[發(fā)明專利]一種基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)的超聲和聲波探測儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310006277.0
• 申請日: 2013-01-08
• 公開（公告）號: CN103780121A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王中林;張虎林;楊亞
• 申請（專利權(quán)）人: 國家納米科學(xué)中心
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;G01H11/06
• 代理公司: 北京潤平知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11283
• 代理人: 肖冰濱;南毅寧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動超聲和聲波探測儀。

背景技術(shù)

到目前為止，超聲波是唯一能在深海作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰啃问剑壳皩?shí)用的探測水下目標(biāo)的技術(shù)只有聲納技術(shù)。接收換能器是聲納中的核心器件，它是把水下超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。根據(jù)換能原理的不同，換能器有壓電式和電容式兩種。壓電式接收換能器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器、測量電路和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。缺點(diǎn)是很多壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷，而電荷放大器和高輸入阻抗電路等都需要外接電源來驅(qū)動。電容式接收換能器，一般采用兩塊具有彈性的金屬膜或鍍金屬的膜作為電容器的兩極，當(dāng)彈性膜感受壓力而變形時，兩極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與壓力成一定關(guān)系的電信號。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等，并且使用之前必須給電容充電。

現(xiàn)有的兩種水下超聲探測儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且只能探測來自某一方向的超聲波，無法探測來自四面八方的超聲波信號，最重要的是都需要外接電源對其進(jìn)行供電或者充電。由于探測器需要在水下長期工作，而對其進(jìn)行供電或者充電等操作極大地限制了其使用范圍，降低了其使用效率。雖然現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了一些利用壓電和摩擦電性能進(jìn)行驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，但是這些發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不適合對低強(qiáng)度的聲波和高頻率的超聲波進(jìn)行高效的探測，因此目前還沒有任何一種自驅(qū)動的聲波或超聲波探測器被發(fā)明出來，這大大影響了自驅(qū)動發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種無需外部電源的新型超聲探測儀，該探測器可以探測各個方向上的超聲波信號。為此，本發(fā)明提供一種新型摩擦電納米發(fā)電機(jī)和包含該發(fā)電機(jī)的有源（自驅(qū)動）超聲和聲波探測儀。

其中，本發(fā)明提供的摩擦電納米發(fā)電機(jī)包括導(dǎo)電內(nèi)芯和圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面形成閉合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由內(nèi)向外依次包括聚合物層、電極層和絕緣防腐層，所述聚合物層的厚度處于納米尺度，且其內(nèi)側(cè)與導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面部分不接觸或完全不接觸，所述聚合物層和導(dǎo)電內(nèi)芯分別由具有不同摩擦電性質(zhì)的物質(zhì)組成，從而使聚合物層在與導(dǎo)電內(nèi)芯接觸的過程中聚合物層得到電子，而導(dǎo)電內(nèi)芯失去電子；

優(yōu)選地，所述聚合物層內(nèi)側(cè)與所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面不接觸部分的間距保持在8mm至10μm；

優(yōu)選地，所述聚合物層由容易得到電子的高分子聚合物材料構(gòu)成，可以選自聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈和聚雙苯酚碳酸酯；

優(yōu)選地，所述聚合物層面向所述導(dǎo)電內(nèi)芯的表面上有納米結(jié)構(gòu)；優(yōu)選包括納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花；更優(yōu)選包括由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列；

優(yōu)選地，所述電極層由導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，優(yōu)選金屬薄膜或銦錫氧化物薄膜，更優(yōu)選金屬薄膜，例如鋁膜、金膜、銅膜；

優(yōu)選地，所述電極層通過將金屬沉積在所述聚合物層表面而形成；

優(yōu)選地，所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射或蒸鍍；

優(yōu)選地，所述絕緣防腐層還具有防水功能，優(yōu)選為三氧化二鋁層；

優(yōu)選地，所述絕緣防腐層通過在電極層表面沉積絕緣防腐材料而形成；

優(yōu)選地，所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射；

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有能夠?qū)щ姷耐鈧?cè)面，該外側(cè)面材料為金屬、或銦錫氧化物ITO導(dǎo)電膜，所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有上下平行的兩個端面和連接兩個端面的封閉式外側(cè)面，優(yōu)選兩個端面與外側(cè)面的橫截面積相等，更優(yōu)選外側(cè)面的縱軸與兩個端面垂直，尤其是呈柱體、特別是圓柱體；

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯可以為玻碳棒；

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外表面上有納米結(jié)構(gòu)，優(yōu)選包括納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花，更優(yōu)選包括由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列；

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面與聚合物層內(nèi)表面之間不接觸部分的間距為5mm至50μm，優(yōu)選1mm至100μm，更優(yōu)選800μm至100μm；

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯和所述電極層通過導(dǎo)線連到電壓表上；