一种自供能湿度传感器及其制备方法与流程

本发明具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的自供能湿度传感器及其制备方法。

背景技术：

湿度传感器广泛应用于军事、气象、农业、工业、医疗、建筑以及家用电器等方面，对湿度的检测与分析是科学研究、生产过程和环境检测的一个重要环节。传统的湿度传感器通常依赖于外部电源提供能量，这一特性大大地限制了湿度传感器的应用范围，一方面，对设置于偏远地区或者室外工作的湿度传感器而言，实现长期稳定可靠的外部直接供电比较困难，因此，通过无源技术使得湿度传感器能实现既定的功能具有广泛的应用前景；另一方面，随着科技发展，越来越多微型功能器件和微机电系统应用于人们的日常生活中，然而器件的微型化限制了其供电单元的体积，对于传统电池来说，小的体积意味着储电量小，一旦电量耗尽，器件就失去了功能性，这就极大地限制了器件的使用寿命，因此，湿度传感器在满足微型需要的同时其供电单元的续航能力在实际应用中是极为重要的。

综上所述，如何能够实现湿度传感器在无外加电源就能独立运行，并收集环境中能量转换为电能作为补充，从而达到在完成既定功能的基础上延长其使用寿命，减少能源损耗，成为研究中所要解决的技术问题。

自供能技术是一种无需外加电源，收集周围环境中其他形式能量(如太阳能、风能、机械能、热能等)并将其转换成电能，为电子设备提供安全、稳定、高效的电能供给技术。自供能技术以其独有的自持续性特点，成为解决湿度传感器长期自主供电的一种理想方案。为此，亟需一种能够集能量收集转换功能和检测湿度功能于一体的自供能湿度传感器。

技术实现要素：

基于上文所述，本发明为解决上述问题提供一种自供能湿度传感器及其制备方法，本发明自供能湿度传感器经过理论分析与实验验证，能够根据纳米摩擦发电机的输出电压阻抗响应得到湿度传感器的工作湿度，从而实现能量收集转换功能和检测湿度功能于一体。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明一方面公开了一种自供能湿度传感器，包括传感单元、储能单元和无源供电单元，所述传感单元包括湿敏元件和检测电路，所述储能单元包括整流电路和储能元件，所述无源供电单元为由第一摩擦部件和第二摩擦部件组成的摩擦发电装置；

其中，第一摩擦部件包括底面沉积有第一金属层的第一绝缘基板，第二摩擦部件包括顶面沉积有第二金属层的第二绝缘基板以及与第二金属层顶面直接贴合的负极性摩擦层；

第一摩擦部件通过弹性支撑结构和第二摩擦部件相互隔离设置，并使得所述第一金属层和负极性摩擦层面对面设置，在外力作用下，第一摩擦部件的第一金属层通过弹性支撑结构形变能和负极性摩擦层形成接触-分离循环，从而产生感应电荷，并通过第一金属层和第二金属层作为电极与储能单元输入端相连；

湿敏元件包括沉积有叉指电极的第三绝缘基板和沉积于所述叉指电极表面的湿敏薄膜层；

所述叉指电极的一端口与储能单元输出端相连，另一端口与检测电路相连以输出湿敏元件的电学参数变化。

进一步地，本发明储能单元中整流电路将摩擦发电机输出的交变电流转换为直流输出，而储能元件多采用电容器，所述电容器收集摩擦发电机产生的电荷然后对后端检测电路进行充放电。

进一步地，本发明弹性支撑结构为垂直设置于第一摩擦部件和第二摩擦部件相向面之间的弹簧。

优选地，本发明弹性支撑结构还包括固定所述弹簧和调节第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离的紧固件。

具体地，所述紧固件为螺栓和螺母，并通过开设于第一绝缘基板和第二绝缘基板上的通孔实现螺栓连接，具体连接方式为：所述螺栓的头部安装于第二绝缘基板底面，螺栓的螺杆通过第二绝缘基板底面的通孔穿套于弹簧中并通过设于第一绝缘基板顶面的螺母固定；其中，所述通孔直径介于螺栓头部直径和螺杆直径之间。

根据本发明优选实施例，本发明弹簧的材质为金属，金属弹簧两端设有绝缘垫片，所述绝缘垫片为环形，其内环直径小于弹簧直径，其外环直径大于弹簧直径。

进一步地，本发明第一金属层或第二金属层的材料为铝、镍、铜、银和金中任一种；第一金属层或第二金属层的厚度为30～70μm。

进一步地，本发明叉指电极的材料为铝或金，叉指电极的参数如下：宽度为25μm～50μm，间距为25μm～50μm，长度为800μm～4500μm，厚度为100nm～200nm。

进一步地，本发明负极性摩擦层的材料为有机聚合物，作为优选实施方式，所述有机聚合物摩擦层材料为尼龙(Nylon)、铁氟龙(PTFE)、聚氟乙烯(PDMS)或聚酰亚胺(PI)，上述有机聚合物形成摩擦层的厚度范围为10～50微米。

进一步地，本发明湿敏薄膜层的材料为聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺和聚酰亚胺中任一种或者其任意一种与半导体氧化物形成的复合材料。

本发明另一方面公开了一种自供能湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：摩擦部件的制备；

在洗净、干燥的第一绝缘基板的一表面沉积第一金属层，制得第一摩擦部件，在洗净、干燥的第二绝缘基板的一表面沉积第二金属层，然后在所述第二金属层表面制备负极性摩擦层，制得第二摩擦部件；

步骤B：湿敏元件的制备：

在洗净、干燥的第三绝缘基板的表面采用光刻、溅射和剥离工艺制作出叉指电极，然后采用成膜工艺在所述叉指电极表面沉积湿敏薄膜层，制得湿敏元件；

步骤C：组装；

在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间设置弹性支撑结构使之相互隔离，使得第一金属层和负极性摩擦层面对面设置，并在外力作用下，第一摩擦部件的第一金属层通过弹性支撑结构形变能和负极性摩擦层形成接触-分离循环

将第一金属层和第二金属层作为电极均接入储能单元的输入端，然后将储能单元的输出端与湿敏元件中叉指电极的一端相连，再将叉指电极的另一端与检测电路连接以输出湿敏元件的电学参数变化。

进一步地，本发明弹性支撑结构为弹簧，具体固定方式为：将弹簧两端垂直固定于第一金属层和负极性摩擦层相向面之间；所述弹簧的固定方式可以采用粘结或者任何合适的固定方式，作为优选实施方式，第一绝缘基板和第二绝缘基板的材料应采用柔性、轻质绝缘材料，以减轻弹簧的承受力。

优选地，本发明弹性支撑结构还包括固定所述弹簧和调节第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离的紧固件，所述紧固件为螺母和螺栓，具体固定方式如下：在第一绝缘基板和第二绝缘基板上对应开设通孔，所述通孔直径介于螺栓的头部直径和螺栓杆直径之间，螺栓的头部安装于第二绝缘基板底面通孔处，使得螺栓的杆部穿过第二绝缘基板通孔，在螺栓的杆部上套设弹簧，并通过设于第一绝缘基板顶面的螺母固定。

具体地，弹簧材质可以为金属弹性材料或其他绝缘弹性材料，金属弹簧两端应进行绝缘封装或者成为绝缘处理，从而避免在摩擦生电过程中对电荷产生影响，具体可以为：将金属弹簧两端与摩擦部件接触处设置绝缘垫片，所述绝缘垫片为环形，并且弹簧直径介于环形绝缘垫内径与外径之间；也可以将弹簧丝表面包覆柔性绝缘材料。

进一步地，本发明储能单元包括将交流电转换为直流电的整流电路和储存电量以供给检测电路的储能元件，所述储能元件多为电容器。

进一步地，本发明第一金属层或第二金属层的材料为铝、镍、铜、银和金中任一种；第一金属层或第二金属层的厚度为30～70μm。

进一步地，本发明叉指电极的材料为铝或金，叉指电极的参数如下：宽度为25μm～50μm，间距为25μm～50μm，长度为800μm～4500μm，厚度为100nm～200nm。

进一步地，本发明负极性摩擦层的材料为有机聚合物，作为优选实施方式，所述有机聚合物为尼龙(Nylon)、铁氟龙(PTFE)、聚氟乙烯(PDMS)或聚酰亚胺(PI)，有机聚合物形成摩擦层的厚度范围为10～50微米。

进一步地，本发明湿敏薄膜层的材料为聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺和聚酰亚胺中任一种或者其任意一种与半导体氧化物形成的复合材料。

本发明的有益效果是：

一、结构设计合理，本发明通过第一、二摩擦部件及弹性支撑结构实现收集外界环境中的能量并转换为电能，从而为测量湿度及其余能耗供能；储能单元的设置较为合理，其包括的整流电路和储能元件能够将摩擦发电产生的交流电转换为所需直流电，并将电能储存于电容器中为检测电路持续供能；本发明弹性支撑结构不局限于利用弹性来实现摩擦发电，而且增加了能够固定弹簧并且调节第一摩擦部件与第二摩擦部件间距的紧固件结构，便于灵活调节摩擦部件之间的距离，从而实现自供能湿度传感器的供电单元输出电压可调；此外弹性支撑结构的紧固件安装设计较为合理，第一、二摩擦部件出现损坏的情况下，容易通过拆卸紧固件将其取下进行更换，节约成本，方便维护。

二、性能较为优异，本发明基于湿敏薄膜层能够对环境中水分子含量响应，通过检测电路判断出湿敏薄膜不同阻值变化所对应的空气湿度，从而达到湿度测量的功能；相比于传统的湿度传感器，本发明湿度传感器不需要外部供电系统；相比基于压电效应的自供能气体传感器器具有较大的输出信号，本发明湿度传感器能解决一般基于压电效应的自供能气体传感器存在的敏感度低、输出信号弱等问题。

三、制备方法简单，制作均与现有工艺具有很高兼容性，并且材料或零件的成本低廉、适用于实际生产和应用。

附图说明

图1为本发明自供能湿度传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的叉指电极的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的接触分离式自供能湿度传感器摩擦电供电原理示意图；

图4为本发明实施例提供的自供能湿度传感器制备工艺流程图；

图5为本发明实施例提供的自供能湿度传感器的等效工作电路图；

图6为本发明实施例提供的自供湿度传感器的信号检测电路；

图7为本发明实施例提供的自供湿度传感器检测不同湿度时湿敏元件两端电压随环境湿度变化的测试结果图。

图8为本发明实施例提供的接触分离式摩擦纳米发电机输出开路电压；

图9为飞秒激光加工后铁氟龙摩擦层表面膨化结构的扫描电镜图；

图10为飞秒激光加工后铁氟龙摩擦层表面在原子力显微镜下的图像；

其中，101为第一绝缘基板，102为第二绝缘基板，201为第一金属层，202为第二金属层，3为负极性摩擦层，4为叉指电极，5为湿敏薄膜层，6为导电银浆，7为导电引线，7_A端口和7_B端口分别为摩擦发电装置中第一金属层作为电极和第二金属层作为电极与储能单元的接口，7_c端口为叉指电极一端与储能单元的接口，7_D端口为叉指电极另一端与检测电路的接口，8为储能单元，9为检测电路，11为绝缘支撑结构，1101为弹簧，1102为螺栓，1103为螺母，1104为绝缘垫片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例：

实施例1：

如图1所示，本发明自供能湿度传感器包括传感单元、储能单元和无源供电单元，所述传感单元包括湿敏元件和检测电路9，所述储能单元8包括整流电路和储能元件，所述无源供电单元为由第一摩擦部件和第二摩擦部件组成的摩擦发电装置；其中，第一摩擦部件包括底面沉积有第一金属层201的第一绝缘基板101，第二摩擦部件包括顶面沉积有第二金属层202的第二绝缘基板102以及与第二金属层202顶面直接贴合的负极性摩擦层3；第一摩擦部件通过弹性支撑结构11和第二摩擦部件相互隔离设置，并使得所述第一金属层201和负极性摩擦层3面对面设置，在外力作用下，第一摩擦部件的第一金属层201通过弹性支撑结构11形变能和负极性摩擦层3形成接触-分离循环，从而产生感应电荷，并将第一金属层201和第二金属层202作为电极通过导电银浆6和导电引线7与储能单元8的输入端相连；湿敏元件包括沉积有叉指电极4的第三绝缘基板103和沉积于所述叉指电极4表面的湿敏薄膜层5；所述叉指电极4的一端口通过导电银浆6和导电引线7与储能单元8的输出端相连，另一端口通过导电银浆6和导电引线7与检测电路9相连以输出湿敏元件的电学参数变化。

如图2所示，本发明传感单元中湿敏元件中叉指电极4的结构示意图，作为优选实施方式，本发明叉指电极4的材料为铝或金，叉指电极4的参数如下：宽度为25μm～50μm，间距为25μm～50μm，长度为800μm～4500μm，厚度为100nm～200nm。

第一金属层201和第二金属层202将第一摩擦部件与第二摩擦部件之间产生的电荷通过导线引出，因此作为电极，第一金属层201或第二金属层202的材料优选为铝、镍、铜、银和金中任一种；为了更好实现功能，第一金属层201或第二金属层202的厚度为30～70μm。

第一金属层201不仅是电极而且也是摩擦层，根据本领域人员公知常识，金属为容易失去电子，呈现正电的物质，金属的摩擦极性为正极性，因此，相对的负极性摩擦层3的材料易得到电子，呈现负极性，作为优选实施方式，所述负极性摩擦层3的材料为有机聚合物，所述有机聚合物优选为尼龙(Nylon)、铁氟龙(PTFE)、聚氟乙烯(PDMS)或聚酰亚胺(PI)，上述有机聚合物形成摩擦层的厚度范围为10～50微米。

湿敏元件中湿敏薄膜层5的材料优选为聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺和聚酰亚胺中任一种或者其任意一种与半导体氧化物形成的复合材料。

弹性支撑结构11可以为弹簧1101，通过粘结或者任何合适的方式垂直固定在第一金属层201和负极性摩擦层3之间使得第一摩擦部件和第二摩擦部件相互隔离，作为优选实施方式，为了减少弹簧1101的支撑力，第一摩擦部件和第二摩擦部件的材料应采用柔性、轻质绝缘材料；依照上述固定弹簧方式，在实际中根据纳米摩擦发电机结构合理设置弹簧1101的长度及绝缘基板面积，以形成所需输出电压不同的摩擦发电装置。

考虑到便于安装及拆卸以及安装稳固性，将弹簧1101采用紧固件固定，并与摩擦部件实现可拆卸连接。

考虑到供电单元输出电压可调，在第一绝缘基板101和第二绝缘基板102对应设置通孔，选择能够紧固连接两个带有通孔的基板的零件——螺栓1102及与之匹配的螺母1103，螺母1103能够从螺栓1102上旋下实现固定效果，也可以旋出从而实现拆卸；具体连接方式为：螺栓1102的头部设于第二绝缘基板102底面，螺栓1102的螺杆通过第二绝缘基板102底面的通孔穿套于弹簧1101中并通过设于第一绝缘基板101顶面的螺母1103固定；其中，所述通孔直径介于螺栓1102的头部直径和螺杆直径之间。

考虑到弹簧1101的材质为金属时会对摩擦发电过程产生影响，所以金属弹簧(尤其是与摩擦部件接触处)应该采取绝缘措施，具体地，金属弹簧两端设有绝缘垫片1104，所述绝缘垫片1104为环形，其内环直径小于金属弹簧直径，其外环直径大于金属弹簧直径。

考虑到方便携带及对器件的保护作用，还应根据实际需要采用绝缘封装箱将上述整个系统集成封装。

如此设计，本发明自供能传感器将供电单元和传感单元进行集成，通过外界施加作用力使弹性支撑结构发生形变并通过摩擦部件形成接触-分离循环，基于摩擦起电和静电感应原理，利用不同材料之间的摩擦极序差使得摩擦层在接触分离的过程中不断积累或释放电荷，从而在外电路产生交变电流，并提供给湿敏元件和检测电路对环境湿度进行测试。弹性支撑结构设计合理，在摩擦部件出现损坏的情况下，可以拆卸紧固件、弹簧进行维修或者更换，然后重新固定，无需更换整个摩擦发电装置，节约成本；采用螺栓、螺母的紧固方式可以实现摩擦部件之间距离的调节，从而使得供电单元输出电压可调节，优化性能。

以下为本发明自供能湿度传感器中供电单元的发电原理，如图3所示：本发明采用的是接触-分离式结构(如图3a)，在外力作用下，发电机上端绝缘基板底面所镀的铜层将与下端绝缘基板顶面的有机聚合物薄膜摩擦层发生接触，定义相互接触时铜层接触面为第一表面，有机聚合物薄膜摩擦层接触面为第二表面，由于铜与有机聚合物材料(如铁氟龙PTFE)之间摩擦电极序差比较大，两者接触时第二表面将从第一表面上得到电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即产生摩擦电荷(如图3b)。一旦外力消失，在弹性支撑结构的弹力作用下，上端绝缘基板将被弹开，从而使铜层与有机聚合物薄膜摩擦层分离，两个接触面之间将会产生电势差，在静电感应的作用下有机聚合物薄膜摩擦层底面的铜层将会产生感应正电荷，将上下两个铜层作为电极，如果用导线在上下两个铜电极之间接入一个负载，上电极将通过负载释放与有机聚合物薄膜摩擦所产生的正电荷，电子将从下电极通过负载转移到上电极以平衡上电极与有机聚合物薄膜之间的电势差(如图3c)。当两个接触面之间的距离达到最大时，下电极上的感应电荷密度将达到最大(如图3d)。在外力作用下，上端绝缘基板再次向下振动，随着上端铜层逐渐靠近下端有机聚合物薄膜摩擦层，在静电感应的作用下，上端铜层的第一表面将会逐渐产生一层感应正电荷，此时电子将会通过负载从上电极转移到下电极(如图3e)，直到上端铜层与下端有机聚合物薄膜摩擦层再次接触，此时两个接触面带有等量异号电荷(如图3b)。经过重复上述周期性的接触和分离，摩擦纳米发电机将输出交变的电流脉冲信号，再通过整流电路将交流信号变为直流输出，从而为湿敏元件供电。

实施例2：

一种自供能湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：摩擦部件的制备；

将3个尺寸为10厘米×10厘米的有机玻璃基板分别洗净，并用氮气吹干，分别命名为第一有机玻璃基板、第二有机玻璃基板和第三有机玻璃基板；

在第一有机玻璃基板的一表面采用物理气相沉积法沉积厚度为70μm的第一铜层，制得第一摩擦部件，在第二有机玻璃基板的一表面沉积厚度为70μm第二铜层，然后在所述第二铜层表面粘贴一层厚度为50μm的聚酰亚胺(PI)摩擦层，制得第二摩擦部件；

步骤B：湿敏元件的制备：

在第三有机玻璃基板的表面采用光刻、溅射和剥离工艺制作出金叉指电极，然后采用成膜工艺在所述金叉指电极表面沉积聚苯乙烯磺酸钠与氧化石墨烯形成的复合薄膜层，制得湿敏元件；

步骤C：组装；

在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间垂直固定弹簧使之相互隔离，并使得第一铜层和聚酰亚胺(PI)摩擦层面对面设置，并在外力作用下，第一摩擦部件的第一铜层通过弹簧形变能和聚酰亚胺(PI)摩擦层形成接触-分离循环，其中：弹簧材料选择绝缘弹性材料或者在弹簧丝外设有绝缘包覆层，经上述绝缘处理的弹簧采用粘结方式固定；

将第一铜层和第二铜层作为电极通过导电银浆和导电引线接入桥式整流电路将摩擦纳米发电机输出的交变电流转化为直流输出，并用一个1uf的电容来收集发电机产生的电荷，桥式整流电路和luf电容组成储能单元，然后将所述储能单元的输出端通过导电银浆和导电引线与湿敏元件中金叉指电极的一端相连，再将金叉指电极的另一端通过导电银浆和导电引线与检测电路连接以输出湿敏元件的电学参数变化。

作为优选实施方式，用以制备摩擦部件的第一绝缘基板和第二绝缘基板的材料应采用柔性、轻质绝缘材料，以减轻弹簧支撑力，避免粘结效果由于绝缘基板重量原因而损坏。

实施例3：

如图4所示，一种自供能湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：摩擦部件的制备；

将3个尺寸为10厘米×10厘米的有机玻璃基板分别洗净，并用氮气吹干，分别命名为第一有机玻璃基板、第二有机玻璃基板和第三有机玻璃基板；

在第一有机玻璃基板的一表面物理气相沉积法沉积厚度为30μm的第一铜层，制得第一摩擦部件，在第二有机玻璃基板的一表面沉积厚度为30μm第二铜层，然后在所述第二铜层表面粘贴一层厚度为10μm的铁氟龙(PTFE)摩擦层，制得第二摩擦部件；

步骤B：湿敏元件的制备：在第三有机玻璃基板的表面采用光刻、溅射和剥离工艺制作出铝叉指电极，然后采用成膜工艺在所述铝叉指电极表面沉积聚氧化乙烯薄膜层，制得湿敏元件；

步骤C：组装；

在第一摩擦部件和第二摩擦部件上对应开设通孔并通过套有弹簧的螺栓和螺母的固定相互隔离，使得第一铜层和铁氟龙(PTFE)摩擦层面对面设置，并在外力作用下，第一摩擦部件的第一铜层通过弹簧形变能和铁氟龙(PTFE)摩擦层形成接触-分离循环，其中：所述通孔直径介于螺栓的头部直径和螺栓杆直径之间，螺栓的头部设于第二有机玻璃基板通孔处，螺栓的杆部套设有弹簧，螺栓的尾部穿过第一有机玻璃基板通孔并通过设于第一有机玻璃基板顶面的螺母固定，弹簧两端与有机玻璃基板接触处设有绝缘垫片，所述绝缘垫片为环形，并且弹簧直径介于环形绝缘垫片的内径与外径之间；

将第一铜层和第二铜层作为电极通过导电银浆和导电引线接入桥式整流电路将摩擦纳米发电机输出的交变电流转化为直流输出(分别对应7_A端口和7_B端口)，并用一个1uf的电容来收集发电机产生的电荷，桥式整流电路和luf电容组成储能单元，然后将所述储能单元的输出端通过导电银浆和导电引线与湿敏元件中金叉指电极的一端相连(对应7_C端口)，再将金叉指电极的另一端通过导电银浆和导电引线与检测电路连接以输出湿敏元件的电学参数变化(对应7_D端口)。

本实施例制得自供能湿度传感器的等效电路如图5所示，接触-分离式摩擦纳米发电机输出的交流电流可以看成一个平板电容的充放电，而湿敏元件(包括绝缘基板上的叉指电极以及气喷在叉指电极表面的湿敏薄膜)的电学特性又相当于一个可变电阻；不同湿度下湿敏元件电阻值的改变将与输出电流和电压的变化成线性关系，所以通过监测器件的输出电流或输出电压就能得知待测空气湿度。

根据图5可知，在湿敏元件上的分压为：

其中，V_oc为摩擦纳米发电机的输出电压，R为外置电阻，Rs为气敏元件电阻。

如上所述，将接触-分离式摩擦纳米发电机看成一个平板电容，其输出电压如下：

其中，σ是接触面摩擦电荷密度，ε₀是真空介电常数，d是上下两个接触面的间距。可见，摩擦纳米发电机的输出电压与上端有机玻璃基板上下振动频率无关，只与器件结构有关。因此，特定发电机结构在不同频率的外力作用下，其输出电压是恒定的。结合公式(1)和(2)可知，湿敏元件的分压只取决于湿敏元件的电阻大小。不同空气湿度下湿敏元件的电阻值改变将转变为输出电流和输出电压的变化，所以通过监测器件的输出电流和输出电压就能得知待测空气的湿度。

图6为本发明自供能湿度传感器的检测电路，其中，7_A端口和7_B端口分别为摩擦发电装置中第一金属层作为电极和第二金属层作为电极与储能单元的接口，7_c端口为叉指电极一端与储能单元的接口，7_D端口为叉指电极另一端与检测电路的接口，结合图4可以直观了解各部分之间的电路连接方式；其中选择合适阻值的电阻使得R₁、R₂、R_f和R_s之间满足关系式R₁＝kR_f、R₂＝kR_s。将自供能湿度传感器去放于待测湿度的环境中，由于摩擦纳米发电机的输出特性由自身结构决定，所以当响应达到稳定时可认为在电容器两端得到稳定的输出电压以及稳定的输出电流。测试时，首先将本发明湿度传感器放在相对湿度为7％的环境之中，调解R_f的阻值，使其满足下式：-

此时流过电流计的电流为零，所以电流计不会偏转。当改变环境湿度时，此时电流计会偏转，其偏转角度与空气的相对湿度成正比。

稳定时，敏感电阻的阻值由R_s变为R_s+ΔR_s，当响应稳定时，摩擦纳米发电机的输出电流一定，输出电流在检测电路中满足以下关系式：

此时流过电流计的电流为：

通过实验，本设计中的摩擦纳米发电机适配的湿敏元件的阻值R_s应在MΩ级别才有最佳的输出效应，相对于置于不同湿度下湿敏元件的阻值变化ΔR_s，由于ΔR_s/R_s＜＜1，根据公式(5)可以得到以下近似：

其中由电流计的工作原理可知电流计偏转角θ与其本身参数以及通过它的电流I成正比，具体关系如下：

结合式(6)和式(7)，由于电阻的变化值与湿度成线性关系有ΔR_S＝K₂·H，可推出电流计偏转角与湿敏元件的阻值变化成线性关系，如下式：

θ＝K’·H (8)

式中θ是电流计的偏转角度，H是空气的相对湿度，K’是比例系数，有可以看出比例系数只与摩擦纳米发电机输出电流、电流计固有参数和初始电阻比例系数有关。

随着相对湿度的增大，湿敏元件阻值改变量ΔR_s增大，通过电流计的电流随之增大，电流计的偏转角度也随之增大，可直观地判断湿度大小。

图7为本发明检测不同湿度时所得的湿敏元件两端电压随环境湿度变化的测试结果图，此测试结果是根据实施例1中公式(1)～(8)的理论推导，将电流计偏转角度的变化与所测湿度相对应。从图中可以看出，随着相对湿度的增加，湿敏元件两端的电压随之减小，而发电机稳定输出时输出的电荷量一定，即流过电路的电流一定，由此可知，湿敏元件的阻值随环境湿度的改变而呈线性改变。

图8为本发明实施例中摩擦纳米发电机的输出开路电压，从图中可以看出发电机输出稳定，输出电压接近200V。

实施例4：

本实施例的操作与实施例3基本相同，只是将实例3中铁氟龙PTFE摩擦层经过再生放大钛宝石飞秒激光器进行物理改性形成粗糙表面。所使用飞秒激光器的具体参数如下：中心波长为800nm，重复率为1kHz，脉冲宽度为200fs，单脉冲功率为400mW，线间距为50um。

然后将经飞秒激光加工后的铁氟龙PTFE摩擦层分别采用扫描电镜和原子力显微镜观察，结果如下：

如图9所示为飞秒激光加工后铁氟龙摩擦层表面膨化结构的扫描电镜图，通过图像可看出，经过表面改性后的摩擦材料的表面结构变得更加致密，呈现出明显的膨化结构。

如图10所示为飞秒激光加工后铁氟龙摩擦层表面在原子力显微镜下的图像，通过图像可看到很明显的乳突微结构，所述乳突微结构的高度大约为50～70nm。由此可见，通过对铁氟龙材料进行表面改性，增大了其表面粗糙度，能够增加材料之间的摩擦面积。理论表明，额外的摩擦能够有效地增大接触电荷密度，这些乳突结构的存在能够提高本发明的发电机的输出功率，因此，作为优选实施方式，在不破坏摩擦层的前提下，可以通过合适的方法增加其接触面的粗糙程度，进而使得摩擦面积增加以达到提高本发明自供能湿度传感器供电单元的输出功率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明可以扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。