[發明專利]自驅動光學開關及無線傳感系統

有效

• 申請號: 201910083199.1
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN111487802B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 朱光;陳愛華;張臣;其他發明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: G02F1/1334
• 分類號: G02F1/1334;G02F1/133
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明公開了一種自驅動光學開關及無線傳感系統，自驅動光學開關，包括：集成的聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光學器件與柔性摩擦納米發電機，其中，該柔性摩擦納米發電機的輸出電壓加載于該PDLC光學器件上，以調控該PDLC光學器件中液晶分子取向，從而改變該PDLC光學器件的光學性質。該自驅動光學開關將摩擦起電效應和聚合物分散液晶薄膜的電控光散射效應相結合，實現機械?電?光信號的轉換，并且不需要額外的電源進行供能，實現自驅動傳感，在規模化、耐久性、響應速度、價格、安裝等方面都具有較大的優勢。另外，將該光學開關作為傳感節點與可見光信號處理電路進行集成，可以得到光學無線傳感系統，在人機交互領域展現出巨大的應用前景。

技術領域

本公開屬于摩擦發電技術與無線傳感技術領域，涉及一種自驅動光學開關及無線傳感系統。

背景技術

近年來，人機交互界面在無線傳感器、便攜式可穿戴電子、安全與安防系統、工業自動化、以及物聯網等領域展現出了巨大的應用潛力，因此受到了越來越多的關注。而且，隨著各種發電技術的飛躍發展，比如：太陽能光伏、熱電、壓電技術等，自驅動的人機交互系統也成為了研究的焦點。系統無源化的發展，不僅可以有效地減緩系統電池更換的相關問題，還可以顯著地提高系統本身的適用性、操作性和機動性。其中，由于機械能的存在形式多、分布范圍廣、無時間、地點限制等，依賴于轉換機械能為電能的自驅動人機交互系統目前受到了集中的研究。

關于自驅動光學調制系統的研究報道仍然較少。而且，之前報道過的此類系統，它們的實際應用也被其自身的缺陷所限制。比如，目前報道的基于彈性體的光學調制器，因其較高的驅動電壓(～1000V)、慢的響應速率(幾秒)、窄的調光范圍(30％)以及復雜的制備工藝，使其難以被廣泛的采用。

因此，如何改善自驅動光學調制系統的缺陷與不足成為亟待解決的問題。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種自驅動光學開關及無線傳感系統，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種自驅動光學開關，包括：集成的聚合物分散液晶薄膜(PDLC)光學器件與柔性摩擦納米發電機，其中，該柔性摩擦納米發電機的輸出電壓加載于該PDLC光學器件上，以調控該PDLC光學器件中液晶分子取向，從而改變該PDLC光學器件的光學性質。

在本公開的一些實施例中，在沒有外接電源和光學元件的條件下，當有物體與該柔性摩擦納米發電機接觸時，產生的電壓信號調控PDLC光學器件中液晶分子取向，當加載于該PDLC光學器件上的電壓信號超過PDLC光學器件的驅動閾值電壓時，該PDLC光學器件從初始的不透明狀態變為瞬間的透明態，實現自驅動的光學開關。

在本公開的一些實施例中，PDLC光學器件包含固化的PDLC溶液以及上、下透明電極，該PDLC溶液是由一液晶材料與一聚合物材料混溶形成，之后以特定方式將液晶材料中的液晶分子從聚合物材料中析出形成液晶微滴，該聚合物材料為各向同性聚合物，該液晶材料為向列相液晶材料。

在本公開的一些實施例中，PDLC溶液在紫外光照下進行固化，通過改變工藝參數，該工藝參數包括：聚合物材料與液晶材料的質量比、紫外光功率密度和固化時間，來調節該PDLC光學器件的電光效應；和/或，特定方式為以下方式中的一種或幾種：溶劑揮發、熱引發或聚合誘導相分離。

在本公開的一些實施例中，向列相液晶材料為向列相液晶混合物E7；和/或，各向同性聚合物為紫外光固膠NOA65；和/或，液晶微滴的尺寸為納米級。

在本公開的一些實施例中，柔性摩擦納米發電機為單電極式摩擦納米發電機結構，該柔性摩擦納米發電機的電極與該PDLC光學器件的一個電極連接，該PDLC光學器件的另一個電極接地；優選的，在該單電極式摩擦納米發電機結構的摩擦層上設置有納米微結構。