聚合物薄膜、应用其的摩擦发电机以及生理信号采集装置的制作方法

本发明涉及聚合物薄膜技术领域，具体涉及一种聚合物薄膜、应用其的摩擦发电机以及生理信号采集装置。

背景技术：

当前在生理信号监测领域所使用的信号采集装置多为薄膜式振动传感器，其中，薄膜式振动传感器的传感原理大概可以分为压电式和摩擦发电式两种。

在摩擦发电式的薄膜式振动传感器中的一个关键部件为一面具有凸点的聚合物薄膜，而薄膜式振动传感器的性能很大程度上取决于该聚合物薄膜的结构及本身材料性能。

在现有技术中，聚合物薄膜表面的凸点多采用方形的排列方式，此种排列方式比较成熟，但是应用其的薄膜式振动传感器的信号输出却一直不理想。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种聚合物薄膜、应用其的摩擦发电机以及生理信号采集装置，用于解决现有技术中的薄膜式振动传感器的信号输出不理想的问题。

本发明提供一种聚合物薄膜，包括：设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列，凸点阵列由m行凸点和n列凸点组成；

其中，位于第i行第j列的第一凸点、位于第i-1行第j+1列的第二凸点、位于第i行第j+2列的第三凸点以及位于第i+1行第j+1列的第四凸点形成菱形的四个顶点；2≤i≤m-1，1≤j≤n-2；形成菱形的四个顶点的凸点之间的间距依据单个凸点的有效支撑半径而设定。

进一步，形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的1-5倍。

进一步，第一凸点和第三凸点之间的间距大于或等于单个凸点的有效支撑半径的2倍，第二凸点和第四凸点之间的间距大于或等于单个凸点的有效支撑半径的2倍。

进一步，第一凸点和第三凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的3.44倍，第二凸点和第四凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的2倍。

进一步，第一凸点和第三凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的2.88倍，第二凸点和第四凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的2倍。

进一步，第一凸点和第三凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的2.88倍，第二凸点和第四凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的2.4倍。

进一步，凸点的高度为0.25mm-2.5mm，凸点的直径为0.5mm-2.5mm。

进一步，聚合物薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷、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、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

本发明还提供了一种包括上述的聚合物薄膜的摩擦发电机，该摩擦发电机具有构成摩擦界面的两个表面，其中，聚合物薄膜具有凸点的表面为构成摩擦界面的两个表面的其中一个表面。

本发明还提供了一种应用上述的聚合物薄膜的生理信号采集装置。

本发明提供的聚合物薄膜的表面设置有由m行凸点和n列凸点组成的凸点阵列，且凸点阵列中的多个凸点按照菱形的排列方式进行排列，与多个凸点按照方形的排列方式进行排列相比，有效地增加了凸点阵列的有效支撑面积，有助于改善应用该聚合物薄膜的摩擦发电机和生理信号采集装置的信号输出。

附图说明

图1为本发明提供的聚合物薄膜实施例一的示意图；

图2为本发明提供的聚合物薄膜实施例二的示意图；

图3为本发明提供的聚合物薄膜实施例三的示意图；

图4是现有技术中聚合物薄膜的示意图。

具体实施方式

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，但本发明并不仅仅限于此。

以摩擦发电式的薄膜式振动传感器为摩擦发电机为例，其中，摩擦发电机可以为三层结构、四层结构、五层居间薄膜结构或五层居间电极结构的摩擦发电机，例如，三层结构的摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层、聚合物薄膜以及第二电极层，其中，聚合物薄膜与第二电极层相对的两个面构成摩擦界面，即聚合物薄膜和第二电极层为三层结构的摩擦发电机的摩擦层。

对于摩擦发电机来说，摩擦层接触面积以及摩擦层接触分离速度是影响摩擦发电机的发电效率的两个重要因素，而摩擦层接触面积与聚合物薄膜表面上的凸点的设置有关。其中，聚合物薄膜表面的凸点主要起到两个作用，一为支撑开两个摩擦界面，使得摩擦界面在未受到外力作用时处于分离状态；二为在去除外力作用后回弹，使接触的摩擦界面分离。但由于每个凸点能够支撑起的面积是一定的，因此，在一定的凸点排列方式下，如凸点数量较少且呈方形排列，当去除外力作用时摩擦界面并不能够完全分离，这就影响了摩擦发电机的发电效率，另外，如果在单位面积内设置的凸点过于密集，那么在受到外力作用时，两个摩擦界面不能够完全接触，也会影响摩擦发电机的发电效率。

综合考虑上述内容，本发明提供了一种聚合物薄膜，该聚合物薄膜包括：设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列，凸点阵列由m行凸点和n列凸点组成。其中，位于第i行第j列的第一凸点、位于第i-1行第j+1列的第二凸点、位于第i行第j+2列的第三凸点以及位于第i+1行第j+1列的第四凸点形成菱形的四个顶点，2≤i≤m-1，1≤j≤n-2。形成菱形的四个顶点的凸点之间的间距依据单个凸点的有效支撑半径而设定。具体地，形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距和相对凸点之间的间距均可依据单个凸点的有效支撑半径而设定。

其中，形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的1-5倍。具体地，在所形成的菱形中，第一凸点和第二凸点为相邻的凸点，第二凸点和第三凸点为相邻的凸点，第三凸点和第四凸点为相邻的凸点，第四凸点和第一凸点为相邻的凸点。在单位面积凸点数相同或相近的条件下，按照单个凸点的有效支撑半径的1-5倍对形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距进行设置，与多个凸点按照方形的排列方式进行排列相比，可以有效地增加凸点阵列的有效支撑面积，从而将该聚合物薄膜应用到摩擦发电机中时使摩擦界面能够充分接触和分离，有助于提高摩擦发电机的发电效率和增强信号输出。

具体地，在所形成的菱形中，第一凸点和第三凸点为一对相对的凸点，第二凸点和第四凸点为另一对相对的凸点，第一凸点和第三凸点之间的间距大于或等于单个凸点的有效支撑半径的2倍，第二凸点和第四凸点之间的间距大于或等于单个凸点的有效支撑半径的2倍。

其中，凸点的尺寸可以根据摩擦发电机的发电量进行选择，优选地，凸点的高度为0.25mm-2.5mm，凸点的直径为0.5mm-2.5mm。

以材料为聚二甲基硅氧烷的聚合物薄膜为例进行详细说明，由于聚二甲基硅氧烷的材料硬度很小，一般邵氏硬度在20左右，在受到外力作用时，凸点能够完全被压平，也就是说两个摩擦界面完全接触；当去除外力作用时，凸点回弹，使两个摩擦界面分离。

图1为本发明提供的聚合物薄膜实施例一的示意图，如图1所示，该聚合物薄膜包括：设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列，凸点阵列由m行凸点和n列凸点组成。其中，凸点如图1中的实线圆所示，凸点的直径为1.5mm，凸点的高度为1.25mm，经计算得到，单个凸点的有效支撑面积为以凸点的中心点为圆心、半径为5mm的圆的面积，如图1中的虚线圆所示，即单个凸点的有效支撑半径为5mm。上述有效支撑半径5mm为根据本实施例中凸点的具体尺寸确定，不能理解为对有效支撑半径的限制，本领域技术人员依据所采用的凸点的实际尺寸确定的适当的有效支撑半径，均可实施本发明。

其中，位于第i行第j列的第一凸点a1、位于第i-1行第j+1列的第二凸点a2、位于第i行第j+2列的第三凸点a3以及位于第i+1行第j+1列的第四凸点a4形成菱形的四个顶点，2≤i≤m-1，1≤j≤n-2。第一凸点a1和第二凸点a2之间的间距为10mm，并且第一凸点a1和第三凸点a3之间的间距等于17.2mm，第二凸点a2和第四凸点a4之间的间距等于10mm，也就是说，形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的2倍，第一凸点a1和第三凸点a3之间的间距等于单个凸点的有效支撑半径的3.44倍，第二凸点a2和第四凸点a4之间的间距等于单个凸点的有效支撑半径的2倍，此时第一凸点a1、第二凸点a2、第三凸点a3和第四凸点a4形成菱形的四个顶点，经计算得到，设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列的有效支撑面积与聚合物薄膜的表面面积的比值约为91.698％。

图2为本发明提供的聚合物薄膜实施例二的示意图，如图2所示，该聚合物薄膜包括：设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列，凸点阵列由m行凸点和n列凸点组成。其中，凸点如图2中的实线圆所示，凸点的直径为1.5mm，凸点的高度为1.25mm，经计算得到，单个凸点的有效支撑面积为以凸点的中心点为圆心、半径为5mm的圆的面积，如图2中的虚线圆所示，即单个凸点的有效支撑半径为5mm。

其中，位于第i行第j列的第一凸点a1、位于第i-1行第j+1列的第二凸点a2、位于第i行第j+2列的第三凸点a3以及位于第i+1行第j+1列的第四凸点a4形成菱形的四个顶点，2≤i≤m-1，1≤j≤n-2。第一凸点a1和第二凸点a2之间的间距为8.77mm，并且第一凸点a1和第三凸点a3之间的间距等于14.4mm，第二凸点a2和第四凸点a4之间的间距等于10mm，也就是说，形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的1.754倍，第一凸点a1和第三凸点a3之间的间距等于单个凸点的有效支撑半径的2.88倍，第二凸点a2和第四凸点a4之间的间距等于单个凸点的有效支撑半径的2倍，此时第一凸点a1、第二凸点a2、第三凸点a3和第四凸点a4形成菱形的四个顶点，经计算得到，设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列的有效支撑面积与聚合物薄膜的表面面积的比值约为97.915％。

图3为本发明提供的聚合物薄膜实施例三的示意图，如图3所示，该聚合物薄膜包括：设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列，凸点阵列由m行凸点和n列凸点组成。其中，凸点如图3中的实线圆所示，凸点的直径为1.5mm，凸点的高度为1.25mm，经计算得到，单个凸点的有效支撑面积为以凸点的中心点为圆心、半径为5mm的圆的面积，如图3中的虚线圆所示，即单个凸点的有效支撑半径为5mm。

其中，位于第i行第j列的第一凸点a1、位于第i-1行第j+1列的第二凸点a2、位于第i行第j+2列的第三凸点a3以及位于第i+1行第j+1列的第四凸点a4形成菱形的四个顶点，2≤i≤m-1，1≤j≤n-2。第一凸点a1和第二凸点a2之间的间距为9.37mm，并且第一凸点a1和第三凸点a3之间的间距等于14.4mm，第二凸点a2和第四凸点a4之间的间距等于12mm，也就是说，形成菱形的四个顶点的相邻凸点之间的间距为单个凸点的有效支撑半径的1.874倍，第一凸点a1和第三凸点a3之间的间距等于单个凸点的有效支撑半径的2.88倍，第二凸点a2和第四凸点a4之间的间距等于单个凸点的有效支撑半径的2.4倍，此时第一凸点a1、第二凸点a2、第三凸点a3和第四凸点a4形成菱形的四个顶点，经计算得到，设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列的有效支撑面积与聚合物薄膜的表面面积的比值约为87.567％。

在现有技术中，设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列中的多个凸点大多是按照方形的排列方式进行排列的，图4为现有技术中聚合物薄膜的示意图，如图4所示，该聚合物薄膜包括：设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列，凸点阵列由多个凸点按照方形的排列方式进行排列组成。其中，凸点如图4中的实线圆所示，凸点的直径为1.5mm，凸点的高度为1.25mm，经计算得到，单个凸点的有效支撑面积为以凸点的中心点为圆心、半径为5mm的圆的面积，如图4中的虚线圆所示，即单个凸点的有效支撑半径为5mm。当凸点的横向间距和纵向间距分别为10mm时，经计算得到，设置在聚合物薄膜表面的凸点阵列的有效支撑面积与聚合物薄膜的表面面积的比值为78.5％。因此，与多个凸点按照方形的排列方式进行排列相比，本发明提供的聚合物薄膜有效地增加了凸点阵列的有效支撑面积，从而将该聚合物薄膜应用到摩擦发电机中时有助于增加摩擦发电机的发电效率。

可选地，聚合物薄膜的材料可以为聚二甲基硅氧烷、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、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。本领域技术人员可根据实际需要选择对聚合物薄膜的材料进行选择。

本发明还提供了一种包括上述的聚合物薄膜的摩擦发电机，该摩擦发电机具有构成摩擦界面的两个表面，其中，聚合物薄膜具有凸点的表面为构成摩擦界面的两个表面的其中一个表面。摩擦发电机应用了上述的聚合物薄膜，有助于提高摩擦发电机的发电效率和增强信号输出。

本发明还提供了一种应用上述的聚合物薄膜的生理信号采集装置。其中，生理信号采集装置可以包括摩擦发电机，生理信号采集装置应用了上述的聚合物薄膜，有助于改善该生理信号采集装置的信号输出。

本发明实施例提供的聚合物薄膜的表面设置有由m行凸点和n列凸点组成的凸点阵列，且凸点阵列中的多个凸点按照菱形的排列方式进行排列，与多个凸点按照方形的排列方式进行排列相比，有效地增加了凸点阵列的有效支撑面积，有助于改善应用该聚合物薄膜的摩擦发电机和生理信号采集装置的信号输出。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。