[發明專利]基于ZnO納米線的自供電振動傳感器及其制造方法

有效

• 申請號: 201110207775.2
• 申請日: 2011-07-22
• 公開（公告）號: CN102889925A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 王中林;于愛芳;江鵬
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術領域

本發明涉及一種自供電振動傳感器及其制造方法，尤其涉及一種由錐狀ZnO納米線構成的自供電振動傳感器及其制造方法。

背景技術

在現有技術中，有關振動傳感器的種類很多，這些器件中的核心部分多為基于PZT的壓電陶瓷片或薄膜，而PZT中含有的Pb(鉛)嚴重污染環境。且現有技術中的振動傳感器一般結構都比較復雜，制作精度要求高，體積和重量比較大，并且需要外部電源供電，這些缺點限制了振動傳感器的廣泛應用。

ZnO納米線具有優良的環境友好性，是一種綠色的壓電材料。2007年，美國佐治亞理工的王中林教授通過用AFM的針尖撥動單跟納米線，第一次觀察到了ZnO的發電現象。自此，不同結構，獲取不同能量源的納米發電機相繼產生。對這些發電機的研究，不難發現，產生的電學信號與外界能量源的特征有密切關系，這包括頻率、力的大小、形變量等等。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于ZnO納米線的自供電振動傳感器，以解決現有振動傳感器體積和重量比較大、且需要外部電源供電的問題。

本發明是利用ZnO納米線的壓電特性而構成的。在過去的幾年里，基于ZnO納米線的不同的結構的納米發電機被相繼報道。最初，在用原子力顯微鏡的針尖側向推動ZnO納米線的過程中觀察到了發電現象(Wang?Z?L?and?Song?J?H?2006Science?312?242)，緊接著制備了可以吸收高頻超聲波能量的發電機(Wang?X?D，Song?J?H，Liu?J?and?Wang?Z?L?2007Science?316102)，之后又制備了橫向的柔性發電機(Zhu?G，Yang?R?S，Wang?S?H?and?Wang?Z?L?2010Nano?letter.10?3515)，可以把低頻的能量轉化為電能。這些改進極大地拓寬了納米發電機將自然界浪費和閑置的能量源轉化為電能的能力，同時也為監測這些能量源提供了一個全新的手段。納米發電機能收集周圍環境的振動機械能、聲波和超聲波產生的能量和人體運動、肌肉收縮、血液流動等所產生的能量，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件。納米發電機所產生的電學信號與其所受到的外界作用信號的特征相吻合。因此，可以通過直接測量和分析納米發電機產生的電學信號就可獲得機械振動，聲波等外界作用的特征。

由此，本發明提供一種自供電振動傳感器，包括：

懸臂梁；

懸臂梁上的自供電振動傳感器元件，包括：

上電極和下電極；

上電極和下電極之間的介電層；

多條具有壓電效應的納米結構，位于介電層中，所述納米結構與上電極和下電極絕緣，并與上電極或下電極大致平行。

根據本發明提供的自供電振動傳感器，其中所述納米結構為ZnO納米線。

根據本發明提供的自供電振動傳感器，其中懸臂梁由與下電極相同的材料與下電極一體形成，從而懸臂梁兼做下電極，由此可簡化結構。

根據本發明提供的自供電振動傳感器，其中所述介電層包括多個子介電層，每一子介電層中均包括多條錐狀的ZnO納米線。

根據本發明提供的自供電振動傳感器，其中懸臂梁上具有多個自供電振動傳感器元件，各自供電振動傳感器元件相互串聯、并聯或串并聯。

根據本發明提供的自供電振動傳感器，其中自供電振動傳感器元件設置在靠近懸臂梁固定端的一側或設置在懸臂梁的中部。

根據本發明提供的自供電振動傳感器，其中懸臂梁上設置有質量塊，以增加振動的振幅。

本發明還提供一種自供電振動傳感器裝置，包括：

殼體；

自供電振動傳感器，固定在殼體的內表面上。

根據本發明提供的自供電振動傳感器裝置，其包括多個自供電振動傳感器，多個自供電振動傳感器的固有振動頻率相同或不同。

根據本發明提供的自供電振動傳感器裝置，多個自供電振動傳感器位于殼體的同一內表面上，或位于殼體的不同的內表面上。

本發明還提供一種制備自供電振動傳感器的方法，包括：

1)在下電極上沉積一介電材料層；

2)在介電材料層上滴加含有均勻分散的多條錐狀ZnO納米線的乙醇溶液；

3)再沉積一介電材料層；

4)形成上電極；

5)將步驟1-4形成的結構固定到懸臂梁上。

根據本發明提供的制備自供電振動傳感器的方法，其中懸臂梁由與下電極由相同的材料與下電極一體形成，在懸臂梁上直接進行步驟1。