[發(fā)明專利]一種基于壓電-摩擦耦合效應(yīng)的自供能納米傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010578455.7
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111641352B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張滿;夏良平;黨隨虎
• 申請（專利權(quán)）人: 長江師范學(xué)院
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02N1/04;B82Y15/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 鄧治平

1.一種基于壓電-摩擦耦合效應(yīng)的自供能納米傳感器，其特征在于，所述納米傳感器的構(gòu)型從上至下依次為壓電-摩擦結(jié)構(gòu)層、電極層、支撐層、電極層和保護層，所述的壓電-摩擦納米結(jié)構(gòu)層是柔性基底上的納米線結(jié)構(gòu)，通過誘導(dǎo)壓電-摩擦耦合效應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電荷，所述電極層是導(dǎo)電性能較好的金屬或纖維材料，兩層電極層之間形成電勢差，用于傳輸電荷，所述支撐層是支撐整個納米傳感器，并間隔開兩個電極層，防止電荷的泄露，所述保護層是保護納米傳感器不被破壞，所述的結(jié)構(gòu)層、支撐層和保護層都是柔性的聚合物材料；

所述納米線的特征尺寸為50～200納米，縱橫比大于5:1；

所述納米線結(jié)構(gòu)為豎直納米線陣列或雜亂的納米纖維；

納米線結(jié)構(gòu)采用熱壓納米壓印技術(shù)結(jié)合濕法腐蝕工藝，熱固化溫度為90攝氏度，固化時間為2小時，濕法腐蝕工藝利用濃度為80％的氫氧化鈉溶液，腐蝕時間為5小時，整個壓電-摩擦耦合層的厚度為1毫米，電極層的材質(zhì)為氧化銦錫，厚度為200納米，兩層電極層之間的支撐層材質(zhì)為聚對苯二甲酸乙二酯，厚度為200微米，采用熱模壓技術(shù)制作聚碳酸酯支撐層，壓力大小為1大氣壓，溫度為200攝氏度，最后一層的保護層的材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，厚度為2毫米，采用熱模壓工藝，壓力大小為2.026×10⁵帕溫度為300攝氏度；

布滿PDMS上表面的納米線結(jié)構(gòu)具有壓電和摩擦雙重效應(yīng)，在外界按壓、接觸、滑動時，產(chǎn)生壓電電荷和摩擦電荷，產(chǎn)生電信號，將機械能轉(zhuǎn)化為電能；

或者，納米線結(jié)構(gòu)采用納米壓印技術(shù)結(jié)合濕法腐蝕工藝，基于柔性模板的壓印無需提供外部壓力，紫外光波長為365納米，曝光強度為20mW/cm²，固化時間為1分鐘，濕法腐蝕工藝利用濃度為80％的氫氧化鈉溶液，腐蝕時間為10小時，整個壓電-摩擦耦合層的厚度為1毫米，電極層的材質(zhì)為鋁，厚度為100納米，采用電子束蒸發(fā)鍍膜工藝制備鋁膜，時間為30分鐘，兩層電極層之間的支撐層材質(zhì)為聚碳酸酯，厚度為200微米，采用熱模壓技術(shù)制作聚碳酸酯支撐層，最后一層的保護層的材質(zhì)為聚對苯二甲酸乙二酯，厚度為2毫米，采用熱模壓技術(shù)工藝，壓力大小為1.013×10⁵帕，溫度為200攝氏度；布滿巰基-烯材料上表面的納米線結(jié)構(gòu)具有壓電和摩擦雙重效應(yīng)，在外界按壓、接觸、滑動時，產(chǎn)生壓電電荷和摩擦電荷，產(chǎn)生電信號，將機械能轉(zhuǎn)化為電能；

所述納米線結(jié)構(gòu)的制備采用納米壓印技術(shù)、電子束直寫技術(shù)、聚焦離子束直寫技術(shù)、激光直寫技術(shù)、紡絲工藝和濕法腐蝕工藝中的一種或幾種；

所述結(jié)構(gòu)層材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、碳納米管、氟化乙丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和巰基-烯中的一種；

所述電極層材質(zhì)為金、銀、鋁、銅、鎳、氧化銦錫和導(dǎo)電纖維中的一種；

所述電極層的制備采用濺射、旋涂、粘接和蒸發(fā)工藝的一種或幾種；

所述支撐層和保護層的材質(zhì)為尼龍、織物、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和丙烯酸樹脂中的一種；

所述支撐層和保護層的制備采用模壓、粘接和熱涂覆工藝中的一種；

所述保護層的材料根據(jù)應(yīng)用場景的不同進行選擇；

所述基于壓電-摩擦耦合效應(yīng)的自供能納米傳感器中基于壓力-摩擦耦合效應(yīng)的復(fù)合納米發(fā)電機包含兩種電能轉(zhuǎn)化機制，可以將更多的周圍能量轉(zhuǎn)換為電能，因此，具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率、平均能量密度、電信號輸出性能；

所述基于壓電-摩擦耦合效應(yīng)的自供能納米傳感器的結(jié)構(gòu)層采用納米線結(jié)構(gòu)，不僅具有良好的摩擦發(fā)電性能，而且具備優(yōu)良的壓電性能，所述基于壓電-摩擦耦合效應(yīng)的自供能納米傳感器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了單一納米結(jié)構(gòu)具備兩種發(fā)電機理，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了加工的難度；

所述基于壓電-摩擦耦合效應(yīng)的自供能納米傳感器中的納米傳感器主要采用柔性的聚合物材料，綠色環(huán)保，具有良好的生物相容性，可用于植入式和穿戴式的電子設(shè)備中。