[發明專利]一種仿生貝殼式呼吸監測摩擦納米發電機及其制備方法

有效

• 申請號: 201910355319.9
• 申請日: 2019-04-29
• 公開（公告）號: CN110086373B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 太惠玲;王斯;張俊新;楊瑞雨;蔣亞東;袁震;劉勃豪
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;A61B5/08
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 白小明

本發明公開了一種仿生貝殼式呼吸監測摩擦納米發電機及其制備方法，涉及能量收集技術、微電子機械系統及呼吸監測領域，通過將摩擦納米發電機設置為一端粘合固定，另一端可隨氣流擺動的仿生貝殼式結構，能夠使呼吸行為的驅動幅度更大，有利于提高呼吸監測的靈敏度，可充分利用呼吸氣流微能量實現自供能呼吸行為監測，相比于傳統的呼吸監測傳感器，不需要外部供電系統，與此同時，本發明具有結構簡單、輸出信號穩定、攜帶方便、對材料要求低、加工成本低、可大批量生產、易于安裝等諸多優點，在呼吸監測領域具有較大的應用前景。

技術領域

本發明涉及能量收集技術、微電子機械系統及呼吸監測領域，具體涉及一種仿生貝殼式呼吸監測摩擦納米發電機及其制備方法。

背景技術

呼吸作為人體重要的生理過程，是衡量人體生命體征最基本的生理指標之一，由于呼吸診斷具有連續性、非侵入性、舒適性以及人性化等優點，呼吸監測在人類健康管理或早期疾病篩查等許多研究領域已有初步研究。通常，可通過實時監測不同呼吸行為下傳感器輸出電學信號的改變實現對人體生命體征的實時監測。然而，傳統呼吸傳感器對外部電源的供電依賴不僅增大了能源消耗且加劇了電池使用所帶來的環境污染。因此，開發不受外界因素限制且可無限量實時供給的便攜式自供能呼吸監測傳感器技術十分重要。

摩擦納米發電機基于摩擦起電與靜電感應的耦合作用，可廣泛收集環境中各種形式的微能源，如風能、人體運動機械能或海洋能等，并將其轉化為電信號輸出。呼吸氣流本身作為一種微能量，可通過設計合適的發電機結構實現易于呼吸氣流自驅動的自供能呼吸監測傳感器制備，實現無需外部電源的自發自主呼吸行為監測，這類呼吸氣流自驅動的呼吸監測傳感器突破了傳統柔性傳感器局限，為實現柔性可穿戴的無創呼吸監測開創了新途徑，具有廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種仿生貝殼式呼吸監測摩擦納米發電機及其制備方法，解決傳統呼吸傳感器對外部電源的供電依賴大、能耗大，無法實現自供能呼吸行為監測的問題。

本發明采用的技術方案如下：

一種仿生貝殼式呼吸監測摩擦納米發電機，包括摩擦電極序不同的摩擦材料一和摩擦材料二，還包括絕緣層和用于導電的電極層，所述絕緣層的上方或下方同時設有摩擦材料一和摩擦材料二，所述摩擦材料一與摩擦材料二的一端連接，所述摩擦材料一與摩擦材料二之間設有5～20°的夾角，所述夾角的張角方向呼吸出氣口相對，所述摩擦材料一與摩擦材料二的非連接處可分離、接觸及摩擦，所述電極層設于摩擦材料一且遠離摩擦材料二的一面上。

本發明的工作原理：呼氣流由夾角的張角方向進入時，摩擦材料一和摩擦材料二之間的夾角受氣流作用變大，當吸氣時，氣流作用力消失，摩擦材料一和摩擦材料二逐漸靠近至接觸，由于摩擦材料一和摩擦材料二為摩擦電極序不同的材料，得電子能力較強的材料將從得電子能力較弱的材料上吸引電子，從而使得兩個接觸面帶上等量異號的電荷，即摩擦電荷，再次呼氣，在氣流作用下，摩擦材料一和摩擦材料二再次遠離，兩種材料相互分離，兩接觸面之間將會產生電勢差，電極層將產生感應電荷以屏蔽靜電電勢差；當摩擦材料一和摩擦材料二的夾角達到最大，電極層上的感應電荷密度將達到最大；吸氣過程，摩擦材料一和摩擦材料二再次靠近，電子反向流動；因此，在呼吸過程中，摩擦材料一和摩擦材料二將不斷地相互遠離-靠近，通過導線連接電極層，將電信號輸出至靜電計進行數據采集，通過移動終端觀測摩擦納米發電機的輸出波形以實現自供能呼吸行為監測。

進一步地，所述絕緣層的上方同時設有摩擦材料一和摩擦材料二，且所述絕緣層的下方同時也設有摩擦材料一和摩擦材料二，上下兩層所述摩擦材料一且遠離摩擦材料二的一面上分別設置有電極層。

進一步地，所述絕緣層的上表面和下表面均分別設有電極層，位于絕緣層上表面的電極層的上表面上和位于絕緣層下表面的電極層的下表面上分別設置有摩擦材料一，上下層的摩擦材料一的同一端分別的相應與摩擦材料二連接，相連接的所述摩擦材料一與摩擦材料二之間設有5～20°的夾角，上下層所述摩擦材料二的彎曲角度類似貝殼形狀。