CN113176443B - 基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感*** - Google Patents

基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其包括并联连接的信号源电路、谐振信号生成电路和分压电路；信号源电路包括串联连接的电容、集成二极管的柔性开关和柔性摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机的正、负性摩擦材料及相应的电极材料都使用可编织柔性材料，且正和/或负性摩擦材料与对应的电极材料形成鞘芯结构，且所有材料编织成一块编织布，与第三方摩擦材料共同构成摩擦纳米发电机；柔性开关和二极管并联，再与电容及摩擦纳米发电机串联；谐振信号生成电路包括并联连接的电容式传感器以及电感；分压电路包括串联连接的固定负载以及电阻式传感器。本发明可实现自驱动抗干扰多参数集成传感，且适用范围大，稳定性好。

Description

基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机传感领域，具体涉及一种基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***。
背景技术
在万物互联的物联网时代，不同种类的传感器为人类充当千里眼及顺风耳，帮助人类监测可触及或不可触及环境的状况。在医疗健康领域，需要通过温度、重力及呼吸频率等传感器协同监测人体的体温、体重、脉搏、呼吸状况等来判断机体是否正常。在军事领域，我们需要通过温度、湿度以及震动频率等传感器同时监测作战环境的状况。在交通领域，需要通过位移、速度以及轮胎的气压等传感器协同监测车辆的行驶里程及行驶速度以判断其是否正常行驶。在农业领域，需要通过温度、湿度、气压、光照等传感器协同判断农作物的生长环境是否利于其生长。因此，发展出一种续航能力持久、多功能、抗干扰、且成本低廉的多参数集成传感技术是未来的重要研究方向之一。
摩擦纳米发电机能将生活中常见的被浪费的机械能、风能、人体运动能、海洋能等能量收集起来转化为电能，且具有成本低廉，制作方法简单等优点。其输出具有高电压、低电流的特点，尤其适合为低功耗电子***如传感器提供能量。摩擦纳米发电机与传感器结合主要通过以下两种方法：(1)将摩擦纳米发电机收集的能量通过电容等储能器件存储起来，再为单独的传感器供电。这一方法的缺点是通常需要通过复杂的电源管理电路来降低存储过程中的能量损耗，导致电路复杂，体积庞大。同时需要经过一段时间的能量存储过程才能为传感器供电，无法满足实时传感的需求。(2)由于摩擦纳米发电机自身的输出信号，例如电压幅度受外界作用力大小、作用频率、环境湿度等多个因素影响，因此可以将摩擦纳米发电机自身作为传感器，而信号幅值作为传感参量来传感这些变化因素。这一方法的缺点是由于各参数都会导致输出信号的幅值发生变化，因此各个参数之间存在严重串扰，导致传感结果不准确。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其适用于作用力频率传感及电容式传感器和电阻式传感器，该传感***分别使用输出信号的谐振频率、幅值分压比例以及信号输出频率作为传感信号，仅仅通过同时采集电感和固定负载的输出信号即可实现3个参数的传感。通过将容性传感信息与阻性传感信息分别与输出信号的谐振频率及幅值比例对应，并同时采集谐振信号的输出频率。克服了多参数传感技术通常需要额外能源供应、采用双谐振峰模式实现双参数传感导致电路分析复杂，而基于摩擦纳米发电机的传感器可传感参数少、传感信号之间相互串扰导致稳定性和可靠性差的缺点。
一种基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，该传感***包括并联连接的信号源电路、携带电容式传感信息的谐振信号生成电路和携带电阻式传感信息的分压电路；
所述信号源电路包括串联连接的电容C1、集成二极管的柔性开关和柔性的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机的正、负性摩擦材料及相应的电极材料都使用可编织的柔性材料，且正性摩擦材料和/或负性摩擦材料与对应的电极材料形成鞘芯结构，且所有材料编织成一块编织布，与第三方摩擦材料共同构成摩擦纳米发电机；所述柔性开关和二极管并联，再与电容C1及摩擦纳米发电机串联，且所述二极管的阴极接摩擦纳米发电机的负极；
所述谐振信号生成电路包括并联连接的电容式传感器CRH以及电感L1；
所述分压电路包括串联连接的固定负载R1以及电阻式传感器RT。
进一步地，所述柔性开关和二极管置于所述摩擦纳米发电机的正下方。这种结构决定了在作用力施加在摩擦发电机上的一个接触-分离周期内，摩擦纳米发电机的摩擦材料相互接触后，柔性开关随即闭合而无需再额外施加一次作用力使其闭合。非常适用于柔性可穿戴的应用场景。
进一步地，所述集成二极管的柔性开关包括：
位于底层的两块下导电布，两块下导电布通过导线与所述二极管连接；
位于所述两块下导电布旁边的第一柔性垫片；
位于所述第一柔性垫片上的上导电布；
封装所述柔性开关的封装层；
所述摩擦纳米发电机包括位于底层的第三方摩擦材料层、由正、负性摩擦材料及对应电极交叉编织形成的一整块编织布，以及位于所述编织布和第三方摩擦材料层之间的第二柔性垫片。柔性开关采用全柔性材料，集成的二极管设置在边缘而不会影响开关的柔性。因此柔性开关与柔性摩擦纳米发电机集成在一起后，可以实现整个器件的柔性，应用于非平整表面。
所述柔性开关粘贴在所述摩擦纳米发电机的正下方。
进一步地，由于柔性导电布是最常见的柔性导电材料之一，且具有较强的得电子能力，可以同时用作电极和正性摩擦材料。因此所述的摩擦纳米发电机的正性摩擦材料及电极材料均为柔性导电布，负性摩擦材料及电极材料分别为电负性极强的PTFE和柔性导电布。
进一步地，所述第三方摩擦材料选用与导电布电负性差异较大的Eco-flex或PDMS，以使TENG产生的摩擦电荷以及输出功率更大。
进一步地，所述的C1值为1～20pF。C1与摩擦纳米发电机串联的作用是减小摩擦纳米发电机的等效电容(因其正、负性摩擦材料编织成一块导电布，因此其等效电容值远大于普通的接触-分离式摩擦纳米发电机)对谐振频率值的影响，从而使电容式传感器对输出谐振信号的谐振频率影响更加明显。
进一步地，所述固定负载R1与电阻式传感器RT取值范围为RT/R1＝0.1～10，所述固定负载R1的取值范围为10Ω～1kΩ。因为R1与RT构成分压电路，R1与RT的取值不宜相差过大，否则无法起到分压效果。
本发明的有益效果如下：
本发明可以在无需外部能源如电池等供应的情况下，实现自驱动抗干扰多参数集成传感。通过分别使用摩擦纳米发电机产生的自谐振信号的谐振频率、信号幅值的分压比例及信号的输出频率分别作为独立的传感信号，以替代仅使用输出信号幅值作为传感信号，大大增加了基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器的可适用范围和稳定性，具体表现在以下几个方面：
(1)本发明中将正性和负性摩擦材料进行编织，形成类平板结构。因此摩擦纳米发电机的电容值为某一固定值，不受开关闭合瞬间作用力大小、作用频率等因素的干扰。因此开关可以在任意时刻闭合，无需在实际应用中先对开关进行精密调试以确保各种因素不会对电容式传感器的传感结果(即谐振频率)产生干扰，大大减小了工作量。而由于电路采用RLC谐振，因此电阻式传感器的阻值变化不会影响电路的谐振频率。
(2)而对于电阻式传感器，由于使用的是谐振信号幅值的分压比例，而不直接使用谐振信号的幅值。分压比例仅由电阻式传感器与固定负载的阻值决定，而与摩擦纳米发电机的输出信号大小无关，即不受施加作用力的大小、作用频率、环境湿度等干扰因素影响。
(3)本发明将柔性开关置于摩擦纳米发电机正下方，因此，在作用力施加的一个接触-分离周期内，开关仅闭合一次。因此可以通过采集谐振信号的输出频率传感作用力的施加频率。
(4)本发明通过将柔性开关置于摩擦纳米发电机正下方，从而使得作用力施加在摩擦纳米发电机上后，不需要额外的另一次作用力驱动开关闭合。封装后的柔性摩擦纳米发电机和柔性开关可以与针织衣物缝合在一起，收集人体日常运动产生的机械能，或置于其余任意不平整表面进行能量收集，非常适用于可穿戴应用场景。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理示意图。
图2为本发明实施例中使用的集成了二极管和柔性开关的摩擦纳米发电机的器件的结构模型图；
图3为本发明实施例中使用的摩擦纳米发电机正、负性摩擦材料及各自电极的组合方式示意图(其中负性摩擦材料与电极形成鞘芯结构，正性摩擦材料与电极为同种材料)；
图4为当其余条件相同时(开关在作用力达到最大时闭合)，使用常用的垂直接触-分离式的摩擦纳米发电机时，不同大小的作用力施加在摩擦纳米发电机上时电感两端的输出电压频域波形图。
图5为当其余条件相同时(开关在作用力达到最大时闭合)，使用正、负摩擦材料相互交叉编织形成编织布而与第三方材料构成摩擦纳米发电机时，不同大小的作用力施加在摩擦纳米发电机上时电感两端的输出电压频域波形图。
图6为当电容式传感器取值分别为20皮法时采集到的电感两端的输出电压时域波形图。
图7为当电容式传感器取值分别为75皮法时采集到的电感两端的输出电压时域波形图。
图8为当电容式传感器取值分别为150皮法时采集到的电感两端的输出电压时域波形图。
图9为图6～8分别经过快速傅里叶变换后的频域波形对比图。
图10为当电阻式传感器取值为15.95千欧时采集到的电感两端及电阻式传感器两端的输出电压时域波形图。
图11为当电阻式传感器取值为11.97千欧时采集到的电感两端及电阻式传感器两端的输出电压时域波形图。
图12为当电阻式传感器取值为5.28千欧时采集到的电感两端及电阻式传感器两端的输出电压时域波形图。
图13为当电阻式传感器取值为2.094千欧时采集到的电感两端及电阻式传感器两端的输出电压时域波形图。
图14为当电阻式传感器取值分别为15.95千欧、11.97千欧、5.28千欧和2.094千欧时，电阻式传感器两端及电感两端第二个谐振峰的峰-峰值电压比。
图15为当0.5赫兹的作用力作用在摩擦纳米发电机上时，增加示波器采集时间采集到的电感两端的时域波形图。
图16为当1赫兹的作用力作用在摩擦纳米发电机上时，增加示波器采集时间采集到的电感两端的时域波形图。
图17为当2赫兹的作用力作用在摩擦纳米发电机上时，增加示波器采集时间采集到的电感两端的时域波形图。
图1～3中，1为由摩擦纳米发电机、集成了二极管的柔性开关，以及电容C1共同构成的信号源电路，2为携带了容性传感信息的谐振信号生成电路，3为携带了阻性传感信息的分压电路；11为柔性开关，12为摩擦纳米发电机，111为封装层，112为下导电布，113为二极管，114为导线，115为第一柔性垫片，116为空气，121为第三方摩擦材料层，122为第二柔性垫片，123为编织布，201为由PTFE(负性摩擦材料)围裹在具有双面粘性的导电布外侧(电极)构成的鞘芯结构，200为由两个具有单面粘性的导电布面对面粘贴形成的导电布(同时用作正性摩擦材料和电极)。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，包括并联连接的信号源电路1、携带电容式传感信息的谐振信号生成电路2和携带电阻式传感信息的分压电路3；
信号源电路1包括串联连接的电容C1、集成二极管的柔性开关11和柔性的摩擦纳米发电机12，所述摩擦纳米发电机12的正、负性摩擦材料及相应的电极材料都使用可编织的柔性材料，且正性摩擦材料和/或负性摩擦材料与对应的电极材料形成鞘芯结构，且所有材料编织成一块编织布123，与第三方摩擦材料共同构成摩擦纳米发电机；所述柔性开关11和二极管并联，再与电容C1及摩擦纳米发电机串联，且所述二极管的阴极接摩擦纳米发电机12的负极。
谐振信号生成电路2包括并联连接的电容式传感器CRH以及电感L1；
分压电路3包括串联连接的固定负载R1以及电阻式传感器RT。
如图2所示，为集成了柔性开关及二极管的柔性摩擦纳米发电机器件结构。
其中，集成二极管的柔性开关包括：
位于底层的两块下导电布112，两块下导电布112通过导线114与二极管113连接；
位于两块下导电布112旁边的第一柔性垫片115；
位于第一柔性垫片115上的上导电布；
封装柔性开关的封装层111，其可以为上下两个封装层，也可以为一个完整的封装层，同时封装上下导电布。
所述摩擦纳米发电机12包括位于底层的第三方摩擦材料层121、由正、负性摩擦材料及对应电极交叉编织形成的一整块编织布123，以及位于所述编织布和第三方摩擦材料层之间的第二柔性垫片122。如图3所示，201为由PTFE(负性摩擦材料)围裹在具有双面粘性的导电布外侧(电极)构成的鞘芯结构，200为由两个具有单面粘性的导电布面对面粘贴形成的导电布(同时用作正性摩擦材料和电极)。因此其电容值CTENG远大于普通的接触-分离式摩擦纳米发电机。通过电容C1与CTENG串联降低TENG自身电容对谐振频率值的影响，从而使容性传感器对输出谐振信号的谐振频率影响更加明显。
作为其中一种实施方式，封装层111为纯棉织布材料。第一柔性垫片115和第二柔性垫片122为弹力海绵或垫片。第一柔性垫片115和第二柔性垫片122均为两个，用于隔离上下导电布，两个柔性垫片之间为空气106。
所述谐振信号生成电路包括并联连接的电容式传感器CRH以及电感L1，且CRH两端分别与TENG的正极及电容C1的另一端相连；L1两端作为输出端分别与携带阻性传感信息的分压电路3的两输入端相连。携带阻性传感信息的分压电路3包括阻性传感器RT以及固定负载R1,R1与RT串联；且R1及RT的另外一端分别连接激励模块2的输出端。
携带多参数传感信息的谐振信号产生的原理为：摩擦纳米发电机的等效电容CTENG与固定电容C1、电容式传感器CRH、固定电感L1、电阻式传感器RT及固定负载R1共同构成RLC电路。当有外力作用在摩擦纳米发电机上时，摩擦纳米发电机中的海绵发生压缩，被海绵分隔开的含有正、负性摩擦材料的编织布及第三方摩擦材料间的距离逐渐变小直至两者完全接触。此过程中，由于电路开路且二极管反偏不导通，因此静电感应产生的电子不断累积在摩擦纳米发电机正、负极两端，电子无法发生转移，此过程中能量不断累积。当施加作用力达到最大值时，柔性开关闭合，摩擦纳米发电机与C1、CRH、L1、R1、RT构成RLC电路产生RLC谐振信号，电子在开关闭合瞬间完成转移，积累的能量得到释放。随后作用力撤去，开关断开，静电感应产生的感应电荷方向相反，二极管正偏，电路形成回路完成电子反向转移。因此，测试谐振信号的输出频率即可得到作用力的施加频率(参数1)；当参数2变化造成电容式传感器的容值CRH发生变化，则电路中的谐振频率即会发生相应变化；当参数3变化引发电阻式传感器RT阻值变化时，R1与RT的分压比即会发生相应变化。因此通过测量谐振信号的输出频率即可得到作用力的施加频率(参数1)、测量谐振信号的谐振频率即可计算得出参数2的值、测量R1与RT的分压比值即可计算得出参数3的值。
对于容性传感信息：电路谐振频率由开关闭合瞬间摩擦纳米发电机的等效电容CTENG、电容C1、容性传感器CRH以及电感L1共同决定。而C1、L1均为定值，CRH即为携带传感信息的被测量，CTENG由开关闭合瞬间器件的等效电容决定。如果采用普通的接触-分离式摩擦纳米发电机(正、负性摩擦材料分别在上、下两侧)，则开关闭合时的CTENG与正、负性摩擦材料的分离距离，即作用力的大小有关。此时容性传感信息会受到作用力的干扰(参见图4),且作用力越大，开关闭合时摩擦纳米发电机的分离距离越小，其等效电容越大，因此电路的谐振频率越小。而本发明中摩擦纳米发电机的正、负性材料编织在一起形成一个平面，则其等效电容值CTENG为一个定值，此时电路的谐振频率仅由CRH决定(参见图5),几乎不受外部作用力干扰。因此可以通过测量电感L1两端电压信号的谐振频率来表征容性传感信息，即通过改变电容式传感器CRH的值，对RLC电路中的谐振频率进行调制，从而达到参数2(容性传感器)可靠传感目的。当CRH取不同值时，电感L1上采集到的时域及频域信号分别如图6-8所示。图6-8中，横坐标为时间T(单位us),纵坐标为电压幅度A(单位V)。图9中，横坐标为频率F(单位KHz),纵坐标为信号对数振幅A(单位dB)。由实验结果可知，电容式传感器取值越大，输出的谐振波形相邻峰之间的距离越大，电路的谐振频率越小。
对于阻性传感信息，由于分压电路3中R1和携带阻性传感信息的RT组成分压电路，并联在L1两端。而R1为定值(R1取值应与RT为同一数量级，且R1取值越小越好)，因此可以通过测量R1和L1两端的电压值之比来表征阻性传感信息。由于使用的是谐振信号幅值的分压，而不是直接使用谐振信号的幅值(幅值会受摩擦纳米发电机的接触-分离频率、作用力大小、环境湿度等多个因素影响)，从而达到稳定传感的目的。当RT取不同值时，电感L1和电阻式传感器RT上采集到的时域信号分别如图10-13所示，横坐标为时间T(单位us),纵坐标为电压幅度A(单位V)。以RT的值作为横坐标(单位KHz)，分别计算图10-13中电阻式传感器与电感上输出谐振信号的第二个峰-峰值间的比值，作为纵坐标，结果如图14所示。由结果可知，电阻式传感器取值越大，其分压越大，电阻式传感器与电感上输出谐振信号的第二个峰-峰值间的比值越大。
对于频率信息:由于本实施例中摩擦纳米发电机每受到一次作用力，就会产生一次谐振信号的输出，因此可以通过测试输出信号的频率来测试外部作用力的作用频率。当作用力以不同频率作用在摩擦纳米发电机上时，增加信号采集时间，采集电感L1上的输出波形，结果分别如图15-17所示，横坐标为时间T(单位s),纵坐标为电压幅度A(单位V)。由实验结果可知，作用力每作用一次，即会产生一个输出波形。
本实施例中，CRH可以为任意检测湿度、温度、压力、应力、应变、位移、速度、加速度和角度等参数的电容式传感器。RT可以为任意检测湿度、温度、力、压力、应变、荷重、扭矩、位移、加速度、等参数的电阻式传感器。本实施例通过改变电容式传感器CRH的值来改变电路谐振频率，从而达到容性(参数2)传感的目的。通过改变电阻式传感器RT的值来改变R1和RT的分压比例，从而达到阻性(参数3)传感的目的。通过测试谐振信号的输出频率，从而达到作用力施加频率(参数1，例如静止或运动，走路或跑动)传感的目的。
由于本实施例将柔性摩擦纳米发电机、柔性开关以及二极管进行了集成，本发明能够应用在任何具有机械能的应用场景，特别是在柔性可穿戴场合。可以将环境中的机械能特别是人类的身体运动能量转化为电能进行自驱动传感。通过对电路中输出信号的谐振频率、幅值分压比例以及信号输出频率的采集，能同时进行多达3个参数的传感，且各传感信号之间互不干扰，具有高稳定性，广适用性(传感信号多样)。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其特征在于，该传感***包括并联连接的信号源电路、携带电容式传感信息的谐振信号生成电路和携带电阻式传感信息的分压电路；
所述信号源电路包括串联连接的电容C1、集成二极管的柔性开关和柔性的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机的正、负性摩擦材料及相应的电极材料都使用可编织的柔性材料，且正性摩擦材料和/或负性摩擦材料与对应的电极材料形成鞘芯结构，且所有材料编织成一块编织布，与第三方摩擦材料共同构成摩擦纳米发电机；所述柔性开关和二极管并联，再与电容C1及摩擦纳米发电机串联，且所述二极管的阴极接摩擦纳米发电机的负极；
所述谐振信号生成电路包括并联连接的电容式传感器CRH以及电感L1；
所述分压电路包括串联连接的固定负载R1以及电阻式传感器RT；
所述柔性开关和二极管置于所述摩擦纳米发电机的正下方；
所述集成二极管的柔性开关包括：位于底层的两块下导电布，两块下导电布通过导线及所述二极管连接；位于所述两块下导电布旁边的第一柔性垫片；位于所述第一柔性垫片上的上导电布；封装所述柔性开关的封装层；
所述摩擦纳米发电机包括位于底层的第三方摩擦材料层、由正、负性摩擦材料及对应电极交叉编织形成的一整块编织布，以及位于所述编织布和第三方摩擦材料层之间的第二柔性垫片。
2.根据权利要求1所述的基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其特征在于，所述的摩擦纳米发电机的正性摩擦材料及电极材料均为导电布，负性摩擦材料及电极材料分别为柔性导电布和PTFE。
3.根据权利要求1所述的基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其特征在于，所述第三方摩擦材料选用Eco-flex或PDMS。
4.根据权利要求1所述的基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其特征在于，所述的C1值为1～20pF。
5.根据权利要求1所述的基于柔性可穿戴摩擦纳米发电机的多参数集成传感***，其特征在于，所述固定负载R1与电阻式传感器RT取值范围为RT/R1＝0.1～10，所述固定负载R1的取值范围为1Ω～1kΩ。
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