一种自驱动瞬态应力传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应力传感装置，特别涉及一种自驱动瞬态应力传感装置。
【背景技术】
[0002]现有的瞬态应力传感技术主要基于两种:(I)利用场效应晶体管在不同压力下对沟道电阻的调制技术来实现对外部压力的传感；(2)利用压电光电子效应对纳米线电阻的调制来实现对外部压力的传感。但是，这两种技术的都需要外部电源作为器件的供能单元，如果在没有电源下，都不能够正常工作。这极大的限制了这种这些压力传感技术的发展和应用。
[0003]发展一种不需要外部电源就可以工作的瞬态压力传感技术是解决上述问题的关键，摩擦纳米发电机的成功研制使该方法成为可能。但是，由于接触式摩擦纳米发电机的电流输出密度较低，一般需要较大的面积才能实现对监测设备的有效驱动。因此，到目前为止，尚未有自驱动式瞬态压力传感装置被报道。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有应力传感器的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种新的瞬态应力传感装置，包括传感单元，所述传感单元由接触层、电极层和信号监测元件组成，其中所述电极层贴合于所述接触层的下表面，所述信号监测元件的一个端口与所述电极层电性连接，另一个端口用于与等电位源电性连接，使其在工作时能够监测所述电极层与所述等电位源之间输出的电信号。
[0005]优选地，所述接触层选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯和驻极体材料中的一种或多种；
[0006]优选地，所述驻极体材料选自石蜡、硬质橡胶、碳氢化合物、固体酸、钛酸钡和钛酸钙中的一种或多种，并且经过充电处理使材料的上下表面带不同符号的电荷；
[0007]优选地，所述驻极体材料背离所述电极层的表面所带的电荷，与驻极体材料和应力施加物接触后所带的电荷电性相同；
[0008]优选地，所述接触层背离所述电极层的表面全部或部分设置微结构；
[0009]优选地，所述微结构为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花；
[0010]优选地,所述接触层的厚度在10nm-1mm之间；
[0011]优选地，所述电极层为金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体；
[0012]优选地，所述电极层为金、钼、铜、铝或银；
[0013]优选地，所述电极层通过沉积、磁控溅射、蒸镀或印刷打印技术来制作；
[0014]优选地,所述电极层的厚度大于Imm ；
[0015]优选地，所述接触层和电极层均为硬质材料或柔性材料；
[0016]优选地，所述信号监测元件为电流和/或电压监测装置，或者为发声或发光器件；
[0017]优选地，所述发光器件为无机粉末发光器件、无机薄膜发光器件、有机薄膜发光器件、有机分子发光器件或P-N发光器件；
[0018]优选地，所述P-N发光器件为P-N发光二极管；
[0019]优选地，所述传感装置还包括第一支撑板，所述第一支撑板与所述电极层面对面间隔放置，所述信号监测元件固定在该第一支撑板上；
[0020]优选地，所述第一支撑板与所述电极层相对固定；
[0021]优选地，所述第一支撑板为硬质或柔性材料；
[0022]优选地，所述第一支撑板上设置有孔，所述信号监测元件通过该孔固定在该第一支撑板上；
[0023]优选地，所述传感装置还包括绝缘的第二支撑板，所述第二支撑板贴合在所述电极层背离所述接触层的下表面；
[0024]优选地，所述电极层在所述第二支撑板的表面直接制备；
[0025]优选地，所述传感装置包括多个传感单元，并且各传感单元共用一个所述接触层，每个所述信号监测单元与一个所述电极层相对应，单独监测每个电极层与所述等电位源之间的电信号输出。
[0026]与现有技术相比，本发明的瞬态应力传感装置具有下列优点:
[0027]1、利用应力施加物和传感装置接触层材料之间摩擦特性的不同，在应力施加物与传感装置接触的过程中构建出摩擦纳米发电机，使其同时作为传感部件和能量供应部件，实现了整个装置的自驱动，即无需外部电源即可工作；
[0028]2、利用驻极体材料的特性，进一步提高了瞬态应力传感装置单位面积的信号响应强度，从而获得更高的灵敏度和分辨率，本发明的传感装置对外部应力的灵敏度为几个kPa_\比现有的同类型压力可视化传感器装置高16倍；
[0029]3、将发光二极管和摩擦纳米发电机巧妙集成，实现瞬态压力传感的可视化。
[0030]4、通过整个装置结构的合理设计，在提高灵敏度的同时大幅降低了成本，适合大规模生产。
【附图说明】
[0031]通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。
[0032]图1为本发明瞬态应力传感装置的一种典型结构示意图；
[0033]图2为本发明瞬态应力传感装置的工作原理示意图；
[0034]图3为本发明可视化瞬态应力传感装置的一种典型结构示意图；
[0035]图4为本发明可视化瞬态应力传感装置的另一种典型结构示意图；
[0036]图5为本发明可视化瞬态应力传感装置的另一种典型结构示意图；
[0037]图6为本发明可视化瞬态应力传感装置的另一种典型结构示意图；
[0038]图7为实施例1可视化瞬态应力传感装置的结构示意图；
[0039]图8为实施例1可视化瞬态应力传感装置的外加应力与LED调制因子之间的关系图。
【具体实施方式】
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0042]本发明中的“接触-分离”既包括与接触面垂直方向的接触和分离动作，也包括沿着接触面方向的接触和分离动作。
[0043]图1所示的是本发明瞬态应力传感装置的一种典型结构:包括传感单元，所述传感单元由接触层10、电极层20和信号监测元件30组成，其中电极层20贴合于接触层10的下表面，信号监测元件30的一个端口与电极层20电性连接，另一个端口用于与等电位源40电性连接，使其在工作时能够监测电极层20与等电位源40之间输出的电信号。当应力施加物100与接触层10发生接触和分离的动作时，本传感装置能够输出电信号并通过信号监测元件30反映出来，从而实现对瞬态应力的传感。为了方便说明，以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。
[0044]本发明传感装置的工作原理参见图2，由于工作原理仅与应力施加物100和接触层10之间相互接触的部分有关，因此图2中仅对二者实际发生接触的部分表面进行描述，而忽略各自的实际形状和尺寸。当应力施加物100与接触层10相接触时，由于二者的摩擦电性质不同，存在得电子能力的差异，以应力施加物100的失电子能力较强为例，二者接触后接触表面的微结构之间会产生微小的切向滑动，从而形成摩擦产生表面电荷，其中应力施加物100表面带有正电荷，而接触层10的表面则带负电荷(参见图2-a)。当应力施加物100离开后，破坏了原有表面电荷的平衡，为平衡接触层10上的表面电荷，电子从电极层20向等电位源40流动，信号监测元件30可以监测到相应的电信号输出(参见图2-b)。当应力施加物100与接触层10完全分离后，电荷达到平衡没有电子流动(参见图2-C)。当应力施加物100再次向接触层10表面靠近时，将导致电子从等电位源40向电极层20流动，向信号监测元件30输出相反方向的电流(参见图2-d)。当应力施加物100与接触层10再次完全接触后，由于表面电荷呈平衡状态，并没有电子在外电路中流动，观察不到电流输出(参见图2-a)。
[0045]本发明中涉及的材料摩擦电性质是指材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种材料相接触时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质