一体式摩擦发电机及振动传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一体式摩擦发电机及振动传感器领域，尤其是涉及一种利用振动、低频响应优良的摩擦发电机及振动传感器。
【背景技术】
[0002]目前，能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大课题之一。各种围绕新能源开发、可重复利用再生能源的研究正在世界各地如火如荼地进行着。
[0003]采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米系统中起关键作用。并且，由于其具备环保、成本低、自驱动等特性，受到了广泛关注。现有压电传感器是利用压电材料受力后产生的压电效应制成的传感器，已经广泛用于声学、医疗、工业、交通、安防等众多领域，正逐步改变人们的生活和工作方式，成为社会发展的趋势。压电材料在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷。压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，现有技术通常采用极化聚偏氟乙烯(PVDF)、聚二氟乙烯和聚三氟乙烯共聚物作为压电材料。然而,现有技术中，没有将摩擦发电机用于检测物体振动状态的振动传感器。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供了一种一体式摩擦发电机，能够用作振动传感器，其利用振源产生的振动，通过一体设置的振动摩擦层进行共振摩擦获得电压信号，适用于0HZ-55HZ低频振动的检测。
[0005]为了解决上述技术问题,本发明提供的第一技术方案,一种一体式摩擦发电机,该一体式摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层，振动摩擦层，和第二电极层；其中，振动摩擦层包括第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层进行一体设置呈一体式；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框形成的阵列，使得第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间形成多个空腔；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框的高度高于微纳结构的凸起高度。
[0006]前述的一体式摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层所用材料是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚四氟乙烯(PTFE)、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
[0007]前述的一体式摩擦发电机，所述振动摩擦层进一步包括第三高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层进行一体设置呈一体式；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微框形成的阵列，使得第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间形成多个空腔，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层之间形成多个空腔；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构，和/或第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有凸起的微纳结构；第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框的高度高于微纳结构的凸起高度。
[0008]前述的一体式摩擦发电机，所述第三高分子聚合物绝缘层所用材料是聚二甲基硅氧烷、丁腈橡胶、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维素海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚四氟乙烯(PTFE )、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
[0009]前述的一体式摩擦发电机，每个微框为方框形或中空的圆柱形。
[0010]一体式摩擦发电机前述的一体式摩擦发电机，每个微框的高度比微纳结构的凸起高度高 10 μ m-500 μ m。
[0011]前述的一体式摩擦发电机，每个微框的边长尺寸或直径尺寸为0.lcm-3cm，其高度为 20 μ m-510 μ m。
[0012]前述的一体式摩擦发电机，所述微纳结构凸起高度为10 μ m-500 μ m。
[0013]前述的一体式摩擦发电机，第一电极层和第二电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、钼、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钥、鹤或钥;；合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0014]本发明提供的第二技术方案，一种一体式摩擦发电机在振动传感器中的应用。
[0015]本发明一体式摩擦发电机，利用一体设置的振动摩擦层进行振动摩擦获得电压信号，能够用做振动传感器，适用于0Hz-55Hz低频振动的检测。本发明一体式摩擦发电机频率响应主要集中在低频频段，其响应带宽主要集中在OHz和55Hz之间，因此对于心跳和呼吸振动(5Hz以下)而言，具有较强的响应能力。
【附图说明】
[0016]图1为本发明一体式摩擦发电机的一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0017]图2为本发明一体式摩擦发电机的振动摩擦层12的剖面图。
[0018]图3为本发明一体式摩擦发电机的另一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0019]图4 (a)为本发明激光刻蚀模板图案。
[0020]图4 (b)所示是同时带有微框形成的阵列与微纳结构的聚合物薄膜示意图。
[0021]图5为聚偏氟乙烯传感器与本发明图1 一体式摩擦发电机用作振动传感器的声学性能测试示意图。
[0022]图6 Ca)为聚偏氟乙烯传感器探测声波性能测量信号图。
[0023]图6 (b)为聚偏氟乙烯传感器探测声波性能滤波信号图。
[0024]图7 Ca)为本发明振动传感器探测声波性能测量信号图。
[0025]图7 (b)为本发明振动传感器探测声波性能滤波信号图。
[0026]图8为聚偏氟乙烯传感器频谱信号图。
[0027]图9为本发明振动传感器频谱信号图。
【具体实施方式】
[0028]为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。
[0029]本发明一体式摩擦发电机，利用一体设置的振动摩擦层进行振动摩擦获得电压信号，能够用做振动传感器，适用于0HZ-55HZ低频振动的检测。
[0030]如图1所示，本发明的一种【具体实施方式】的一体式摩擦发电机I,该一体式摩擦发电机I包括层叠设置的第一电极层11，振动摩擦层12，和第二电极层13 ;其中，振动摩擦层12包括第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122，所述第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置呈一体式。第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122进行一体设置采用常规方法完成，例如采用胶布将第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122周边粘贴固定。
[0031]第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122相对设置的两个面中的至少一个面上设置有凸出的微框123阵列，使得第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122之间形成多个空腔124 ;第一高分子聚合物绝缘层121和第二高分子聚合物绝缘层122相对设置的两个面中的至少一个面上在至少一个空腔区域内设有多个凸起的微纳结构125 ;第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对表面上设置的每个微框123的高度高于微纳结构125。微纳结构125可以在全部的或部分的空腔区域内设置，然而为了增加高分子聚合物绝缘层间的摩擦接触点，需要在至少一个空腔区域内设置凸起的微纳结构125。
[0032]图2所示是振动摩擦层12的剖面图，可以看出每个微框123的凸起高度高于微纳结构125。本发明所述微纳结构是指突出于高分子聚合物绝缘层表面平面的微米或纳米级别的凸起结构。
[0033]本发明所述微框123是指由外周边围成的凸起高度为微米级别的方框或圆柱。该外周边围成的区域对应第一高分子聚合物绝缘层和/或第二高分子聚合物绝缘层表面的空腔区域。本发明微框形成的阵列由多个方框形或中空的圆柱形微框构成，每个微框123的平面尺寸为0.lcm-3cm(直径或边长)，优选0.5cm。该微框形成的阵列中每个微框123的凸起高度为20 μ m