可降解纳米序列关节弯曲能量收集器件的制作方法

本发明涉及可穿戴纳米材料发电技术领域，具体涉及可降解纳米序列关节弯曲能量收集器件。

背景技术：

能源是人类基本生存的条件之一，若通过一种方式将自然界的机械能转化为电能加以转化利用，会在能源转化方面具有重大的实际应用价值。此外，在生物领域，人体传感器以及生物体内的微能源获取也是一项重要的研究课题。如果可利用人行走过程中的关节发电为可穿戴人体传感器供电或者为生物细胞供电或者激励，则是具有广泛的社会应用价值。

常用的能量收集原理有：电磁式、电容式、摩擦发电以及驻极体发电。大部分能量收集器件很难满足人体生物、可穿戴需求以及节能环保需求，plla这种新兴的高分子聚合物材料在经加工处理后，具有明显的压电效应，此外其材料可降解对环境无污染，频响宽，动态范围大，力电转换灵敏度高以及机械性能强度高等特点从而导致可在生物医疗及可穿戴发电领域广泛使用。另外由于纳米技术的飞速发展，纳米线因其尺寸效应相对于宏观物质具有高灵敏性，且可通过静电纺丝的方式大批量生产我们需要的plla纳米线序列。

常见发电主要依据与压电原理、温差原理发电、电磁原理发电，但其缺点是很难满足人体生物、可穿戴需求以及节能环保需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种能够满足人体生物、可穿戴需求以及节能环保需求的可降解纳米序列关节弯曲能量收集器件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它包含左侧导线连接端子、柔性可弯曲基底、左侧plla纳米序列、左侧叉指电极、右侧叉指电极、右侧plla纳米序列、右侧导线连接输出端子；所述的柔性可弯曲基底上并列设置有左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列，左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列的内侧分别连接有左侧叉指电极和右侧叉指电极，左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列的外侧分别连接有左侧导线连接端子和右侧导线连接输出端子；所述的左侧叉指电极与右侧叉指电极交替设置。

作为优选，所述的柔性可弯曲基底具有韧性且极易嵌入到可穿戴衣服或者人体关节，从而方便工艺制备，且质量轻、抗冲击性能好。

作为优选，所述的左侧导线连接端子与右侧导线连接输出端子是电流电压信号输出端口，其产生的电荷信号可通过该端口输出。

作为优选，所述的左侧叉指电极与右侧叉指电极采用导电金属材料和mems工艺制备或者激光切割方式制备掩膜版，作为电极输出交替的瞬态电流；叉指数量起作用于成倍增加输出电流信号。

作为优选，所述的左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列增大压电输出信号。

作为优选，所述的左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列采用静电方式制备，产生有序的纳米线序列，且能保证压电方向的一致性。

作为优选，所述的左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列上分布有若干个纳米线柱。

本发明的工作原理为：安装固定在人体关节上，随着人体关节运动，嵌入在左侧叉指电极与右侧叉指电极上的压电plla纳米线序列会随人体关节的弯曲而运动，压电材料plla纳米线会交替产生瞬间电荷，其产生的电荷会经过左右叉指电极输出被探测，其输出的瞬态电信号可被人体传感器利用或者被储存。

采用上述结构后，本发明产生的有益效果为：

1、充分利用人体关节运动过程中机械能转化为电能，解决用于人体可穿戴相关智能传感器长期供电问题的能量收集，当用人体行走关节运动时，可实现人体运动能到电能的有效转换，可用于人体可穿戴传感器件的持续供电；

2、由于叉指电极的方式，可以使压电方式的单根纳米线输出电荷极大增加，从而可极大提高器件的灵敏度；还可作为单电极输出方式进行关节弯曲能量收集，测试发现单电极能量收集效率大大高于双电极能量收集方式；

3、压电可降解材料的可穿戴发电，发出的电压及电流相比传统原理高，更便于人体传感器使用。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明左侧plla纳米序列和右侧plla纳米序列的结构图；

图3是本发明电流输出曲线图；

图4是本发明电压输出曲线图。

附图标记说明：

左侧导线连接端子1、柔性可弯曲基底2、左侧plla纳米序列3、左侧叉指电极4、右侧叉指电极5、右侧plla纳米序列6、右侧导线连接输出端子7。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参看如图1——图4所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含左侧导线连接端子1、柔性可弯曲基底2、左侧plla纳米序列3、左侧叉指电极4、右侧叉指电极5、右侧plla纳米序列6、右侧导线连接输出端子7；所述的柔性可弯曲基底2上并列设置有左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6，左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6的内侧分别连接有左侧叉指电极4和右侧叉指电极5，左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6的外侧分别连接有左侧导线连接端子1和右侧导线连接输出端子7；所述的左侧叉指电极4与右侧叉指电极5交替设置。

所述的柔性可弯曲基底2具有韧性且极易嵌入到可穿戴衣服或者人体关节，从而方便工艺制备，且质量轻、抗冲击性能好。

所述的左侧导线连接端子1与右侧导线连接输出端子7是电流电压信号输出端口，其产生的电荷信号可通过该端口输出。

所述的左侧叉指电极4与右侧叉指电极5采用导电金属材料和mems工艺制备或者激光切割方式制备掩膜版，作为电极输出交替的瞬态电流；叉指数量起作用于成倍增加输出电流信号。

所述的左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6增大压电输出信号。

所述的左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6采用静电方式制备，产生有序的纳米线序列，且能保证压电方向的一致性。

所述的左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6上分布有若干个纳米线柱。

本具体实施方式采用mems紫外曝光工艺研制叉指电极沟槽，单叉指电极臂的尺寸长度为100μm-10mm，宽度为0.1μm-1mm，厚度可为1μm-50μm，叉指数量可为4-20个。

本具体实施方式采用金、铜或银等金属作为叉指电极的导电材料，这类材料很容易通过气相物理沉积(pvd)的方式在柔性可弯曲基底2上面长成金属薄膜；叉指电极的生长出薄膜厚度可为0.1μm-1mm；

本具体实施方式所述的柔性可弯曲基底2优先选用材料pet或kapton，该类材料价格便宜，柔性度好，对人体没有伤害。此外该类材料容易进行mems工艺处理，例如紫外曝光处理；其中柔性基底的厚度可为20μm-2mm；

本具体实施方式优先选用静电纺丝方法制备左侧plla纳米序列3和右侧plla纳米序列6，其原因是该方法简单且产生的plla纳米线序列排序规整。优先使用plla与二氯甲烷(dcm)的溶液配比为10％-25％，主要原因是该配比可仿出理想的有序plla纳米线。

本具体实施方式的工作原理为：安装固定在人体关节上，随着人体关节运动，嵌入在左侧叉指电极4与右侧叉指电极5上的压电plla纳米线序列会随人体关节的弯曲而运动，压电材料plla纳米线会交替产生瞬间电荷，其产生的电荷会经过左右叉指电极输出被探测，其输出的瞬态电信号可被人体传感器利用或者被储存。

采用上述结构后，本具体实施方式产生的有益效果为：

1、充分利用人体关节运动过程中机械能转化为电能，解决用于人体可穿戴相关智能传感器长期供电问题的能量收集，当用人体行走关节运动时，可实现人体运动能到电能的有效转换，可用于人体可穿戴传感器件的持续供电；

2、由于叉指电极的方式，可以使压电方式的单根纳米线输出电荷极大增加，从而可极大提高器件的灵敏度；还可作为单电极输出方式进行关节弯曲能量收集，测试发现单电极能量收集效率大大高于双电极能量收集方式；

3、压电可降解材料的可穿戴发电，发出的电压及电流相比传统原理高，更便于人体传感器使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。