本發(fā)明具體涉及一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自供能濕度傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

濕度傳感器廣泛應(yīng)用于軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、建筑以及家用電器等方面，對濕度的檢測與分析是科學(xué)研究、生產(chǎn)過程和環(huán)境檢測的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的濕度傳感器通常依賴于外部電源提供能量，這一特性大大地限制了濕度傳感器的應(yīng)用范圍，一方面，對設(shè)置于偏遠(yuǎn)地區(qū)或者室外工作的濕度傳感器而言，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定可靠的外部直接供電比較困難，因此，通過無源技術(shù)使得濕度傳感器能實(shí)現(xiàn)既定的功能具有廣泛的應(yīng)用前景；另一方面，隨著科技發(fā)展，越來越多微型功能器件和微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于人們的日常生活中，然而器件的微型化限制了其供電單元的體積，對于傳統(tǒng)電池來說，小的體積意味著儲電量小，一旦電量耗盡，器件就失去了功能性，這就極大地限制了器件的使用壽命，因此，濕度傳感器在滿足微型需要的同時(shí)其供電單元的續(xù)航能力在實(shí)際應(yīng)用中是極為重要的。

綜上所述，如何能夠?qū)崿F(xiàn)濕度傳感器在無外加電源就能獨(dú)立運(yùn)行，并收集環(huán)境中能量轉(zhuǎn)換為電能作為補(bǔ)充，從而達(dá)到在完成既定功能的基礎(chǔ)上延長其使用壽命，減少能源損耗，成為研究中所要解決的技術(shù)問題。

自供能技術(shù)是一種無需外加電源，收集周圍環(huán)境中其他形式能量(如太陽能、風(fēng)能、機(jī)械能、熱能等)并將其轉(zhuǎn)換成電能，為電子設(shè)備提供安全、穩(wěn)定、高效的電能供給技術(shù)。自供能技術(shù)以其獨(dú)有的自持續(xù)性特點(diǎn)，成為解決濕度傳感器長期自主供電的一種理想方案。為此，亟需一種能夠集能量收集轉(zhuǎn)換功能和檢測濕度功能于一體的自供能濕度傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上文所述，本發(fā)明為解決上述問題提供一種自供能濕度傳感器及其制備方法，本發(fā)明自供能濕度傳感器經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠根據(jù)納米摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓阻抗響應(yīng)得到濕度傳感器的工作濕度，從而實(shí)現(xiàn)能量收集轉(zhuǎn)換功能和檢測濕度功能于一體。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明一方面公開了一種自供能濕度傳感器，包括傳感單元、儲能單元和無源供電單元，所述傳感單元包括濕敏元件和檢測電路，所述儲能單元包括整流電路和儲能元件，所述無源供電單元為由第一摩擦部件和第二摩擦部件組成的摩擦發(fā)電裝置；

其中，第一摩擦部件包括底面沉積有第一金屬層的第一絕緣基板，第二摩擦部件包括頂面沉積有第二金屬層的第二絕緣基板以及與第二金屬層頂面直接貼合的負(fù)極性摩擦層；

第一摩擦部件通過彈性支撐結(jié)構(gòu)和第二摩擦部件相互隔離設(shè)置，并使得所述第一金屬層和負(fù)極性摩擦層面對面設(shè)置，在外力作用下，第一摩擦部件的第一金屬層通過彈性支撐結(jié)構(gòu)形變能和負(fù)極性摩擦層形成接觸-分離循環(huán)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并通過第一金屬層和第二金屬層作為電極與儲能單元輸入端相連；

濕敏元件包括沉積有叉指電極的第三絕緣基板和沉積于所述叉指電極表面的濕敏薄膜層；

所述叉指電極的一端口與儲能單元輸出端相連，另一端口與檢測電路相連以輸出濕敏元件的電學(xué)參數(shù)變化。

進(jìn)一步地，本發(fā)明儲能單元中整流電路將摩擦發(fā)電機(jī)輸出的交變電流轉(zhuǎn)換為直流輸出，而儲能元件多采用電容器，所述電容器收集摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電荷然后對后端檢測電路進(jìn)行充放電。

進(jìn)一步地，本發(fā)明彈性支撐結(jié)構(gòu)為垂直設(shè)置于第一摩擦部件和第二摩擦部件相向面之間的彈簧。

優(yōu)選地，本發(fā)明彈性支撐結(jié)構(gòu)還包括固定所述彈簧和調(diào)節(jié)第一摩擦部件和第二摩擦部件之間距離的緊固件。

具體地，所述緊固件為螺栓和螺母，并通過開設(shè)于第一絕緣基板和第二絕緣基板上的通孔實(shí)現(xiàn)螺栓連接，具體連接方式為：所述螺栓的頭部安裝于第二絕緣基板底面，螺栓的螺桿通過第二絕緣基板底面的通孔穿套于彈簧中并通過設(shè)于第一絕緣基板頂面的螺母固定；其中，所述通孔直徑介于螺栓頭部直徑和螺桿直徑之間。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明彈簧的材質(zhì)為金屬，金屬彈簧兩端設(shè)有絕緣墊片，所述絕緣墊片為環(huán)形，其內(nèi)環(huán)直徑小于彈簧直徑，其外環(huán)直徑大于彈簧直徑。

進(jìn)一步地，本發(fā)明第一金屬層或第二金屬層的材料為鋁、鎳、銅、銀和金中任一種；第一金屬層或第二金屬層的厚度為30～70μm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明叉指電極的材料為鋁或金，叉指電極的參數(shù)如下：寬度為25μm～50μm，間距為25μm～50μm，長度為800μm～4500μm，厚度為100nm～200nm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明負(fù)極性摩擦層的材料為有機(jī)聚合物，作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述有機(jī)聚合物摩擦層材料為尼龍(Nylon)、鐵氟龍(PTFE)、聚氟乙烯(PDMS)或聚酰亞胺(PI)，上述有機(jī)聚合物形成摩擦層的厚度范圍為10～50微米。

進(jìn)一步地，本發(fā)明濕敏薄膜層的材料為聚氧化乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺和聚酰亞胺中任一種或者其任意一種與半導(dǎo)體氧化物形成的復(fù)合材料。

本發(fā)明另一方面公開了一種自供能濕度傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟A：摩擦部件的制備；

在洗凈、干燥的第一絕緣基板的一表面沉積第一金屬層，制得第一摩擦部件，在洗凈、干燥的第二絕緣基板的一表面沉積第二金屬層，然后在所述第二金屬層表面制備負(fù)極性摩擦層，制得第二摩擦部件；

步驟B：濕敏元件的制備：

在洗凈、干燥的第三絕緣基板的表面采用光刻、濺射和剝離工藝制作出叉指電極，然后采用成膜工藝在所述叉指電極表面沉積濕敏薄膜層，制得濕敏元件；

步驟C：組裝；

在第一摩擦部件和第二摩擦部件之間設(shè)置彈性支撐結(jié)構(gòu)使之相互隔離，使得第一金屬層和負(fù)極性摩擦層面對面設(shè)置，并在外力作用下，第一摩擦部件的第一金屬層通過彈性支撐結(jié)構(gòu)形變能和負(fù)極性摩擦層形成接觸-分離循環(huán)

將第一金屬層和第二金屬層作為電極均接入儲能單元的輸入端，然后將儲能單元的輸出端與濕敏元件中叉指電極的一端相連，再將叉指電極的另一端與檢測電路連接以輸出濕敏元件的電學(xué)參數(shù)變化。

進(jìn)一步地，本發(fā)明彈性支撐結(jié)構(gòu)為彈簧，具體固定方式為：將彈簧兩端垂直固定于第一金屬層和負(fù)極性摩擦層相向面之間；所述彈簧的固定方式可以采用粘結(jié)或者任何合適的固定方式，作為優(yōu)選實(shí)施方式，第一絕緣基板和第二絕緣基板的材料應(yīng)采用柔性、輕質(zhì)絕緣材料，以減輕彈簧的承受力。

優(yōu)選地，本發(fā)明彈性支撐結(jié)構(gòu)還包括固定所述彈簧和調(diào)節(jié)第一摩擦部件和第二摩擦部件之間距離的緊固件，所述緊固件為螺母和螺栓，具體固定方式如下：在第一絕緣基板和第二絕緣基板上對應(yīng)開設(shè)通孔，所述通孔直徑介于螺栓的頭部直徑和螺栓桿直徑之間，螺栓的頭部安裝于第二絕緣基板底面通孔處，使得螺栓的桿部穿過第二絕緣基板通孔，在螺栓的桿部上套設(shè)彈簧，并通過設(shè)于第一絕緣基板頂面的螺母固定。

具體地，彈簧材質(zhì)可以為金屬彈性材料或其他絕緣彈性材料，金屬彈簧兩端應(yīng)進(jìn)行絕緣封裝或者成為絕緣處理，從而避免在摩擦生電過程中對電荷產(chǎn)生影響，具體可以為：將金屬彈簧兩端與摩擦部件接觸處設(shè)置絕緣墊片，所述絕緣墊片為環(huán)形，并且彈簧直徑介于環(huán)形絕緣墊內(nèi)徑與外徑之間；也可以將彈簧絲表面包覆柔性絕緣材料。

進(jìn)一步地，本發(fā)明儲能單元包括將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流電路和儲存電量以供給檢測電路的儲能元件，所述儲能元件多為電容器。

進(jìn)一步地，本發(fā)明第一金屬層或第二金屬層的材料為鋁、鎳、銅、銀和金中任一種；第一金屬層或第二金屬層的厚度為30～70μm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明叉指電極的材料為鋁或金，叉指電極的參數(shù)如下：寬度為25μm～50μm，間距為25μm～50μm，長度為800μm～4500μm，厚度為100nm～200nm。

進(jìn)一步地，本發(fā)明負(fù)極性摩擦層的材料為有機(jī)聚合物，作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述有機(jī)聚合物為尼龍(Nylon)、鐵氟龍(PTFE)、聚氟乙烯(PDMS)或聚酰亞胺(PI)，有機(jī)聚合物形成摩擦層的厚度范圍為10～50微米。

進(jìn)一步地，本發(fā)明濕敏薄膜層的材料為聚氧化乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺和聚酰亞胺中任一種或者其任意一種與半導(dǎo)體氧化物形成的復(fù)合材料。

本發(fā)明的有益效果是：

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，本發(fā)明通過第一、二摩擦部件及彈性支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)收集外界環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換為電能，從而為測量濕度及其余能耗供能；儲能單元的設(shè)置較為合理，其包括的整流電路和儲能元件能夠?qū)⒛Σ涟l(fā)電產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為所需直流電，并將電能儲存于電容器中為檢測電路持續(xù)供能；本發(fā)明彈性支撐結(jié)構(gòu)不局限于利用彈性來實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電，而且增加了能夠固定彈簧并且調(diào)節(jié)第一摩擦部件與第二摩擦部件間距的緊固件結(jié)構(gòu)，便于靈活調(diào)節(jié)摩擦部件之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)自供能濕度傳感器的供電單元輸出電壓可調(diào)；此外彈性支撐結(jié)構(gòu)的緊固件安裝設(shè)計(jì)較為合理，第一、二摩擦部件出現(xiàn)損壞的情況下，容易通過拆卸緊固件將其取下進(jìn)行更換，節(jié)約成本，方便維護(hù)。

二、性能較為優(yōu)異，本發(fā)明基于濕敏薄膜層能夠?qū)Νh(huán)境中水分子含量響應(yīng)，通過檢測電路判斷出濕敏薄膜不同阻值變化所對應(yīng)的空氣濕度，從而達(dá)到濕度測量的功能；相比于傳統(tǒng)的濕度傳感器，本發(fā)明濕度傳感器不需要外部供電系統(tǒng)；相比基于壓電效應(yīng)的自供能氣體傳感器器具有較大的輸出信號，本發(fā)明濕度傳感器能解決一般基于壓電效應(yīng)的自供能氣體傳感器存在的敏感度低、輸出信號弱等問題。

三、制備方法簡單，制作均與現(xiàn)有工藝具有很高兼容性，并且材料或零件的成本低廉、適用于實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明自供能濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的叉指電極的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的接觸分離式自供能濕度傳感器摩擦電供電原理示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的自供能濕度傳感器制備工藝流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的自供能濕度傳感器的等效工作電路圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的自供濕度傳感器的信號檢測電路；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的自供濕度傳感器檢測不同濕度時(shí)濕敏元件兩端電壓隨環(huán)境濕度變化的測試結(jié)果圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出開路電壓；

圖9為飛秒激光加工后鐵氟龍摩擦層表面膨化結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；

圖10為飛秒激光加工后鐵氟龍摩擦層表面在原子力顯微鏡下的圖像；

其中，101為第一絕緣基板，102為第二絕緣基板，201為第一金屬層，202為第二金屬層，3為負(fù)極性摩擦層，4為叉指電極，5為濕敏薄膜層，6為導(dǎo)電銀漿，7為導(dǎo)電引線，7_A端口和7_B端口分別為摩擦發(fā)電裝置中第一金屬層作為電極和第二金屬層作為電極與儲能單元的接口，7_c端口為叉指電極一端與儲能單元的接口，7_D端口為叉指電極另一端與檢測電路的接口，8為儲能單元，9為檢測電路，11為絕緣支撐結(jié)構(gòu)，1101為彈簧，1102為螺栓，1103為螺母，1104為絕緣墊片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例：

實(shí)施例1：

如圖1所示，本發(fā)明自供能濕度傳感器包括傳感單元、儲能單元和無源供電單元，所述傳感單元包括濕敏元件和檢測電路9，所述儲能單元8包括整流電路和儲能元件，所述無源供電單元為由第一摩擦部件和第二摩擦部件組成的摩擦發(fā)電裝置；其中，第一摩擦部件包括底面沉積有第一金屬層201的第一絕緣基板101，第二摩擦部件包括頂面沉積有第二金屬層202的第二絕緣基板102以及與第二金屬層202頂面直接貼合的負(fù)極性摩擦層3；第一摩擦部件通過彈性支撐結(jié)構(gòu)11和第二摩擦部件相互隔離設(shè)置，并使得所述第一金屬層201和負(fù)極性摩擦層3面對面設(shè)置，在外力作用下，第一摩擦部件的第一金屬層201通過彈性支撐結(jié)構(gòu)11形變能和負(fù)極性摩擦層3形成接觸-分離循環(huán)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并將第一金屬層201和第二金屬層202作為電極通過導(dǎo)電銀漿6和導(dǎo)電引線7與儲能單元8的輸入端相連；濕敏元件包括沉積有叉指電極4的第三絕緣基板103和沉積于所述叉指電極4表面的濕敏薄膜層5；所述叉指電極4的一端口通過導(dǎo)電銀漿6和導(dǎo)電引線7與儲能單元8的輸出端相連，另一端口通過導(dǎo)電銀漿6和導(dǎo)電引線7與檢測電路9相連以輸出濕敏元件的電學(xué)參數(shù)變化。

如圖2所示，本發(fā)明傳感單元中濕敏元件中叉指電極4的結(jié)構(gòu)示意圖，作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明叉指電極4的材料為鋁或金，叉指電極4的參數(shù)如下：寬度為25μm～50μm，間距為25μm～50μm，長度為800μm～4500μm，厚度為100nm～200nm。

第一金屬層201和第二金屬層202將第一摩擦部件與第二摩擦部件之間產(chǎn)生的電荷通過導(dǎo)線引出，因此作為電極，第一金屬層201或第二金屬層202的材料優(yōu)選為鋁、鎳、銅、銀和金中任一種；為了更好實(shí)現(xiàn)功能，第一金屬層201或第二金屬層202的厚度為30～70μm。

第一金屬層201不僅是電極而且也是摩擦層，根據(jù)本領(lǐng)域人員公知常識，金屬為容易失去電子，呈現(xiàn)正電的物質(zhì)，金屬的摩擦極性為正極性，因此，相對的負(fù)極性摩擦層3的材料易得到電子，呈現(xiàn)負(fù)極性，作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述負(fù)極性摩擦層3的材料為有機(jī)聚合物，所述有機(jī)聚合物優(yōu)選為尼龍(Nylon)、鐵氟龍(PTFE)、聚氟乙烯(PDMS)或聚酰亞胺(PI)，上述有機(jī)聚合物形成摩擦層的厚度范圍為10～50微米。

濕敏元件中濕敏薄膜層5的材料優(yōu)選為聚氧化乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺和聚酰亞胺中任一種或者其任意一種與半導(dǎo)體氧化物形成的復(fù)合材料。

彈性支撐結(jié)構(gòu)11可以為彈簧1101，通過粘結(jié)或者任何合適的方式垂直固定在第一金屬層201和負(fù)極性摩擦層3之間使得第一摩擦部件和第二摩擦部件相互隔離，作為優(yōu)選實(shí)施方式，為了減少彈簧1101的支撐力，第一摩擦部件和第二摩擦部件的材料應(yīng)采用柔性、輕質(zhì)絕緣材料；依照上述固定彈簧方式，在實(shí)際中根據(jù)納米摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)合理設(shè)置彈簧1101的長度及絕緣基板面積，以形成所需輸出電壓不同的摩擦發(fā)電裝置。

考慮到便于安裝及拆卸以及安裝穩(wěn)固性，將彈簧1101采用緊固件固定，并與摩擦部件實(shí)現(xiàn)可拆卸連接。

考慮到供電單元輸出電壓可調(diào)，在第一絕緣基板101和第二絕緣基板102對應(yīng)設(shè)置通孔，選擇能夠緊固連接兩個(gè)帶有通孔的基板的零件——螺栓1102及與之匹配的螺母1103，螺母1103能夠從螺栓1102上旋下實(shí)現(xiàn)固定效果，也可以旋出從而實(shí)現(xiàn)拆卸；具體連接方式為：螺栓1102的頭部設(shè)于第二絕緣基板102底面，螺栓1102的螺桿通過第二絕緣基板102底面的通孔穿套于彈簧1101中并通過設(shè)于第一絕緣基板101頂面的螺母1103固定；其中，所述通孔直徑介于螺栓1102的頭部直徑和螺桿直徑之間。

考慮到彈簧1101的材質(zhì)為金屬時(shí)會對摩擦發(fā)電過程產(chǎn)生影響，所以金屬彈簧(尤其是與摩擦部件接觸處)應(yīng)該采取絕緣措施，具體地，金屬彈簧兩端設(shè)有絕緣墊片1104，所述絕緣墊片1104為環(huán)形，其內(nèi)環(huán)直徑小于金屬彈簧直徑，其外環(huán)直徑大于金屬彈簧直徑。

考慮到方便攜帶及對器件的保護(hù)作用，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要采用絕緣封裝箱將上述整個(gè)系統(tǒng)集成封裝。

如此設(shè)計(jì)，本發(fā)明自供能傳感器將供電單元和傳感單元進(jìn)行集成，通過外界施加作用力使彈性支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生形變并通過摩擦部件形成接觸-分離循環(huán)，基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，利用不同材料之間的摩擦極序差使得摩擦層在接觸分離的過程中不斷積累或釋放電荷，從而在外電路產(chǎn)生交變電流，并提供給濕敏元件和檢測電路對環(huán)境濕度進(jìn)行測試。彈性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在摩擦部件出現(xiàn)損壞的情況下，可以拆卸緊固件、彈簧進(jìn)行維修或者更換，然后重新固定，無需更換整個(gè)摩擦發(fā)電裝置，節(jié)約成本；采用螺栓、螺母的緊固方式可以實(shí)現(xiàn)摩擦部件之間距離的調(diào)節(jié)，從而使得供電單元輸出電壓可調(diào)節(jié)，優(yōu)化性能。

以下為本發(fā)明自供能濕度傳感器中供電單元的發(fā)電原理，如圖3所示：本發(fā)明采用的是接觸-分離式結(jié)構(gòu)(如圖3a)，在外力作用下，發(fā)電機(jī)上端絕緣基板底面所鍍的銅層將與下端絕緣基板頂面的有機(jī)聚合物薄膜摩擦層發(fā)生接觸，定義相互接觸時(shí)銅層接觸面為第一表面，有機(jī)聚合物薄膜摩擦層接觸面為第二表面，由于銅與有機(jī)聚合物材料(如鐵氟龍PTFE)之間摩擦電極序差比較大，兩者接觸時(shí)第二表面將從第一表面上得到電子，從而使得兩個(gè)接觸面帶上等量異號的電荷，即產(chǎn)生摩擦電荷(如圖3b)。一旦外力消失，在彈性支撐結(jié)構(gòu)的彈力作用下，上端絕緣基板將被彈開，從而使銅層與有機(jī)聚合物薄膜摩擦層分離，兩個(gè)接觸面之間將會產(chǎn)生電勢差，在靜電感應(yīng)的作用下有機(jī)聚合物薄膜摩擦層底面的銅層將會產(chǎn)生感應(yīng)正電荷，將上下兩個(gè)銅層作為電極，如果用導(dǎo)線在上下兩個(gè)銅電極之間接入一個(gè)負(fù)載，上電極將通過負(fù)載釋放與有機(jī)聚合物薄膜摩擦所產(chǎn)生的正電荷，電子將從下電極通過負(fù)載轉(zhuǎn)移到上電極以平衡上電極與有機(jī)聚合物薄膜之間的電勢差(如圖3c)。當(dāng)兩個(gè)接觸面之間的距離達(dá)到最大時(shí)，下電極上的感應(yīng)電荷密度將達(dá)到最大(如圖3d)。在外力作用下，上端絕緣基板再次向下振動(dòng)，隨著上端銅層逐漸靠近下端有機(jī)聚合物薄膜摩擦層，在靜電感應(yīng)的作用下，上端銅層的第一表面將會逐漸產(chǎn)生一層感應(yīng)正電荷，此時(shí)電子將會通過負(fù)載從上電極轉(zhuǎn)移到下電極(如圖3e)，直到上端銅層與下端有機(jī)聚合物薄膜摩擦層再次接觸，此時(shí)兩個(gè)接觸面帶有等量異號電荷(如圖3b)。經(jīng)過重復(fù)上述周期性的接觸和分離，摩擦納米發(fā)電機(jī)將輸出交變的電流脈沖信號，再通過整流電路將交流信號變?yōu)橹绷鬏敵?，從而為濕敏元件供電?/p>

實(shí)施例2：

一種自供能濕度傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟A：摩擦部件的制備；

將3個(gè)尺寸為10厘米×10厘米的有機(jī)玻璃基板分別洗凈，并用氮?dú)獯蹈?，分別命名為第一有機(jī)玻璃基板、第二有機(jī)玻璃基板和第三有機(jī)玻璃基板；

在第一有機(jī)玻璃基板的一表面采用物理氣相沉積法沉積厚度為70μm的第一銅層，制得第一摩擦部件，在第二有機(jī)玻璃基板的一表面沉積厚度為70μm第二銅層，然后在所述第二銅層表面粘貼一層厚度為50μm的聚酰亞胺(PI)摩擦層，制得第二摩擦部件；

步驟B：濕敏元件的制備：

在第三有機(jī)玻璃基板的表面采用光刻、濺射和剝離工藝制作出金叉指電極，然后采用成膜工藝在所述金叉指電極表面沉積聚苯乙烯磺酸鈉與氧化石墨烯形成的復(fù)合薄膜層，制得濕敏元件；

步驟C：組裝；

在第一摩擦部件和第二摩擦部件之間垂直固定彈簧使之相互隔離，并使得第一銅層和聚酰亞胺(PI)摩擦層面對面設(shè)置，并在外力作用下，第一摩擦部件的第一銅層通過彈簧形變能和聚酰亞胺(PI)摩擦層形成接觸-分離循環(huán)，其中：彈簧材料選擇絕緣彈性材料或者在彈簧絲外設(shè)有絕緣包覆層，經(jīng)上述絕緣處理的彈簧采用粘結(jié)方式固定；

將第一銅層和第二銅層作為電極通過導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電引線接入橋式整流電路將摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的交變電流轉(zhuǎn)化為直流輸出，并用一個(gè)1uf的電容來收集發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電荷，橋式整流電路和luf電容組成儲能單元，然后將所述儲能單元的輸出端通過導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電引線與濕敏元件中金叉指電極的一端相連，再將金叉指電極的另一端通過導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電引線與檢測電路連接以輸出濕敏元件的電學(xué)參數(shù)變化。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，用以制備摩擦部件的第一絕緣基板和第二絕緣基板的材料應(yīng)采用柔性、輕質(zhì)絕緣材料，以減輕彈簧支撐力，避免粘結(jié)效果由于絕緣基板重量原因而損壞。

實(shí)施例3：

如圖4所示，一種自供能濕度傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟A：摩擦部件的制備；

將3個(gè)尺寸為10厘米×10厘米的有機(jī)玻璃基板分別洗凈，并用氮?dú)獯蹈?，分別命名為第一有機(jī)玻璃基板、第二有機(jī)玻璃基板和第三有機(jī)玻璃基板；

在第一有機(jī)玻璃基板的一表面物理氣相沉積法沉積厚度為30μm的第一銅層，制得第一摩擦部件，在第二有機(jī)玻璃基板的一表面沉積厚度為30μm第二銅層，然后在所述第二銅層表面粘貼一層厚度為10μm的鐵氟龍(PTFE)摩擦層，制得第二摩擦部件；

步驟B：濕敏元件的制備：在第三有機(jī)玻璃基板的表面采用光刻、濺射和剝離工藝制作出鋁叉指電極，然后采用成膜工藝在所述鋁叉指電極表面沉積聚氧化乙烯薄膜層，制得濕敏元件；

步驟C：組裝；

在第一摩擦部件和第二摩擦部件上對應(yīng)開設(shè)通孔并通過套有彈簧的螺栓和螺母的固定相互隔離，使得第一銅層和鐵氟龍(PTFE)摩擦層面對面設(shè)置，并在外力作用下，第一摩擦部件的第一銅層通過彈簧形變能和鐵氟龍(PTFE)摩擦層形成接觸-分離循環(huán)，其中：所述通孔直徑介于螺栓的頭部直徑和螺栓桿直徑之間，螺栓的頭部設(shè)于第二有機(jī)玻璃基板通孔處，螺栓的桿部套設(shè)有彈簧，螺栓的尾部穿過第一有機(jī)玻璃基板通孔并通過設(shè)于第一有機(jī)玻璃基板頂面的螺母固定，彈簧兩端與有機(jī)玻璃基板接觸處設(shè)有絕緣墊片，所述絕緣墊片為環(huán)形，并且彈簧直徑介于環(huán)形絕緣墊片的內(nèi)徑與外徑之間；

將第一銅層和第二銅層作為電極通過導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電引線接入橋式整流電路將摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的交變電流轉(zhuǎn)化為直流輸出(分別對應(yīng)7_A端口和7_B端口)，并用一個(gè)1uf的電容來收集發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電荷，橋式整流電路和luf電容組成儲能單元，然后將所述儲能單元的輸出端通過導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電引線與濕敏元件中金叉指電極的一端相連(對應(yīng)7_C端口)，再將金叉指電極的另一端通過導(dǎo)電銀漿和導(dǎo)電引線與檢測電路連接以輸出濕敏元件的電學(xué)參數(shù)變化(對應(yīng)7_D端口)。

本實(shí)施例制得自供能濕度傳感器的等效電路如圖5所示，接觸-分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的交流電流可以看成一個(gè)平板電容的充放電，而濕敏元件(包括絕緣基板上的叉指電極以及氣噴在叉指電極表面的濕敏薄膜)的電學(xué)特性又相當(dāng)于一個(gè)可變電阻；不同濕度下濕敏元件電阻值的改變將與輸出電流和電壓的變化成線性關(guān)系，所以通過監(jiān)測器件的輸出電流或輸出電壓就能得知待測空氣濕度。

根據(jù)圖5可知，在濕敏元件上的分壓為：

其中，V_oc為摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓，R為外置電阻，Rs為氣敏元件電阻。

如上所述，將接觸-分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)看成一個(gè)平板電容，其輸出電壓如下：

其中，σ是接觸面摩擦電荷密度，ε₀是真空介電常數(shù)，d是上下兩個(gè)接觸面的間距。可見，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓與上端有機(jī)玻璃基板上下振動(dòng)頻率無關(guān)，只與器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，特定發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)在不同頻率的外力作用下，其輸出電壓是恒定的。結(jié)合公式(1)和(2)可知，濕敏元件的分壓只取決于濕敏元件的電阻大小。不同空氣濕度下濕敏元件的電阻值改變將轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娏骱洼敵鲭妷旱淖兓酝ㄟ^監(jiān)測器件的輸出電流和輸出電壓就能得知待測空氣的濕度。

圖6為本發(fā)明自供能濕度傳感器的檢測電路，其中，7_A端口和7_B端口分別為摩擦發(fā)電裝置中第一金屬層作為電極和第二金屬層作為電極與儲能單元的接口，7_c端口為叉指電極一端與儲能單元的接口，7_D端口為叉指電極另一端與檢測電路的接口，結(jié)合圖4可以直觀了解各部分之間的電路連接方式；其中選擇合適阻值的電阻使得R₁、R₂、R_f和R_s之間滿足關(guān)系式R₁＝kR_f、R₂＝kR_s。將自供能濕度傳感器去放于待測濕度的環(huán)境中，由于摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出特性由自身結(jié)構(gòu)決定，所以當(dāng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)可認(rèn)為在電容器兩端得到穩(wěn)定的輸出電壓以及穩(wěn)定的輸出電流。測試時(shí)，首先將本發(fā)明濕度傳感器放在相對濕度為7％的環(huán)境之中，調(diào)解R_f的阻值，使其滿足下式：-

此時(shí)流過電流計(jì)的電流為零，所以電流計(jì)不會偏轉(zhuǎn)。當(dāng)改變環(huán)境濕度時(shí)，此時(shí)電流計(jì)會偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度與空氣的相對濕度成正比。

穩(wěn)定時(shí)，敏感電阻的阻值由R_s變?yōu)镽_s+ΔR_s，當(dāng)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流一定，輸出電流在檢測電路中滿足以下關(guān)系式：

此時(shí)流過電流計(jì)的電流為：

通過實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的摩擦納米發(fā)電機(jī)適配的濕敏元件的阻值R_s應(yīng)在MΩ級別才有最佳的輸出效應(yīng)，相對于置于不同濕度下濕敏元件的阻值變化ΔR_s，由于ΔR_s/R_s＜＜1，根據(jù)公式(5)可以得到以下近似：

其中由電流計(jì)的工作原理可知電流計(jì)偏轉(zhuǎn)角θ與其本身參數(shù)以及通過它的電流I成正比，具體關(guān)系如下：

結(jié)合式(6)和式(7)，由于電阻的變化值與濕度成線性關(guān)系有ΔR_S＝K₂·H，可推出電流計(jì)偏轉(zhuǎn)角與濕敏元件的阻值變化成線性關(guān)系，如下式：

θ＝K’·H (8)

式中θ是電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)角度，H是空氣的相對濕度，K’是比例系數(shù)，有可以看出比例系數(shù)只與摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出電流、電流計(jì)固有參數(shù)和初始電阻比例系數(shù)有關(guān)。

隨著相對濕度的增大，濕敏元件阻值改變量ΔR_s增大，通過電流計(jì)的電流隨之增大，電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)角度也隨之增大，可直觀地判斷濕度大小。

圖7為本發(fā)明檢測不同濕度時(shí)所得的濕敏元件兩端電壓隨環(huán)境濕度變化的測試結(jié)果圖，此測試結(jié)果是根據(jù)實(shí)施例1中公式(1)～(8)的理論推導(dǎo)，將電流計(jì)偏轉(zhuǎn)角度的變化與所測濕度相對應(yīng)。從圖中可以看出，隨著相對濕度的增加，濕敏元件兩端的電壓隨之減小，而發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出時(shí)輸出的電荷量一定，即流過電路的電流一定，由此可知，濕敏元件的阻值隨環(huán)境濕度的改變而呈線性改變。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出開路電壓，從圖中可以看出發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定，輸出電壓接近200V。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例的操作與實(shí)施例3基本相同，只是將實(shí)例3中鐵氟龍PTFE摩擦層經(jīng)過再生放大鈦寶石飛秒激光器進(jìn)行物理改性形成粗糙表面。所使用飛秒激光器的具體參數(shù)如下：中心波長為800nm，重復(fù)率為1kHz，脈沖寬度為200fs，單脈沖功率為400mW，線間距為50um。

然后將經(jīng)飛秒激光加工后的鐵氟龍PTFE摩擦層分別采用掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察，結(jié)果如下：

如圖9所示為飛秒激光加工后鐵氟龍摩擦層表面膨化結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖，通過圖像可看出，經(jīng)過表面改性后的摩擦材料的表面結(jié)構(gòu)變得更加致密，呈現(xiàn)出明顯的膨化結(jié)構(gòu)。

如圖10所示為飛秒激光加工后鐵氟龍摩擦層表面在原子力顯微鏡下的圖像，通過圖像可看到很明顯的乳突微結(jié)構(gòu)，所述乳突微結(jié)構(gòu)的高度大約為50～70nm。由此可見，通過對鐵氟龍材料進(jìn)行表面改性，增大了其表面粗糙度，能夠增加材料之間的摩擦面積。理論表明，額外的摩擦能夠有效地增大接觸電荷密度，這些乳突結(jié)構(gòu)的存在能夠提高本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的輸出功率，因此，作為優(yōu)選實(shí)施方式，在不破壞摩擦層的前提下，可以通過合適的方法增加其接觸面的粗糙程度，進(jìn)而使得摩擦面積增加以達(dá)到提高本發(fā)明自供能濕度傳感器供電單元的輸出功率。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。