和所述第二支撑面22分别与所述第一发电部件1接触。

如图1所示,所述第一发电部件1可以包括有机高分子薄膜层10、金属薄膜层11和微结构层12,在外力作用下所述微结构层12与所述凹陷部20接触或分离,且在接触和分离的过程中,所述微结构层12与所述凹陷部20之间产生摩擦电势差。

其中,所述有机高分子薄膜层10用于保护中间的金属薄膜层11免受划伤,并且在加工过程中保证材料的耐磨性,以及对使用过程中对器件造成的冲击震荡起到保护内部结构的作用。有机高分子薄膜层10的抗冲击性能、耐穿刺性能、耐热及绝缘性能、耐摩擦性能均表现良好。

举例来讲,在顶施加外部压力时,上部的微结构层12和中间的凹陷部20变形(弯曲)内陷与下部的微结构层12接触(此时,上部的微结构层12和下部的微结构层12与中间的凹陷部20的凹陷面和凸起面分别接触)。因为微结构层12与凹陷部20的接触电势差,因此产生了电子的运动,从而在外电路产生了电流。当外部压力消失后,中间的凹陷部20变形内陷部分弹起,上部的微结构层12和下部的微结构层12与凹陷部20分离,分离距离的变化使两个接触层的电势差发生变化,从而引起电子的再次运动。接触分离式的摩擦电流在施压和释放压力的时候产生,如图3所示(图3是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机的工作原理示意图)。

在图3中,图3中的(a)是摩擦纳米发电机处于静止状态;图3中的(b)是摩擦纳米发电机正被施加外力的情况,此时摩擦发电机能够产生电信号;图3中的(c)是摩擦纳米发电机无外力施加但尚未释放之前的压力的情况;图3中的(d)是摩擦纳米发电机释放压力的情况,此时摩擦发电机能够产生电信号。

根据本发明一种实施方式,所述有机高分子薄膜层10的材料可以选自以下中的至少一种:聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

根据本发明一种实施方式,所述金属薄膜层11可以为铝薄膜层(铝箔层)。所述微结构层12可以为以下结构中的一种或多种形成的阵列:纳米线、纳米管、纳米棒和纳米柱。其中,所述微结构层12的材料可以为流延聚丙烯(CPP)。

在第一发电部件1中所述有机高分子薄膜层10为聚酰胺(尼龙)层、金属薄膜层11为铝薄膜层以及微结构层12流延聚丙烯层的情况下,所述第一发电部件1可以被称为铝塑膜。该铝塑膜的总厚度的范围可以为100-200μm。

采用铝塑膜制备摩擦纳米发电机,不仅不需要在聚合物电极上额外沉积或粘接导电层,而且由于铝塑膜具有优异的柔性、防水性能和耐磨性能,所以由此制成的摩擦纳米发电机非常适于制备可穿戴的传感器。

其中,所述有机高分子薄膜层10的厚度范围可以为12μm至40μm,所述金属薄膜层11的厚度范围可以为30μm至50μm,所述微结构层12的厚度范围可以为20μm至100μm。

根据本发明一种实施方式,以所述微结构层12为纳米柱阵列(参见图1中微结构层12上的柱状凸起)为例对本发明的摩擦纳米发电机进行说明。

其中,纳米柱阵列例如可以利用氧化铝模板通过热塑法制备。首先将氧化铝模板与铝塑膜的CPP层面对面叠放,平整接触面并夹紧。在160-200℃氛围下放置5-15分钟,然后冷却至室温。将氧化铝模板移去后即得到CPP纳米柱状阵列。

纳米柱的直径、长度和间隔均可通过模板控制。由于纳米柱可以增强摩擦起电效应,并且有利于电荷的分离,所以不同尺寸的纳米柱对摩擦起电的效果产生不同影响。本领域技术人员可以根据实际情况确定纳米柱的尺寸。

例如,可以选用直径范围在300nm-800nm之间、长度范围在1-3μm之间的纳米柱组成纳米柱阵列,各个纳米柱之间的间隔范围可以为100-300nm,此时产生的电子输出较佳。

图4是根据本发明一种实施方式的基于不同直径的纳米柱的摩擦纳米发电机的输出电压比较示意图。图5是根据本发明一种实施方式的基于不同直径的纳米柱的摩擦纳米发电机的输出电流比较示意图。

在图4中,曲线(a)、(b)、(c)、(d)分别表示无纳米柱的摩擦纳米发电机、凹陷部一侧设置直径为600nm的纳米柱的摩擦纳米发电机、凹陷部两侧均设置直径为600nm的纳米柱的摩擦纳米发电机、以及凹陷部两侧均设置直径为350nm的纳米柱的摩擦纳米发电机各自的输出电压示意图。

在图5中,曲线(a)、(b)、(c)、(d)分别表示无纳米柱的摩擦纳米发电机、凹陷部一侧设置直径为600nm的纳米柱的摩擦纳米发电机、凹陷部两侧均设置直径为600nm的纳米柱的摩擦纳米发电机、以及凹陷部两侧均设置直径为350nm的纳米柱的摩擦纳米发电机各自的输出电流示意图。

由图4至图5可知,具有直径为600nm的纳米柱的摩擦纳米发电机产生的电流和电压强于具有直径为350nm的纳米柱的摩擦纳米发电机。双面纳米柱强于单面纳米柱的摩擦起电效果。

从上述实施方式可以看出,本发明所述的摩擦纳米发电机可以循环发电,性能几乎无衰减,且其灵敏度保持不变。因此可以将其贴于身体表面(例如胳膊外侧),用于监测睡眠中的肢体运动监测。

图6是根据本发明一种实施方式的摩擦纳米发电机用于睡眠监测中的肢体运动监测的电压输出示意图。

在图6中,波峰部分所对应的是人体处于平躺状态(此时无外力施加),波谷部分所对应的是人体翻身至侧卧状态(此时有外力施加)。如图6所示,睡眠过程中人的翻身运动使摩擦纳米发电机的CPP面与中间的金属薄片接触,从而产生电压信号。通过记录摩擦纳米发电机输出的电压的变化可实时记录和监控其翻身运动。因此本发明所述的摩擦纳米发电机可用作自驱动的传感器,无需外部额外的电源设备。通过远程控制模块,可将该信号传输到医疗中心或者医护人员的手机、笔记本电脑等终端设备,便于医生进行监控和会诊。由此,不仅方便了患者,也给医护人员的操作和诊治带来便利。

本领域技术人员应当理解,上述关于材料、数值等的描述,仅仅是示例性的,并非用于限定本发明。

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。

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。

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