基于摩擦发电的压力传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于摩擦发电的压力传感器，该压力传感器包括承压部件（1）和底座（2），承压部件（1）和底座（2）之间设置有摩擦发电部件（3），摩擦发电部件（3）与外电路相连，当压力作用于承压部件（1）并使承压部件（1）和底座（2）之间的距离改变时，摩擦发电部件（3）能够在外电路中产生用于显示压力变化的电量。本实用新型的一种基于摩擦发电的压力传感器精度高、测量范围广、结构简单、抗干扰性能好。
【专利说明】基于摩擦发电的压力传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及传感器【技术领域】，具体的说，涉及一种基于摩擦发电的压力传感器，该压力传感器可以很方便的应用在各种工业自控环境中。
【背景技术】
[0002]压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
[0003]目前常用的压力传感器主要为电容式压力传感器和电阻应变式压力传感器。常见的电容式压力传感器主要是静电容量型，例如将玻璃的固定极和硅的可动极相对设置而形成电容，并将通过外力(压力)使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。但是，这种压力传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象，严重时甚至无法工作、输出特性非线性、寄生电容影响大的缺点。而电阻应变式压力传感器是利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理进行工作，它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。
[0004]众所周知，采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米系统中起关键作用。并且，由于其环保、节能、自驱动性质，受到了广泛关注。随着王中林教授研究组研发的压电摩擦发电部件首次将机械能转换为电能以来，以压电和摩擦电为基础的不同结构和材料的摩擦发电部件相继问世。目前，将摩擦发电部件应用于压力传感器的报道还没有出现。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种精度高、测量范围广、结构简单、抗干扰性能好的基于摩擦发电的压力传感器。
[0006]为实现上述目的，本实用新型的一种基于摩擦发电的压力传感器的具体技术方案为:
[0007]—种基于摩擦发电的压力传感器，包括承压部件和底座，其中，承压部件和底座之间设置有摩擦发电部件，摩擦发电部件与外电路相连，当压力作用于承压部件并使承压部件和底座之间的距离改变时，摩擦发电部件能够在外电路中产生用于显示压力变化的电量。
[0008]进一步，摩擦发电部件包括第一发电部和第二发电部，第一发电部和第二发电部相互接触并形成摩擦面，当承压部件和底座之间的距离改变时，该接触形成的摩擦面的面积能够改变，进而产生显示压力变化的电量。
[0009]一种压力检测装置，包括基于摩擦发电的压力传感器和外电路，外电路包括:电容器，与摩擦发电部件相连，用于收集摩擦发电部件产生的电量；模数转换器，用于将电容器中的模拟电压值转换为数字电压值；单片机，与显示屏和输出接口相连，用于接收模数转换器输出的电压值，并通过输出接口输出，以及控制显示屏进行显示。
[0010]本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器利用摩擦发电的原理，通过载荷的变化，将载荷的重量变化转换为摩擦发电部件的接触面积变化，利用摩擦接触面积与输出电压的线性关系，可以直观的表征出载荷的重量。克服了传统压力电容器的易受静电、电磁场干扰的缺点，并且具有精度高，测量范围广，使用环境广泛的优点。并且基于摩擦发电的压力传感器具有自供电的特性，从而制备的压力传感器无需外部电源即可正常工作。
[0011]另外，本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器中的摩擦发电机具有制作工艺简单、成本低、易于大规模工业化生产的特点，故使其整体也具有制作工艺简单、成本低、易于大规模工业化生产的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的第一实施例的立体结构图；
[0013]图2为图1中的基于摩擦发电的压力传感器的剖视图；
[0014]图3为图2中的摩擦发电部件的替代实施例的结构示意图；
[0015]图4为图1中的承压部件的替代实施例的结构示意图；
[0016]图5为图1中的承压部件的另一替代实施例的结构示意图；
[0017]图6为本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的第二实施例的内部结构图；
[0018]图7为图6中的基于摩擦发电的压力传感器的剖视图；
[0019]图8为图7中的基于摩擦发电的压力传感器沿A-A向的剖视图；
[0020]图9为图6中的基于摩擦发电的压力传感器中的摩擦发电部件的结构放大图；
[0021]图10为本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的第三实施例的内部结构图；
[0022]图11为图10中的基于摩擦发电的压力传感器的剖视图；
[0023]图12为图11中的基于摩擦发电的压力传感器沿A-A向的剖视图；
[0024]图13为图10中的基于摩擦发电的压力传感器中的摩擦发电部件的结构放大图；
[0025]图14为本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的电路结构示意图；
[0026]图15为本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的测试线条图。
【具体实施方式】
[0027]为了更好的了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型的一种基于摩擦发电的压力传感器做进一步详细的描述。
[0028]如图1和图2所示，其描述了本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的第一实施例。其中，本实施例的压力传感器包括正对设置的承压部件I和底座2，承压部件I和底座2之间通过多根导向杆5相连，且导向杆5上套设有弹性部件4，具体来说，弹性部件4为套设在承压部件I和底座2之间的导向杆5上的弹簧，由此，当对承压部件I施加外力时，承压部件I可相对底座2移动，从而改变承压部件I与底座2之间的距离。应注意的是，本实施例中的承压部件I和底座2的材料可为但不仅限于铝合金、合金钢、304不锈钢、316不锈钢。
[0029]进一步，承压部件I和底座2之间还设置有摩擦发电部件3，摩擦发电部件3包括第一发电部31和第二发电部32，第一发电部31和第二发电部32相互接触并形成摩擦面，该接触形成的摩擦面的面积可以改变。具体为，本实施例中摩擦发电部件3的第一发电部31平铺在底座2上，第二发电部32的一端与第一发电部31固定连接，另一端则可活动地连接在承压部件I的底面上，使得第二发电部32整体呈现弧形状态。由此，当承压部件I与底座2之间的距离改变时，第一发电部31和第二发电部32的接触面积会相应的发生变化。当然，本实施例中也可以将摩擦发电部件3颠倒设置，也即，将摩擦发电部件3的第一发电部31平铺设置在承压部件I的底面上，而将第二发电部32的一端固定于第一发电部31上，另一端则可活动地连接在底座2上。
[0030]应注意的是，本实施例中第二发电部32的一端与承压部件I底面的活动连接具体是指滑动连接，也即，当承压部件I不受载荷压力时，承压部件I相对底座2静止，第二发电部32的滑动连接端与承压部件I的底面也是相对静止地接触；而当承压部件I受到载荷压力时，承压部件I会朝向底座2移动，同时第二发电部32的滑动连接端也会沿着承压部件I的底面滑动，直至第二发电部32与第一发电部31达到平行状态。
[0031 ] 由此，当压力作用于承压部件I时，第二发电部32的滑动连接端会沿着承压部件I的底面滑动，从而使第一发电部31和第二发电部32的接触面积发生变化，也即形成了更大的摩擦面。而当本实施例中的第一发电部31和第二发电部32相互接触形成摩擦面时，第一发电部31和第二发电部32上会产生静电荷,进而在第一发电部31和第二发电部32之间产生电势差，并最终在与摩擦发电部件3连接的外电路中产生电流，该电压和/或电流可用于检测施加到压力传感器上(具体为承压部件I)的外力。由于本实用新型中电流、电压都可以用于检测施加到压力传感器上(具体为承压部件I)的外力，故本实用新型中的电量指代电流和电压。
[0032]具体参照图2，本实施例中的第一发电部31包括依次层叠设置的第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312，第二发电部32包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层321、第二电极层322和第二基层323。其中，第一发电部31中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32中的第二高分子聚合物绝缘层321相接触，且第一高分子聚合物绝缘层312和/或第二高分子聚合物绝缘层321上具有微纳结构(图中未示)，优选的是，第一高分子聚合物绝缘层312和第二高分子聚合物绝缘层321表面上设置的微纳结构为凸起50nm-300nm的纳米凹凸结构。应注意的是，第一发电部31中也可如第二发电部32 —样设置有基层，其材料可以为软质PVC，发泡聚氨酯、热塑性弹性体(TPE)硅橡胶，氟橡胶、PDMS等交联聚合物。
[0033]由此，当压力作用于本实施例的压力传感器的承压部件I时，第二发电部32在承压部件I的底面上滑动，从而第二高分子聚合物绝缘层321和第一高分子聚合物绝缘层312之间形成摩擦面，摩擦面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层311和第二电极层322之间的电荷分布发生改变，从而导致第一电极层311和第二电极层322之间出现电势差。由于该电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侦牝从而在外电路中形成电流。并且随着压力的增加，第二高分子聚合物绝缘层321和第一高分子聚合物绝缘层312之间的摩擦面积增加，摩擦产生的静电荷增加，从而使得电路中的电量增加。
[0034]应注意的是，本实施例中，第一电极层311和第二电极层322为压力传感器的电压和电流输出电极，用于与外电路相连。通常具有导电性的材料均可用作第一电极层311和第二电极层322，例如:铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钮、招、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或fL ;合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0035]此外，第二发电部32中的第二基层323为弹性部件，可以为第二发电部32提供弹性支撑，从而使第二发电部32可呈现弧形状态，优选的是，第二基层323的材料可为但不仅限于碳素钢、低锰钢、不锈钢等合金材料。
[0036]而本实施例中的第一高分子聚合物绝缘层312和第二高分子聚合物绝缘层321则可以分别选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。
[0037]当然，本实用新型中的摩擦发电部件3的具体结构也可采用其他形式。参见图3，其示出了本实用新型中的摩擦发电部件3的另一实施例。其中，本实施例中摩擦发电部件3的第一发电部31包括依次层叠设置的第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312，而第二发电部32仅包括依次层叠设置的第二电极层322和第二基层323。本实施例中也可以将摩擦发电部件3颠倒设置，也即，将摩擦发电部件3的第一发电部31平铺设置在承压部件I的底面上，而将第二发电部32的一端固定于第一发电部31上，另一端则可活动地连接在底座2上。
[0038]进一步，第一发电部31中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32中的第二电极层322相接触，且第一高分子聚合物绝缘层312和/或第二电极层322上具有微纳结构(图中未示)，优选的是，第一高分子聚合物绝缘层312和第二电极层322表面上设置的微纳结构为凸起50nm-300nm的纳米凹凸结构。应注意的是，本实施例的第一发电部31中也可如第二发电部32 —样设置有基层，其材料可以为软质PVC，发泡聚氨酯、热塑性弹性体(TPE)硅橡胶，氟橡胶、PDMS等交联聚合物。
[0039]本实施例中第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312的材料选择范围可与上面的实施例中的材料相同。而第二电极322所用材料可以是金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钮、招、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或fL ;合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0040]根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，而且采用金属电极与高分子聚合物摩擦也能提高能量输出。因此，本实施例中的摩擦发电部件3是通过第一发电部31中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32中的第二电极层322相互接触摩擦产生电量的。
[0041]当然，应注意的是，本实施例中的摩擦发电部件3也可设置成第一发电部31仅包括第一电极层311，而第二发电部32包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层321、第二电极层322和第二基层323，第一发电部31中的第一电极层311与第二发电部32中的第二高分子聚合物绝缘层321相互接触。此种设置方式、材料的选择范围如上述结构类似，因此不再详细描述。
[0042]进一步，参见图4，其示出了图1中的承压部件的替代实施例。本实施例中，承压部件I上设置有承压面13，承压面13为平板状结构，可有效增大压力传感器的受压面积。具体来说，承压面13通过支撑件14设置在承压部件I上，本实施例中，支撑件14为两根，且分别设置在承压面13的两端。应注意的是，本实施例中的支撑件14的数量可以根据实际需要灵活设定，并不局限于附图中所显示的数量。
[0043]由此，当压力作用于承压部件I上的承压面13时,承压面13和承压部件I 一起朝向底座2移动，使摩擦发电部件3中的第一发电部31和第二发电部32的接触面积发生变化，从而在外电路中产生用于显示压力变化的电量。
[0044]当然，应注意的是，也可将本实施例中的压力传感器倒置使用，也即，底座2起到承压的作用，而承压部件I起到底座的作用，负载压力作用于底座2时,底座2带动弹性部件4压缩，使得摩擦发电部件3摩擦起电，从而实现压力传感器的作用。
[0045]进一步，参见图5，其示出了图1中的承压部件的另一替代实施例。本实施例中，承压部件I上也设置有平板状的承压面13，承压面13通过支撑件14设置在承压部件I上，而本实施例中支撑件14为三根，均匀分布在承压面13与承压部件I之间。应注意的是，本实施例中的支撑件14的数量也可灵活设置，如一根、两根或多根等，并不局限于附图中显示的数量。
[0046]由此，与图4中所示的相同，当压力作用于承压部件I上的承压面13时，承压面13和承压部件I 一起朝向底座2移动，使摩擦发电部件3中的第一发电部31和第二发电部32的接触面积发生变化，从而在外电路中产生用于显示压力变化的电量。此外，本实施例中的压力传感器也可倒置使用，具体方式可参见上面的描述。
[0047]如图6至图9所示，其描述了本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的第二实施例。其中，本实施例中的压力传感器包括承压部件I和底座2，承压部件I为T字型结构，包括水平部分11和竖直部分12 ;而底座2上则设置有壁板6，壁板6中间形成有容置承压部件I的竖直部分12的空腔61。本实施例中承压部件I的竖直部分12可在壁板6形成的空腔61中纵向移动，从而改变承压部件I与底座2之间的距离。应注意的是，本实施例中的承压部件1、底座2和壁板6的材料为但不仅限于铝合金、合金钢、304不锈钢、316不锈钢；而壁板6的材料优选为304不锈钢板。
[0048]具体来说，承压部件I的竖直部分12上设置有第一轨道121，壁板6上设置有第二轨道62，第一轨道121和第二轨道62滑动配合，由此使得承压部件I的竖直部分12可在壁板6形成的空腔61内纵向滑动，应注意的是，虽然附图8中显示本实施例中的第一轨道121和第二轨道62均呈“工”字型，但本实用新型中的第一轨道121和第二轨道62的具体形状并不受上述形状的限制，任何能够实现滑动配合的轨道结构均可应用在本实用新型中。而且，优选的是，本实施例中的第一轨道121和第二轨道62的材料为但不仅限于高碳铬轴承钢。
[0049]此外，承压部件I的水平部分11上还纵向设置有多根导向杆5，也即，导向杆5与承压部件I的竖直部分12平行设置，且在底座2上的壁板6中形成有容置导向杆5的导向孔63,承压部件I上的导向杆5可在壁板6上的导向孔63中纵向移动。而且参见图6和图7可知，本实施例中的导向杆5上套设有弹性部件4，具体来说，弹性部件4为位于承压部件I的水平部分11和壁板6之间的导向杆5上的弹簧。本实施例中，弹性部件4位于承压部件I的水平部分11的底面与壁板6的顶面之间，也即，弹性部件4的直径大于壁板6上的导向孔63的直径,而导向杆5的直径则小于导向孔63的直径，由此使得导向杆5可在导向孔63中纵向滑动，同时弹性部件4支撑在承压部件I的水平部分11的底面与壁板6上的导向孔63的上边沿处。但应注意的是，本实用新型中的弹性部件4的设置并不限定于此，也可直接设置在导向孔63中，并位于导向孔63的底部和承压部件I的水平部分11的底面之间。
[0050]进一步，如图6和图7所示，本实施例中承压部件I的竖直部分12与壁板6形成的空腔61的侧壁之间设置有摩擦发电部件3，摩擦发电部件3包括第一发电部31和第二发电部32，第一发电部31和第二发电部32相互接触并形成摩擦面，该接触形成的摩擦面的面积可以改变。具体为，本实施例中摩擦发电部件3的第一发电部31平铺在壁板6形成的空腔61的内侧壁上，而第二发电部32的整体呈现弧形状态，其一端与第一发电部31固定连接，另一端则活动地置放在壁板6形成的空腔61中，使得第一发电部31和第二发电部32之间具有一定的角度。由此，当承压部件I的竖直部分12在壁板6形成的空腔61中纵向移动时，第一发电部31和第二发电部32的接触面积会相应的发生变化。
[0051]也就是说，当压力作用于承压部件I时，承压部件I的竖直部分12会沿着壁板6形成的空腔61朝向底座2纵向移动，而由于第二发电部32的整体呈现弧形状态，且一端与第一发电部31固定连接，另一端活动地置放在壁板6形成的空腔61中，所以当承压部件I的竖直部分12在壁板6形成的空腔61中移动时,会逐渐挤压第二发电部32与第一发电部31固定连接的一端，使第二发电部32逐渐平直，并与第一发电部31的接触面积逐渐增大，也即在第一发电部31和第二发电部32之间形成了更大的摩擦面。而当本实施例中的第一发电部31和第二发电部32相互接触形成摩擦面时，第一发电部31和第二发电部32上会产生静电荷，进而在第一发电部31和第二发电部32之间产生电势差，并最终在与摩擦发电部件3连接的外电路中产生电流，该电量可用于检测施加到压力传感器上(具体为承压部件I)的外力。
[0052]具体参见图9，本实施例中的第一发电部31包括依次层叠设置的第一基层313、第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312，第二发电部32包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层321、第二电极层322和第二基层323。其中，第一发电部31的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32的第二高分子聚合物绝缘层321相接触，且第一高分子聚合物绝缘层312和/或第二高分子聚合物绝缘层321上具有微纳结构(图中未示)，优选的是，第一高分子聚合物绝缘层312和第二高分子聚合物绝缘层321表面上设置的微纳结构为凸起50nm-300nm的纳米凹凸结构。应注意的是，本实施例的第一发电部31中也可不设置第一基层313，而仅包括第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312。
[0053]由此，当压力作用于本实施例的压力传感器的承压部件I时，弹性部件4被压缩，从而承压部件I的竖直部分12发生纵向位移，承压部件I的竖直部分12竖直向下挤压摩擦发电部件3的第二发电部32的固定端，使得第一发电部31中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32中的第二高分子聚合物绝缘层321的接触面积逐渐增大，从而第二高分子聚合物绝缘层321和第一高分子聚合物绝缘层312之间形成摩擦面，摩擦面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层311和第二电极层322之间的电荷分布发生改变，从而导致第一电极层311和第二电极层322之间出现电势差。由于该电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。并且随着压力的增加，第二高分子聚合物绝缘层321和第一高分子聚合物绝缘层312之间的摩擦面积增加，摩擦产生的静电荷增加，从而使得电路中的电量增加。
[0054]应注意的是，本实施例中，第一电极层311和第二电极层322为压力传感器的电压和电流输出电极，用于与外电路相连。通常具有导电性的材料层均可用作第一电极层311和第二电极层322，例如:铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钮、招、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或fL ;合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0055]此外，第一发电部31中的第一基层313和第二发电部32中的第二基层323为弹性部件，可以为第一发电部31和第二发电部32提供弹性支撑，从而使第二发电部32可呈现弧形状态，优选的是，第一基层313和第二基层323的材料可为但不仅限于碳素钢、低锰钢、不锈钢等合金材料。
[0056]而本实施例中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二高分子聚合物绝缘层321可以分别选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。
[0057]当然，应注意的是，第一实施例中描述的摩擦发电部件3的另一实施方式也可应用在本实施例的压力传感器中。也即，本实施例的摩擦发电部件3中的第一发电部31包括依次层叠设置的第一基层313、第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312,第二发电部32包括依次层叠设置的第二电极层322和第二基层323，第一发电部31的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32的第二电极层322相接触。或者，第一发电部31包括依次层叠设置的第一基层313、第一电极层311，第二发电部32包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层321、第二电极层322和第二基层323，第一发电部31的第一电极层311与第二发电部32的第二电极层322相接触。上述摩擦发电部件3的设置方式、材料选择范围与前面描述的第一实施例中相似，在此不再详细说明。
[0058]如图10至图13所示，其描述了本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的第三实施例。本实施例中的压力传感器与上述第二实施例中的压力传感器的结构近似，都包括承压部件I和底座2，承压部件I为T字型结构，包括水平部分11和竖直部分12 ;而底座2上则设置有壁板6，壁板6中间形成有容置承压部件I的竖直部分12的空腔61，承压部件I的竖直部分12可在壁板6形成的空腔61中纵向移动，从而改变承压部件I与底座2之间的距离。[0059]另外，承压部件I的竖直部分12上设置有第一轨道121，壁板6上设置有第二轨道62，第一轨道121和第二轨道62滑动配合，由此使得承压部件I的竖直部分12可在壁板6形成的空腔61内纵向滑动。而且承压部件I的水平部分11上还纵向设置有多根导向杆5，也即，导向杆5与承压部件I的竖直部分12平行设置，且在底座2上的壁板6中形成有容置导向杆5的导向孔63,承压部件I上的导向杆5可在壁板6上的导向孔63中纵向移动。进一步，本实施例中的导向杆5上套设有弹性部件4，具体为弹性部件4为位于承压部件I的水平部分11和壁板6之间的导向杆5上的弹簧。本实施例中，弹性部件4是位于承压部件I的水平部分11的底面与壁板6的顶面之间，也即，弹性部件4的直径大于壁板6上的导向孔63的直径,而导向杆5的直径则小于导向孔63的直径，由此使得导向杆5可在导向孔63中纵向滑动，同时弹性部件4支撑在承压部件I的水平部分11的底面与壁板6上的导向孔63的上边沿处。但应注意的是，本实用新型中的弹性部件4的设置并不限定于此，也可直接设置在导向孔63中，并位于导向孔63的底部和承压部件I的水平部分11的底面之间。
[0060]进一步，如图10和图11所示，本实施例中承压部件I的竖直部分12与壁板6形成的空腔61的侧壁之间设置有摩擦发电部件3，摩擦发电部件3包括第一发电部31和第二发电部32，第一发电部31和第二发电部32相互接触并形成摩擦面，该接触形成的摩擦面的面积可以改变。
[0061]应注意的是，与第二实施例中描述的压力传感器不同的是，本实施例的压力传感器中对称设置有两个摩擦发电部件3。具体来说，本实施例中的承压部件I的竖直部分12的两边侧面与壁板6形成的空腔61内侧壁之间分别设置有一个摩擦发电部件3，也即，壁板6形成的空腔61的两相对内侧壁上分别铺设有摩擦发电部件3的第一发电部31，而整体呈现弧形状态的第二发电部32则分别对应各自的第一发电部31,—端与第一发电部31固定连接，另一端活动地置放在壁板6形成的空腔61中，使得第一发电部31和第二发电部32之间具有一定的角度。由此，当承压部件I的竖直部分12在壁板6形成的空腔61中纵向移动时，壁板6形成的空腔61中相对设置的两个摩擦发电部件3中的第一发电部31和第二发电部32的接触面积都会相应的发生变化。
[0062]参见图13，与第二实施例中相同，本实施例中的第一发电部31包括依次层叠设置的第一基层313、第一电极层311和第一高分子聚合物绝缘层312,第二发电部32包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层321、第二电极层322和第二基层323。其中，第一发电部31的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32的第二高分子聚合物绝缘层321相接触，且第一高分子聚合物绝缘层312和/或第二高分子聚合物绝缘层321上具有微纳结构(图中未示)，优选的是，第一高分子聚合物绝缘层312和第二高分子聚合物绝缘层321表面上设置的微纳结构为凸起50nm-300nm的纳米凹凸结构。
[0063]由此，当压力作用于本实施例的压力传感器的承压部件I时，弹性部件4被压缩，承压部件I的竖直部分12发生纵向位移，承压部件I的竖直部分12竖直向下挤压相对设置的两个摩擦发电部件3的第二发电部32中的第二高分子绝缘层321的固定端，使得空腔61两侧的第一发电部31中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二发电部32中的第二高分子聚合物绝缘层321的接触面积都逐渐增大，从而第二高分子聚合物绝缘层321和第一高分子聚合物绝缘层312之间形成摩擦面，摩擦面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层311和第二电极层322之间的电荷分布发生改变,从而导致第一电极层311和第二电极层322之间出现电势差。由于该电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。并且随着压力的增加，第二高分子聚合物绝缘层321和第一高分子聚合物绝缘层312之间的摩擦面积增加，摩擦产生的静电荷增加，从而使得电路中的电流增加，电压也相应的增加。通过上述描述可知，与第二实施例对比，本实施例中的压力传感器设有两个摩擦发电部件3，使得摩擦面积扩大一倍，灵敏度也是第二实施例的两倍。
[0064]应注意的是，本实施例中，第一电极层311和第二电极层322为压力传感器的电压和电流输出电极，用于与外电路相连。通常具有导电性的材料层均可用作第一电极层311和第二电极层322，例如:铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属是金、银、钼、钮、招、镍、铜、钛、铬、硒、铁、猛、钥、鹤或fL ;合金是招合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、猛合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、秘合金、铟合金、镓合金、鹤合金、钥合金、银合金或钽合金。
[0065]此外，第一发电部31中的第一基层313和第二发电部32中的第二基层323为弹性部件，可以为第一发电部31和第二发电部32提供弹性支撑，从而使第二发电部32可呈现弧形状态，优选的是，第一基层313材料可为但不仅限于软质PVC，发泡聚氨酯、热塑性弹性体(TPE)硅橡胶，氟橡胶、PDMS等交联聚合物；而第二基层323的材料可为但不仅限于碳素钢、低锰钢、不锈钢等合金材料。
[0066]而本实施例中的第一高分子聚合物绝缘层312与第二高分子聚合物绝缘层321可以分别选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。
[0067]当然，应该理解的是，本实用新型的第一实施例和第二实施例中描述的摩擦发电部件3的具体结构同样适用于本实施例中。也即，例如摩擦发电部件3的第一发电部31中基层的设置、第一发电部31和第二发电部32具体接触面的设置方式、材料选择范围等同样适用于本实施例中。
[0068]如图14所示，其示出了本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的电路结构示意图。本实用新型的外电路包括顺次连接的电容器71、模数转换器(A/D转换器)72和单片机73，其中，电容器71与压力传感器内部的摩擦发电部件3相连，用于收集摩擦发电部件3产生的电量，具体来说，电容器71是与摩擦发电部件3中的第一电极层311和第二电极层322相连。
[0069]进一步，模数转换器72与电容器71的输出端相连接,用于将电容器71中的模拟电压值转换为数字电压值；而模数转换器72的输出端则连接有单片机73，本实施例中单片机73分别与显示屏74和输出接口 75相连，用于接收模数转换器72输出的电压值，并将其通过输出接口 75输出给外部设备，以及控制显示屏74进行显示。[0070]应注意的是，本实施例中的电容器71可为但不仅限于聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯等高聚物电容；单片机73可为但不仅限于MSP430，AVR, PIC, ARM7, Cortex MO，Cortex M3，MSC51等；输出接口 75的电路可以选用不同电压档位的接口电路(O~5V、0~10V、-5~+5V)、不同电流档位的接口电路(O~10mA、4~20mA)、数字信号接口(I2C、SP1、UART, USB)、无线接口(WIF1、Bluetooth、RF、Zigbee)，但不仅限于此。
[0071]本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器利用摩擦发电的原理，通过载荷的变化，将载荷的重量变化转换为摩擦发电部件的接触面积变化，利用摩擦接触面积与输出电压的线性关系，可以直观的表征出载荷的重量。克服了传统压力电容器的易受静电、电磁场干扰的缺点，并且具有精度高，测量范围广，使用环境广泛的优点。
[0072]下表中是根据本实用新型的基于摩擦发电的压力传感器的测试数据:
[0073]
【权利要求】
1.一种基于摩擦发电的压力传感器，包括承压部件(I)和底座(2)，其特征在于，承压部件(I)和底座(2)之间设置有摩擦发电部件(3)，摩擦发电部件(3)与外电路相连，当压力作用于承压部件(I)并使承压部件(I)和底座(2)之间的距离改变时，摩擦发电部件(3)能够在外电路中产生用于显示压力变化的电量。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，摩擦发电部件(3)包括第一发电部(31)和第二发电部(32)，第一发电部(31)和第二发电部(32)相互接触并形成摩擦面，当承压部件(I)和底座(2)之间的距离改变时，该接触形成的摩擦面的面积能够改变，进而产生显示压力变化的电量。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，承压部件(I)和底座(2 )正对设置，摩擦发电部件(3 )的第一发电部(31)平铺在底座(2 )上，第二发电部(32 )的一端与第一发电部(31)固定连接，另一端活动连接在承压部件(I)的底面上，当承压部件(I)与底座(2)之间的距离改变时，第一发电部(31)和第二发电部(32)的接触面积发生变化。
4.根据权利要求3所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，承压部件(I)和底座(2)之间通过多根导向杆(5)相连，导向杆(5)上套设有弹性部件(4)。
5.根据权利要求3或4所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，承压部件(I)上设置有平板状的承压面(13)，承压面(13)与承压部件(I)之间设置有多根支撑件(14)。
6.根据权利要求2所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，承压部件(I)为T字型结构，包括水平部分(11)和竖直部分(12 )，底座(2 )上设置有壁板(6 )，壁板(6 )中间形成有容置承压部件(I)的竖直部分(12)的空腔(61 )，承压部件(I)的竖直部分(12)与壁板(6)的空腔(61)的侧壁之间设置有摩擦发电部件(3)。
7.根据权利要求6`所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，摩擦发电部件(3)的第一发电部(31)平铺在壁板(6)中的空腔(61)的内侧壁上，第二发电部(32)的整体呈弧形状态，一端与第一发电部(31)固定连接，另一端活动置放在壁板(6)的空腔(61)中，当承压部件(I)的竖直部分(12)在壁板(6)的空腔(61)中纵向移动时，第一发电部(31)和第二发电部(32)的接触面积发生变化。
8.根据权利要求7所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，承压部件(I)的水平部分(11)上纵向设置有多根导向杆(5)，导向杆(5)上套设有弹性部件(4)，底座(2)上的壁板(6)中形成有容置导向杆(5)的导向孔(63)，导向杆(5)能够在壁板(6)上的导向孔(63)中纵向移动。
9.根据权利要求7或8所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，承压部件Cl)的竖直部分(12)上设置有第一轨道(121)，壁板(6)上设置有第二轨道(62)，第一轨道(121)和第二轨道(62)滑动配合，使得承压部件(I)的竖直部分(12)能够在壁板(6)的空腔(61)内纵向滑动。
10.根据权利要求2所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于， 第一发电部(31)包括第一电极层(311)； 第二发电部(32)包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层(321)、第二电极层(322)和第二基层(323)； 第一发电部(31)中的第一电极层(311)与第二发电部(32)中的第二高分子聚合物绝缘层(321)相接触形成摩擦面； 第一电极层(311)和第二电极层(322 )为摩擦发电部件(3 )的电压和电流输出电极。
11.根据权利要求10所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于， 第一发电部(31)包括依次层叠设置的第一电极层(311)和第一高分子聚合物绝缘层(312)； 第一发电部(31)中的第一高分子聚合物绝缘层(312)与第二发电部(32)中的第二高分子聚合物绝缘层(321)相接触形成摩擦面。
12.根据权利要求2所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于， 第一发电部(31)包括依次层叠设置的第一电极层(311)和第一高分子聚合物绝缘层(312)； 第二发电部(32)包括依次层叠设置的第二电极层(322)和第二基层(323)； 第一发电部(31)中的第一高分子聚合物绝缘层(312)与第二发电部(32)中的第二电极层(322)相接触形成摩擦面； 第一电极层(311)和第二电极层(322 )为摩擦发电部件(3 )的电压和电流输出电极。
13.根据权利要求12所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于， 第二发电部(32)包括依次层叠设置的第二高分子聚合物绝缘层(321)、第二电极层(322)和第二基层(323)； 第一发电部(31)中的第一高分子聚合物绝缘层(312)与第二发电部(32)中的第二高分子聚合物绝缘层(321)相接触形成摩擦面。
14.根据权利要求10至13中任一所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，第一发电部(31)中设置有第一基层(313),第一基层(313)设置在第一发电部(31)上远离第二发电部(32)的一侧。
15.根据权利要求10至13中任一所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，第一发电部(31)和第二发电部(32)的接触面上设置有微纳结构。
16.根据权利要求10至13中任一所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，第二发电部(32)中的第二基层(323)为弹性部件，为第二发电部(32)的弯曲提供支撑。
17.根据权利要求1-15所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，外电路包括:电容器(71)，与摩擦发电部件(3)相连，用于收集摩擦发电部件(3)产生的电量。
18.根据权利要求17所述的基于摩擦发电的压力传感器，其特征在于，外电路还包括: 模数转换器(72)，用于将电容器(71)中的模拟电压值转换为数字电压值； 单片机(73)，与显示屏(74)和输出接口(75)相连，用于接收模数转换器(72)输出的电压值，并通过输出接口(75)输出，以及控制显示屏(74)进行显示。
19.一种压力检测装置，其特征在于，包括上述权利要求1-18中描述的基于摩擦发电的压力传感器和外电路，外电路包括: 电容器(71)，与摩擦发电部件(3)相连，用于收集摩擦发电部件(3)产生的电量； 模数转换器(72) ，用于将电容器(71)中的模拟电压值转换为数字电压值； 单片机(73)，与显示屏(74)和输出接口(75)相连，用于接收模数转换器(72)输出的电压值，并通过输出接口(75)输出，以及控制显示屏(74)进行显示。
【文档编号】G01L1/16GK203443713SQ201320419436
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】吴宝荣, 张涛, 梁宏增, 邱霄, 马志海, 程驰 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司