[發明專利]摩擦納米發電機、可穿戴傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201710932325.7
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN109639175B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 李從舉;曹冉;胥偉華
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;D04H1/4382;D04H1/728
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

摩擦納米發電機、可穿戴傳感器及其制備方法，其中，摩擦納米發電機包括基底、第一摩擦層和第二摩擦層，其中：基底為納米纖維膜；第一摩擦層為電極材料，印刷于基底表面以形成導電網絡；第二摩擦層為納米纖維膜，設置于第一摩擦層的上方；第一摩擦層和第二摩擦層在外界作用下切換接觸/分離狀態或改變接觸面積。由于基底及第二摩擦層采用納米纖維膜，因此透氣性能好、結構柔軟，相較于現有方案，能很好的滿足可穿戴電子設備的要求；且納米纖維膜表面具有微納米結構，其有利于基底表面電極材料的附著，能夠提高器件的靈敏度，而由于宏觀上相對光滑，因此可實現精細化電極的印刷。

技術領域

本公開屬于傳感器和綠色新能源領域；更具體地涉及一種摩擦納米發電機、可穿戴傳感器及其制備方法。

背景技術

現代科技的發展促使越來越多的可穿戴電子設備走進人們的生活，如智能眼鏡、運動手環、健康監測傳感器等。摩擦納米發電機，不僅可以收集環境中的機械能作為能源使用，還能將機械能轉化為電能的信號，作為傳感器的使用。但是目前得摩擦納米發電機采用的材料大部分都是塑料，在透氣性方面有很大的缺陷，作為可穿戴設備時舒適度較低。此外，目前有一部分采用布料做可編織的摩擦納米發電機，以收集人體機械能，但是由于電極的存在及摩擦材料的選擇，所制備的可穿戴器件在舒適度上仍面臨很大的挑戰。

總的來說，摩擦材料和電極材料的不透氣性極大的限制了目前可穿戴設備上的應用。再者，目前的電極材料大部分為金屬材料如鋁箔、銅箔或氧化銦錫等，其在不斷彎曲的過程中容易產生裂紋發生斷裂，而又由于電極材料在電子設備中有著十分重要的地位，因此現有的電極材料在做柔性電極時有很大的局限性。

印刷電子技術在構筑導電網絡、制備圖案化電極等方面有很大的優勢。但是一般材料的表面印刷電極存在兩個難點，一是印刷基底表面的光滑度低，二是印刷的電極材料與基底材料的附著力弱。而高的加工精度對材料表面的平滑度有很大的要求。此外，雖然基底材料表面的微納米結構有利于提高印刷電極和基底之間的結合力，同時能夠提高傳感器件的靈敏度，但目前大部分印刷材料的基底材料為不透氣的，作為可穿戴產品有很大的局限性，皮膚長時間的與這種不透氣的材料接觸的時候會引發炎癥等疾病。因此，基底材料的透氣性對制備透氣性的電極起著至關重要的作用。

公開內容

基于以上問題，本公開的主要目的在于提出一種摩擦納米發電機、可穿戴傳感器及其制備方法，用于解決以上技術問題的至少之一。

為了實現上述目的，作為本公開的一個方面，提出一種摩擦納米發電機，包括基底、第一摩擦層和第二摩擦層，其中：基底為納米纖維膜；第一摩擦層為電極材料，印刷于基底表面以形成導電網絡；第二摩擦層為納米纖維膜，設置于第一摩擦層的上方；第一摩擦層和第二摩擦層在外界作用下切換接觸/分離狀態或改變接觸面積。

在本公開的一些實施例中，上述納米纖維膜的材質為高分子材料，包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺和/或聚酰胺。

在本公開的一些實施例中，上述納米纖維膜的厚度不大于50μm；該納米纖維膜中纖維的直徑小于600nm。

在本公開的一些實施例中，上述電極材料為導電納米材料，包括金屬納米顆粒、金屬納米線、碳納米管和/或石墨烯；其中，所述金屬納米顆粒與金屬納米線采用的金屬包括金、銀、銅、鋁或鎳。

在本公開的一些實施例中，上述第二摩擦層為拱形結構，其兩端固定于基底表面；在外界作用下，第二摩擦層的弧形部分結構和第一摩擦層接觸/分離。

在本公開的一些實施例中，上述電極材料的厚度為5～30μm，以保證良好的導電性。

為了實現上述目的，本公開還提出一種可穿戴傳感器，包括上述的摩擦納米發電機。