一種壓電納米發(fā)電機、眼球移動監(jiān)控傳感器及其監(jiān)控方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電納米發(fā)電機、眼球移動監(jiān)控傳感器及其監(jiān)控方法。壓電納米發(fā)電機，包括：下電極層，置于所述下電極層上表面的第一絕緣層，置于所述第一絕緣層上表面的壓電層，和位于壓電層上方的上電極層；所述發(fā)電機的厚度小于20μm。利用壓電薄膜材料具有的壓電性質(zhì)而構(gòu)建出柔性的壓電納米發(fā)電機，制作了基于該納米發(fā)電機的眼球移動監(jiān)控傳感器。將超薄的柔性壓電發(fā)電機貼在眼皮的表面，當人的眼球在移動過程中，眼球?qū)ρ燮さ膲毫﹄S著移動不斷變化，將會導致眼皮表面的應力發(fā)生變化，這種變化作用在壓電發(fā)電機上，從而對外輸出電信號。本發(fā)明的眼球移動監(jiān)控傳感器可以對一些人眼進行長時間的監(jiān)控，具有成本低、便攜和結(jié)構(gòu)簡單等特點。
【專利說明】一種壓電納米發(fā)電機、眼球移動監(jiān)控傳感器及其監(jiān)控方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米發(fā)電機，特別涉及一種超薄壓電納米發(fā)電機以及基于該發(fā)電機的眼球移動監(jiān)控傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]自從2006年納米發(fā)電機被首次報道以來，就以其微小的結(jié)構(gòu)、對環(huán)境能量的有效收集和自驅(qū)動特性受到全世界的矚目，吸引了大批的研究者對其進行追蹤研究。但是目前所報道的納米發(fā)電機，特別是壓電納米發(fā)電機，都存在厚度較大的問題，一般整體厚度為l-5mm，有的甚至達到厘米級。這樣會導致需要消耗更大的能量才能使發(fā)電機發(fā)生形變并工作，從而限制了其對微小形變的感知和對微小能量的收集。另一方面，現(xiàn)有的壓電納米發(fā)電機中，在壓電材料和電極層之間使用的絕緣層都是有機物，例如聚甲基丙烯酸甲酯，但是有機物與電極層之間的結(jié)合是通過范德華力作用，并不是很牢固，在后續(xù)使用水熱法制備壓電層的過程中，會因為材料熱應力的不同而造成該有機物層與電極層的分離，導致發(fā)電機的輸出性能降低，也就更無法將其用于對微小形變的監(jiān)測中。
[0003]人的眼球在移動過程中所產(chǎn)生的形變很小，但是變化卻很多樣。眼球不同的移動狀態(tài)常與人的健康和行為方式有緊密的聯(lián)系。比如，人在睡眠和正常工作的時候，其眼球移動的狀態(tài)是不同的。人在長期處于疲勞狀態(tài)下，例如開車，其眼球的移動會變得越來越緩慢。而快速眼動睡眠行為障礙與神經(jīng)變性疾病，特別是α -突觸核蛋白疾病(如帕金森氏病)常有密切的聯(lián)系。同時，眼球的移動狀態(tài)也可以用來分析一個人的心理情況，常被用于測謊儀器中。因此，對眼球的移動狀態(tài)進行監(jiān)測已經(jīng)有越來越廣的應用。但是，目前用來測試人體眼球移動狀態(tài)的儀器都需要外接電源才可以工作，而且結(jié)構(gòu)復雜、體積大、成本高，導致了這種技術(shù)很難被大范圍推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有納米發(fā)電機和眼球移動監(jiān)控傳感器的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種超薄的納米發(fā)電機和基于該發(fā)電機的眼球移動監(jiān)控傳感器。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種壓電納米發(fā)電機，其中包括:下電極層，置于所述下電極層上表面的第一絕緣層，置于所述第一絕緣層上表面的壓電層，和，位于壓電層上方的上電極層，所述發(fā)電機的厚度小于20 μ m。
[0005]優(yōu)選地，所述壓電層和上電極層之間還設有第二絕緣層，所述第二絕緣層的上下表面分別與所述上電極層和所述壓電層貼合。
[0006]優(yōu)選地，所述上電極層直接貼合在所述壓電層的上表面。
[0007]優(yōu)選地，所述發(fā)電機的厚度小于15 μ m。
[0008]優(yōu)選地，所述壓電層包含壓電材料。
[0009]優(yōu)選地，所述壓電層還包含種子層，所述種子層處于所述第一絕緣層和所述壓電材料之間。[0010]優(yōu)選地，所述壓電材料選自氧化鋅、氮化鎵、碲化鎘、硫化鎘、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚二氟乙烯、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鍺酸鋰和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述壓電材料具有微納結(jié)構(gòu)。
[0012]優(yōu)選地,所述微納結(jié)構(gòu)選自納米線、納米顆粒、納米棒、納米管、納米片和納米花。
[0013]優(yōu)選地，所述微納結(jié)構(gòu)為由納米線、納米管和/或納米棒組成的納米陣列。
[0014]優(yōu)選地，所述壓電層的厚度范圍為50nm到5μπι。
[0015]優(yōu)選地，所述壓電層的厚度范圍為IOOnm到2 μ m。
[0016]優(yōu)選地，所述壓電層的厚度范圍為IOOnm到I μ m。
[0017]優(yōu)選地，所述第一絕緣層選自氧化鋁、二氧化硅、鋁酸鋯和氧化鉿，和/或，所述第二絕緣層選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚對二甲基硅氧烷、鈦酸鋇、二氧化硅和鋁酸鋯。
[0018]優(yōu)選地，所述第一絕緣層的厚度范圍為200nm到2 μ m，和/或，所述第二絕緣層的厚度范圍為20nm到2 μ m。
[0019]優(yōu)選地,所述第一絕緣層的厚度范圍為500nm到1.5μηι,和/或,所述第二絕緣層的厚度范圍為50nm到500nm。
[0020]優(yōu)選地，所述上電極和/或下電極層由金屬薄膜構(gòu)成。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述金屬薄膜為鉬膜、鋁膜、銀膜、金膜或銅膜。
[0022]優(yōu)選地,所述下電極層的厚度為5-12 μ m,所述上電極層的厚度為10nm_100nm。
[0023]優(yōu)選地，所述上電極層通過沉積的方法制備。
[0024]優(yōu)選地，所述的上電極層和下電極層通過外電路電連接。
[0025]本發(fā)明還提供一種眼球移動監(jiān)控傳感器，其中包含上述任一種發(fā)電機，所述上電極層和所述下電極層通過導線與電信號監(jiān)測裝置相連接。
[0026]優(yōu)選地，所述電信號監(jiān)測裝置為電壓和/或電流監(jiān)測裝置。
[0027]優(yōu)選地，所述監(jiān)控傳感器包括2個以上所述發(fā)電機。
[0028]優(yōu)選地，所述發(fā)電機覆蓋的總長度至少為從內(nèi)眼角到外眼角上眼皮長度的一半。
[0029]優(yōu)選地，所述發(fā)電機覆蓋的總長度與從內(nèi)眼角到外眼角的上眼皮長度相當。
[0030]優(yōu)選地，所述發(fā)電機中的所述上電極層的長和寬分別小于所述下電極層的長和寬。
[0031]優(yōu)選地，還包括絕緣封裝層將所述發(fā)電機進行封裝。
[0032]優(yōu)選地，所述絕緣封裝層為有機薄膜。
[0033]本發(fā)明還提供一種眼球移動監(jiān)控方法，其中將前述眼球移動監(jiān)控傳感器黏貼在上眼皮外表面，使得所述上電極層與所述上眼皮外表面緊密貼合。
[0034]優(yōu)選地，所述眼球移動監(jiān)控傳感器的覆蓋范圍要達到至少從上眼皮的中部到內(nèi)眼角或外眼角的長度。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于壓電納米發(fā)電機的眼球移動監(jiān)控傳感器具有下列優(yōu)點:
[0036]1、首次制作超薄的壓電納米發(fā)電機，整個壓電納米發(fā)電機的厚度可以小于20 μ m，甚至小于15 μ m。超薄的壓電納米發(fā)電機保證了該器件可以對微小的應力有明顯的響應。
[0037]2、首次使用了壓電納米發(fā)電機作為自驅(qū)動的傳感器來監(jiān)控眼球的移動，解決了現(xiàn)有眼球監(jiān)控傳感器的結(jié)構(gòu)復雜、成本高、體積大和穩(wěn)定性低等缺陷。眼球在移動過程中導致眼皮表面的應力變化，這種應力變化作用在壓電納米發(fā)電機上，并會不斷地產(chǎn)生電信號，從而實現(xiàn)對眼球移動的監(jiān)控。
[0038]3、使用無機絕緣層代替有機絕緣層，不僅綠色無毒，更提高了絕緣層與導電層之間的結(jié)合牢度，使發(fā)電機的靈敏性和電輸出性能都有較大提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于顯示出本發(fā)明的主旨。
[0040]圖1為本發(fā)明壓電納米發(fā)電機的一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖2為本發(fā)明壓電納米發(fā)電機的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖3為本發(fā)明壓電納米發(fā)電機的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖4為第一絕緣層分別為無機材料和有機材料的截面電鏡照片的對比分析，其中
(a)為本發(fā)明第一絕緣層為無機材料的壓電納米發(fā)電機，(b)為現(xiàn)有技術(shù)常用的第一絕緣層為有機材料的壓電納米發(fā)電機；
[0044]圖5為本發(fā)明眼球移動監(jiān)控傳感器的工作方式示意圖；
[0045]圖6為本發(fā)明眼球移動監(jiān)控傳感器的制備流程示意圖；
[0046]圖7為本發(fā)明實施例1制備的納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖、電鏡照片和實物外觀照片;
[0047]圖8為本發(fā)明實施例1制備的納米發(fā)電機的電信號輸出譜圖；
[0048]圖9為本發(fā)明實施例2制備的眼球移動監(jiān)控傳感器的安裝照片和電信號輸出圖。
【具體實施方式】
[0049]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0050]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發(fā)明保護的范圍。
[0051]本發(fā)明中涉及的材料的壓電性質(zhì)是指材料在受到壓縮或者拉伸應力的時候，材料的極化強度發(fā)生變化，從而在材料的上下表面產(chǎn)生相反的電荷，進而驅(qū)動電子在外電路的移動，產(chǎn)生可以探測的電信號。
[0052]圖1所示的是本發(fā)明壓電納米發(fā)電機的一種典型結(jié)構(gòu)，包括:下電極層11、置于所述下電極層上表面的第一絕緣層12、置于所述第一絕緣層上表面的壓電層10和所述壓電層10之上的上電極層21，所述發(fā)電機的厚度小于20 μ m;在外力的作用下，壓電層中具有壓電性質(zhì)的材料因受到的應力發(fā)生變化而在上下表面之間產(chǎn)生電勢差，驅(qū)動外電路負載中的電子通過與上電極層21和下電極層11相連的導線進行流動，從而產(chǎn)生相應的電信號。
[0053]其中，第一絕緣層12為發(fā)電機提供了一個防止電荷通過壓電層10與下電極層11之間的界面進行傳輸和聚集的強大勢壘，能夠有效的提高發(fā)電機的電信號輸出性能?；谕瑯拥牡览?，還可以在上電極層21和壓電層10之間再增設第二絕緣層22，并且該第二絕緣層22的上下表面分別與上電極層21和壓電層10貼合，具體參見圖2所示。
[0054]對于圖1和圖2所示的發(fā)電機，以下壓電材料均可用于壓電層10中:氧化鋅、氮化鎵、碲化鎘、硫化鎘、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚二氟乙烯、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鍺酸鋰和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進行窮舉，此處僅列出幾種具體的材料供人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護范圍的限制性因素，因為在發(fā)明的啟示下，本領域的技術(shù)人員根據(jù)這些材料所具有的壓電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0055]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當壓電材料的壓電系數(shù)越高，納米發(fā)電機輸出的電信號越強。所以，根據(jù)上面列出的壓電材料選擇合適的材料制備壓電層10，以獲得最佳的電信號輸出性倉泛。
[0056]為了提高壓電納米發(fā)電機的輸出性能，優(yōu)選在所述壓電層10中的壓電材料上設置微納結(jié)構(gòu)，以增加器件在變形過程中的穩(wěn)定性，該微納結(jié)構(gòu)優(yōu)選為納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花，特別是由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列，可以是通過光刻蝕等方法制備的線狀、立方體、或者四棱錐形狀的陣列，陣列中每個這種單元的尺寸在納米到微米量級，具體微納結(jié)構(gòu)的單元尺寸、形狀不應該限制本發(fā)明的范圍。
[0057]壓電層10的厚度一般為50nm至5 μ m，為提高其靈敏度應盡量減小其厚度，優(yōu)選為IOOnm至2 μ m,更優(yōu)選為IOOnm到I μ m,更優(yōu)選IOOnm到500nm,而制備該薄層可采用本領域的常規(guī)方法，例如水熱法、化學氣相沉積法等。
[0058]為了使壓電層能夠更好的形成微納結(jié)構(gòu)，優(yōu)選在第一絕緣層12的上表面先制備一層種子層101，具體如圖3所示?？捎帽绢I域常規(guī)的方法制備，例如濺射或沉積法。種子層的厚度對發(fā)電機的性能沒有特別大的影響，一般為50nm-200nm之間，根據(jù)所選則的壓電層材料和種子層材料的不同而有所調(diào)整。
[0059]第一絕緣層12和/或第二絕緣層22應具有較大的介電系數(shù)，以滿足對電荷聚集的阻礙作用。目前常用的絕緣層材料均為有機高分子材料，但是在使用這些有機材料來制備絕緣層的過程中會產(chǎn)生較大的毒性，不利于環(huán)保，而且整個發(fā)電機的厚度不易控制。本發(fā)明人通過大量的實驗，發(fā)現(xiàn)當使用無機絕緣材料來制備絕緣層，特別是第一絕緣層12時，會取得出乎預料的優(yōu)秀電輸出效果。原因是當?shù)谝唤^緣層12選自氧化鋁、二氧化硅、鋁酸鋯和氧化鉿時，除了絕緣和隔離的作用外，該無機材料薄層還能明顯強化壓電層10、絕緣層10和下電極層11之間的黏附強度，圖4-a示出的是以氧化鋁作為第一絕緣層的情況，可以看出氧化鋅納米線與氧化鋁層之間和氧化鋁與底層的下電極層之間，結(jié)合都很緊密，非常有利于減小整個發(fā)電機的厚度，并且提高外加應力向壓電層進行傳導的效率。這一方面是由于氧化鋁與氧化鋅之間通過共用氧原子而形成了共價鍵，另一方面氧化鋁表面所具有的納米孔也增大了與氧化鋅的接觸面積，從而提高了二者之間的結(jié)合強度。而圖4-b則示出了以聚甲基丙烯酸甲酯(英文簡稱為PMMA)作為第一絕緣層12的情況。由于PMMA僅以范德華力附著在下電極層上，吸附強度較弱，二者很容易分開。而且PMMA與氧化鋅的熱膨脹系數(shù)差別較大，因此在PMMA表面再通過水熱法制備氧化鋅納米線時，就會出現(xiàn)氧化鋅層與PMMA層分離的情況，導致發(fā)電機整體厚度增加、外加應力無法有效的傳遞到壓電層氧化鋅上，使得發(fā)電機的輸出性能下降。由此可以看出，以無機絕緣材料，特別是無機氧化物作為第一絕緣層12能夠較好的克服有機絕緣層所帶來的上述問題，從而能夠制備出超薄的壓電納米發(fā)電機。無機絕緣層可通過本領域的常規(guī)方法制備，例如電化學法、磁控濺射法、蒸鍍法。一般第一絕緣層12為薄層結(jié)構(gòu)，厚度可以在200nm-2 μ m范圍內(nèi)，優(yōu)選500nm_l.5 μ m,更優(yōu)選 900nm-l.2 μ m。
[0060]第二絕緣層22因為是在壓電層制備之后形成的，無需再經(jīng)過條件嚴苛的處理步驟，因此材料的種類對發(fā)電機性能的影響沒有那么大，可以使用常規(guī)的無機或有機絕緣材料，可選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚對二甲基硅氧烷、鈦酸鋇、二氧化硅、鋁酸鋯。第二絕緣層如使用有機材料可用常規(guī)的旋涂法制備，如用無機材料也可以使用電化學、磁控濺射、蒸鍍的方法制備，厚度一般為20nm-2 μ m,在可能的情況下盡量薄些,優(yōu)選50nm_500nm。
[0061 ] 下電極層11和上電極層21由導電材料構(gòu)成，可選自金屬薄膜或銦錫氧化物薄膜，更優(yōu)選金屬薄膜，例如鉬膜、鋁膜、金膜、銅膜。優(yōu)選下電極層11的厚度為5 μ m-12 μ m，上電極層21的厚度為IOnm-1OOnm。
[0062]電極層應該與絕緣層或壓電層緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率，較好的方式是將導電材料通過沉積的方式在絕緣層或壓電層的外表面成膜；具體的沉積方法可以為磁控濺射或蒸鍍。
[0063]本發(fā)明納米發(fā)電機的總體厚度小于20 μ m，最好小于15 μ m,使得發(fā)電機整體具有很高的靈敏度。為達到該效果，應協(xié)調(diào)選擇上述各組件的材料及厚度。
[0064]通過研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的納米發(fā)電機對外輸出電信號的大小與外加應力之間具有正相關(guān)性，這使得該納米發(fā)電機具備了作為應力傳感器的基本條件。而且由于本發(fā)明納米發(fā)電機的超薄特性，使之具有了極強的靈敏度，可以對微小應力進行監(jiān)控。基于此，本發(fā)明人設計了眼球移動監(jiān)控傳感器。其主體結(jié)構(gòu)為本發(fā)明前面所公開的任一款壓電納米發(fā)電機，只需將上電極層21和下電極層11通過導線與所需的電信號監(jiān)測裝置連接即可，所述的電信號監(jiān)測裝置既可以是電壓監(jiān)測裝置，也可以是電流監(jiān)測裝置，還可以二者同時采集。
[0065]在使用的時候，用睫毛膠等粘結(jié)劑將眼球移動監(jiān)控傳感器黏貼在上眼皮的外表面，使其中的上電極層21與上眼皮的外表面緊密貼合，如圖5所示:當眼球位于中間位置時，形變保持穩(wěn)定后，沒有對外輸出的信號。當眼球向右邊移動時，眼球?qū)ι涎燮に┘拥膲毫﹄S著移動不斷發(fā)生變化:當眼球由中部逐漸移至外眼角處時，外眼角處的納米發(fā)電機逐漸向外彎曲變形，而眼皮中部納米發(fā)電機的形變則有所恢復，導致這兩處所對應的壓電層10受到的應力發(fā)生變化，從而對外輸出信號；當眼球從右邊移動到左邊時，這種彎曲變形的狀態(tài)又會發(fā)生相應的變化，從而對外輸出另外一個信號。只要眼球在不斷的移動，就不斷有對外輸出的信號可以被探測。
[0066]為了較為準確的監(jiān)測眼球的移動狀態(tài)，監(jiān)控傳感器中發(fā)電機的總長度至少要為從內(nèi)眼角到外眼角上眼皮長度的一半，以便能夠覆蓋眼球移動過程中至少從中間到一個眼角邊緣的一個周期，即眼球移動監(jiān)控傳感器的覆蓋范圍要達到至少從上眼皮的中部到內(nèi)眼角或外眼角的長度，優(yōu)選發(fā)電機覆蓋的總長度與從內(nèi)眼角到外眼角的上眼皮長度相當，即發(fā)電機對上眼皮基本實現(xiàn)全長度覆蓋。
[0067]采用如下方法制備本發(fā)明的基于壓電納米發(fā)電機的眼球移動監(jiān)控傳感器(參見圖
6):首先準備一個下電極層(例如鋁箔)，在下電極層的上表面每間隔一段距離貼上膠帶，通過陽極氧化法在下電極層表面沒有覆蓋膠帶的部分形成第一絕緣層(例如氧化鋁薄膜)，再向第一絕緣層上通過濺射形成種子層，在該種子層上通過水熱法或其他方法原位制備壓電層，例如氧化鋅納米線(ZnO NWs)，之后在壓電層的上表面旋涂一層第二絕緣層(例如PMMA)，在第二絕緣層形成之后通過沉積的方法形成一層很薄的上電極層(例如Al層)，最后通過除去膠帶并將相應的下電極層裁剪而形成多個納米發(fā)電機單元(例如NG I和NG II)。
[0068]由于本發(fā)明的納米發(fā)電機很薄，使用的材料也都具備較好的韌性，因此該器件可被彎曲360度(如圖7-c所示)。為了避免上下電極層的導通，可以讓上電極層的長和寬均小于所述下電極層的長和寬。再將所述壓電納米發(fā)電機進行封裝處理，用銅導線與上下電極連接起來，從而實現(xiàn)對眼球移動的監(jiān)控。所述封裝層可以為絕緣材料，為了不影響納米發(fā)電機的整個厚度和使用靈敏度，封裝層優(yōu)選絕緣薄膜，特別是有機薄膜，其厚度在可能的情況下盡量選擇薄一些，可以是100ηπι-2μπι。
[0069]實施例1:壓電納米發(fā)電機的制備
[0070]采用陽極氧化法在長5厘米X寬I厘米X厚10微米的鋁薄膜上生長一層氧化鋁薄膜作為第一絕緣層，在氧化鋁薄膜上磁控濺射一層厚度為IOOnm氧化鋅種子層。然后，通過水熱法在氧化鋅種子層上面生長一層厚度約2μπι的氧化鋅納米線陣列作為壓電材料。然后在氧化鋅納米線陣列上旋涂一層20nm厚的聚對二甲基硅氧烷作為第二絕緣層。最后，在聚對二甲基硅氧烷上面通過沉積法制備一層厚度50nm的鋁薄膜作為上電極層。本發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖參見圖7-a，圖7-b為相應結(jié)構(gòu)的電鏡照片，圖7-d為種子層和第一絕緣層的局部放大圖，圖7-c為發(fā)電機的實物照片。
[0071]對發(fā)電機施加外力，如揉搓或輕按，電壓表有相應的電信號輸出，說明能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能進行發(fā)電。附圖為使用不同厚度的氧化鋁作為第一絕緣層的情況下，發(fā)電機的電信號輸出情況，其中圖8-a為開路電壓圖，圖8-b為短路電流圖。
[0072]實施例2:壓電納米發(fā)電機的制備
[0073]以長3厘米X寬2厘米X厚12微米的鋁箔作為下電極層，在其上制備一層二氧化硅薄膜作為第一絕緣層，在第一絕緣層表面通過旋涂法制備一層厚度約I μ m的聚偏氟乙烯薄層作為壓電層。然后在壓電層上直接沉積一層厚度約20nm的鋁薄膜作為上電極層。將上電極層和下電極層通過導線與外接電壓表連接，對發(fā)電機施加外力，如揉搓或輕按，電壓表有相應的電信號輸出，說明能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能進行發(fā)電。
[0074]實施例3:基于壓電納米發(fā)電機的眼球移動監(jiān)控傳感器的制備
[0075]采用陽極氧化法在長20毫米X寬5毫米X厚12微米的鋁薄膜上生長厚度為
Iμ m的第一絕緣層鋁酸鋯薄膜，然后在該薄膜上蒸鍍一層鋯鈦酸鉛種子層。再通過水熱法在該種子層上面生長一層鋯鈦酸鉛納米棒陣列作為壓電層，并在該納米線陣列上旋涂一層聚對二甲基硅氧烷作為第二絕緣層。最后，在聚對二甲基硅氧烷上面制備一層銅薄膜作為上電極層，利用導線將上下電極連接并引出。將該器件用膠布固定在上眼皮的表面，使銅薄膜與上眼皮緊密接觸，當人眼球在移動的過程中可以觀察到明顯的輸出信號，從而實現(xiàn)對眼球移動的監(jiān)控。圖9-a為本發(fā)明監(jiān)控傳感器的安放位置和眼球移動示意圖，圖9-b為當眼球以約0.4Hz的頻率慢速移動時的電信號輸出譜圖，圖9-c為眼球以1.6Hz的頻率快速移動時的電信號輸出譜圖?？梢钥闯?，當眼球移動的頻率發(fā)生變化時，監(jiān)控傳感器的輸出頻率也發(fā)生明顯的變化。這說明本發(fā)明的眼球移動監(jiān)控傳感器可以實現(xiàn)通過電信號監(jiān)測來分析眼球移動狀態(tài)的目的。[0076]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電納米發(fā)電機，其特征在于，包括: 下電極層， 置于所述下電極層上表面的第一絕緣層， 置于所述第一絕緣層上表面的壓電層， 和位于壓電層上方的上電極層； 所述發(fā)電機的厚度小于20 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電層和上電極層之間還設有第二絕緣層，所述第二絕緣層的上下表面分別與所述上電極層和所述壓電層貼合。
3.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述上電極層直接貼合在所述壓電層的上表面。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述發(fā)電機的厚度小于15 μ m。
5.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電層包含壓電材料。
6.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電層還包含種子層，所述種子層處于所述第一絕緣層和所述壓電材料之間。
7.如權(quán)利要求5所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電材料選自氧化鋅、氮化鎵、碲化鎘、硫化鎘、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚二氟乙烯、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鍺酸鋰和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。`
8.如權(quán)利要求5所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電材料具有微納結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述微納結(jié)構(gòu)選自納米線、納米顆粒、納米棒、納米管、納米片和納米花。
10.如權(quán)利要求9所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述微納結(jié)構(gòu)為由納米線、納米管和/或納米棒組成的納米陣列。
11.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電層的厚度范圍為50nm 至丨J 5 μ m0
12.如權(quán)利要求11所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電層的厚度范圍為IOOnm到2μ m0
13.如權(quán)利要求12所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述壓電層的厚度范圍為IOOnm到Iμ m0
14.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一絕緣層選自氧化招、二氧化娃、招酸錯和氧化鉿。
15.如權(quán)利要求2所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述第二絕緣層選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚對二甲基硅氧烷、鈦酸鋇、二氧化硅和鋁酸鋯。
16.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一絕緣層的厚度范圍為200nm到2 μ m。
17.如權(quán)利要求16所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一絕緣層的厚度范圍為500nm 到 1.5 μ m。
18.如權(quán)利要求2所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述第二絕緣層的厚度范圍為20nm至Ij 2 μ m0
19.如權(quán)利要求18所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述第二絕緣層的厚度范圍為50nm 到 500nm。
20.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述上電極和/或下電極層由金屬薄膜構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求20所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述金屬薄膜為鉬膜、鋁膜、銀膜、金膜或銅膜。
22.如權(quán)利要求21所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述下電極層的厚度為5-12μπι，所述上電極層的厚度為10nm-100nm。
23.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述上電極層通過沉積的方法制備。
24.如權(quán)利要求1-3任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于，所述上電極層和下電極層通過外電路電連接。
25.—種眼球移動監(jiān)控傳感器,其特征在于,包含權(quán)利要求1-24任一項所述的發(fā)電機，所述上電極層和所述下電極層通過導線與電信號監(jiān)測裝置相連接。
26.如權(quán)利要求25所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，所述電信號監(jiān)測裝置為電壓和/或電流監(jiān)測裝置。
27.如權(quán)利要求25或26所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，所述監(jiān)控傳感器包括2個以上所述發(fā)電機。
28.如權(quán)利要求25或26 所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，所述發(fā)電機覆蓋的總長度至少為從內(nèi)眼角到外眼角上眼皮長度的一半。
29.如權(quán)利要求28所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，所述發(fā)電機覆蓋的總長度與從內(nèi)眼角到外眼角的上眼皮長度相當。
30.如權(quán)利要求25或26所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，所述發(fā)電機中的所述上電極層的長和寬分別小于所述下電極層的長和寬。
31.如權(quán)利要求25或26所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，還包括絕緣封裝層將所述發(fā)電機進行封裝。
32.如權(quán)利要求31所述的監(jiān)控傳感器，其特征在于，所述絕緣封裝層為有機薄膜。
33.一種眼球移動監(jiān)控方法，其特征在于，將權(quán)利要求25-32任一項所述的眼球移動監(jiān)控傳感器黏貼在上眼皮外表面，使得所述上電極層與所述上眼皮外表面緊密貼合。
34.如權(quán)利要求33所述的監(jiān)控方法，其特征在于所述眼球移動監(jiān)控傳感器的覆蓋范圍要達到至少從上眼皮的中部到內(nèi)眼角或外眼角的長度。
【文檔編號】A61B5/00GK103780143SQ201310158878
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月2日
【發(fā)明者】王中林, 李尙玟, 楊亞 申請人:國家納米科學中心