一种叠层式摩擦电压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，特别是涉及一种叠层式摩擦电压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.随着物联网(iot)的快速发展，体量和驱动传感器所需的电源数量增加显着，甚至可能比传感器本身更大。在巨大的分布式传感节点，供电问题将成为阻碍其发展的关键因素的原因之一。摩擦电的诞生为通过摩擦纳米发电机(teng)解决分布式传感节点的电源问题提供了有效途径。基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，摩擦电压力传感器能够通过分析电信号(如电压值、峰值密度、波形等)来获取机械输入(幅度和频率)的信息。感应信号来源于摩擦电压力传感器本身，无需应用于设备的外接电源，这是相对于传统传感技术的显著优势。然而，受限于结构缺陷和内在传统teng的工作机制，摩擦电荷非常易受外部环境(例如，湿度、电磁场)的影响，导致稳定性和可重复性差。teng的本质是基于电荷产生、积累、转移和传导的动态过程。因此，调节摩擦电荷将是一种有效的策略以提高teng的传感性能。
3.在空气中，由于环境湿度表面摩擦电荷随时间迅速衰减。为了避免这种不良影响，可真空包装被用来隔离空气并实现超高电荷密度。但是，将摩擦电压力传感器保持高真空是非常困难且昂贵的，特别是要确保它可以保持连续的接触分离移动。因此，表面和界面工程已成为调节电荷的替代选择。由于介电层的性质对摩擦电压力传感器的电荷密度影响很大，通过掺杂弹性体的摩擦电材料来调节介电系数被认为是一种优选的方法。从空气隔离的角度，在接触带电界面上采用高介电系数的液体来代替空气已被证明是一种有效的方法。走向实际应用，为摩擦电压力传感器构建多功能层以实现稳定信号成为首要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明第一方面的一个目的是要提供一种叠层式摩擦电压力传感器，能够有效提升输出信号的稳定性。
5.本发明的另一个目的是要减少环境电磁波干扰的影响，进而提高叠层式摩擦电压力传感器的稳定性和可重复性。
6.本发明第二方面的一个目的是要一种上述叠层式摩擦电压力传感器的制备方法。
7.特别地，本发明提供了一种叠层式摩擦电压力传感器，包括：
8.从上到下依次布置的第一电极层、第一摩擦材料层、介电层薄膜、第二电极层和第二摩擦材料层，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量，所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔，且所述密封腔中封装有绝缘液体。
9.可选地，叠层式摩擦电压力传感器还包括：
10.绝缘薄膜，贴附于所述第一电极层的顶面和所述第二摩擦材料层的底面处；以及
11.静电屏蔽层，设置于每一所述绝缘薄膜的外表面处。
12.可选地，所述微型结构的形状为金字塔形、锥形、正方体形和圆柱形中一种或多种，且所有所述微型结构呈阵列排布。
13.特别地，本发明还提供了一种用于制备上述任一项所述的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法，包括：
14.制备液态金属和柔性介电层材料的混合物；
15.利用所述混合物制备介电层薄膜，所述介电层薄膜的一侧表面设有多个凸起的微型结构和围绕所有所述微型结构的环形凸条，所述微型结构用于降低所述介电层薄膜的弹性模量；
16.制备第一摩擦材料层、第二摩擦材料层、第一电极层和第二电极层；
17.依次布置所述第一电极层、所述第一摩擦材料层、所述介电层薄膜、所述第二电极层和所述第二摩擦材料层，其中，所述介电层薄膜的所述环形凸条的顶面通过柔性的封闭材料与所述第一摩擦材料层相连，以在所述第一摩擦材料层和所述介电层薄膜之间形成密封腔；
18.在所述密封腔中封装绝缘液体。
19.可选地，在所述密封腔中封装绝缘液体的步骤包括：
20.将第一注射器和第二注射器分别在所述密封腔的两侧插入所述密封腔内；
21.利用所述第一注射器注射所述绝缘液体，同时利用所述第二注射器吸出空气。
22.可选地，利用所述混合物制备介电层薄膜的步骤包括：
23.制作介电层模具，所述介电层模具的一侧设有多个凹陷的微型特征和围绕所述多个微型特征的凹槽，分别与多个所述微型结构和所述环形凸条相匹配；
24.在所述介电层设有所述微型特征的一侧喷射脱模剂；
25.将所述混合物倒入所述脱模剂的上表面；
26.将带有所述混合物和所述脱模剂的模具放入真空环境，以去除所述混合物多种的空气；
27.将带有所述混合物和所述脱模剂的模具放入烤箱烘干在烘干后剥离混合形成的薄膜，以形成所述介电层薄膜。
28.可选地，叠层式摩擦电压力传感器的制备方法，还包括：
29.在所述第一电极层的远离所述第一摩擦材料层的一侧，和所述第二摩擦材料层远离所述第二电极层的一侧贴附绝缘薄膜；
30.在所述绝缘薄膜上形成导电材料，以形成静电屏蔽层。
31.可选地，在所述绝缘薄膜上溅射导电材料的步骤包括：
32.利用磁控溅射系统在所述绝缘薄膜上溅射导电材料。
33.可选地，所述液态金属为在室温下呈液态的镓基合金；
34.所述柔性介电层材料为含硅元素和/或氟元素的高分子聚合物。
35.可选地，所述液态金属的质量百分比为10％-70％中的任一值。
36.根据本发明的一个实施例，叠层式摩擦电压力传感器由于在介电层薄膜和第一摩擦层之间填充了绝缘液体，能有效隔绝空气，消除空气中水分的影响，因此能够有效提升叠
层式摩擦电压力传感器的稳定性。
37.根据本发明的一个实施例，叠层式摩擦电压力传感器还设置了静电屏蔽层，静电屏蔽层可以起到静电屏蔽的作用，以减少环境电磁波干扰的影响，进而提高叠层式摩擦电压力传感器的稳定性和可重复性。
38.根据本发明的一个实施例，可以提高叠层式摩擦电压力传感器的电学输出性能和力学输出性能。在低压区，叠层式摩擦电压力传感器的灵敏度到达8.56kpa-1
；在高压区，叠层式摩擦电压力传感器的灵敏度到达3.50kpa-1
，检测范围宽至66.3kpa，响应和恢复速度快，在不同湿度下保持有良好的稳定性和可重复性。
39.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
40.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
41.图1是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的剖面示意图；
42.图2是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的工作原理图；
43.图3是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的介电层薄膜(封闭腔分别填充角鲨烯和空气)的电位仿真图；
44.图4是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的介电层薄膜(封闭腔分别填充角鲨烯和空气)的应力仿真图；
45.图5是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的剖面示意图；
46.图6是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器(带有和不带有静电屏蔽层)的电压曲线图；
47.图7是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器(带有和不带有静电屏蔽层)的总屏蔽效能曲线图；
48.图8是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器(带有和不带有静电屏蔽层)的反射屏蔽效能曲线图；
49.图9是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器(带有和不带有静电屏蔽层)的反射系数曲线图；
50.图10是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法的流程图；
51.图11是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法的流程图；
52.图12是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的介电层薄膜的光学图像；
53.图13是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的横截面光学图像；
54.图14是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的开路电压的仿真数据图；
55.图15是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的短路电流的仿真数据图；
56.图16是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的稳定性循环测试的仿真数据图；
57.图17是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的输出电压和压力(0.2-4kpa)的关系图；
58.图18是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的输出电压和最低检测极限压力的关系图；
59.图19是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的压力和相对电压的灵敏度曲线图；
60.图20是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的单周期电压响应曲线图；
61.图21是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器的湿度和重复的实时输出电压的关系图；
62.图22是未填充有绝缘液体的叠层式摩擦电压力传感器的湿度和重复的实时输出电压的关系图；
63.图23是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器用于监测吞咽动作的输出电压图；
64.图24是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器用于监测手腕屈曲的输出电压图；
65.图25是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器用于监测手指弯曲度数的输出电压图；
66.图26是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器用于监测气流的输出电压图；
67.图27是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器用于监测握力的输出电压图。
68.附图标记说明：
69.100-叠层式摩擦电压力传感器、10-介电层薄膜、11-微型结构、12-环形凸条、13-绝缘液体、103-密封腔、20-第一电极层、30-第一摩擦材料层、40-第二电极层、50-第二摩擦材料层、60-绝缘薄膜、70-静电屏蔽层。
具体实施方式
70.图1是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的剖面示意图。如图1所示，一个实施例中，从上到下依次布置的第一电极层20、第一摩擦材料层30、介电层薄膜10、第二电极层40和第二摩擦材料层50。介电层薄膜10的一侧表面设有多个凸起的微型结构11和围绕所有微型结构11的环形凸条12，微型结构11用于降低介电层薄膜10的弹性模量，微型结构11可以为金字塔形、锥形、正方体形和圆柱形中的一种或多种。一个实施例中，所有微型结构11呈阵列排布。第一摩擦材料层30和介电层薄膜10之间形成密封腔103，且密封腔103中封装有绝缘液体13。绝缘液体13可以是任何较低介电常数的绝缘液体13，例如介
电常数为1-5之间的绝缘液体13，具体地，可以采用角鲨烯作为绝缘液体13。
71.图2是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的工作原理图。为了阐明工作机理，叠层式摩擦电压力传感器100可以简化为通过图2中的简化模型，即介电层薄膜10、第一摩擦材料层30、第一电极层20和第二电极层40。该叠层式摩擦电压力传感器100通过接触带电和静电之间的耦合作用将机械能转化为电能。由于摩擦起电效应，当介电层薄膜10和第一摩擦材料层30这两种摩擦电材料接触时，介电层薄膜10上的微型结构11和第一电极层20上分别产生等量负电荷和正电荷(状态i)。一旦第一摩擦材料层30与微型结构11分离，在静电效应达到平衡时，第一电极层20的正电荷会转移到底部的第二电极层40(状态
ⅱ
和
ⅲ
)，进而产生第一电流。当第一摩擦层再次与微型结构11接触时，电荷会从第二电极层40转移到第一电极层20，进而产生与第一电流方向相反的第二电流(状态
ⅳ
)。
72.图3是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的介电层薄膜10(封闭腔分别填充角鲨烯和空气)的电位仿真图。图4是根据本发明一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的介电层薄膜10(封闭腔分别填充角鲨烯和空气)的应力仿真图。利用comsol仿真软件对第一摩擦材料层30和介电层薄膜10进行仿真试验，将表面电荷密度设定为50μc m-2
，并对第一摩擦材料层30的上表面施加100pa向下的压力，测试该结构的电位和应力。图3中左侧为填充有角鲨烯的介电层薄膜10的正面的电位仿真图，图3右侧上面为填充有角鲨烯的介电层薄膜10的二维电位仿真图，图3右侧下面为填充有空气的介电层薄膜10的二维电位仿真图。图4的左侧为填充有角鲨烯的介电层薄膜10的正面的应力仿真图，图4的右侧未填充有空气的介电层薄膜10的正面的应力仿真图。由图3和图4可知，由于角鲨烯具有比空气大得多的弹性模量和介电常数。
73.随着湿度的增加，越来越多的水分子被物理吸附到介电层薄膜10的表面。水分子的偶极子将表面电场进行排列和中和，使得水分子的氧离子处于激发状态。从氧离子中释放的电子占据了介电层薄膜10的导带，并通过水分子的氢键网络扩散，提高表面电导率，降低了电荷密度。因此，通过引入绝缘液体13，水分子吸附导致的电荷传导和空气中的耗散大大减少。
74.本实施例的叠层式摩擦电压力传感器100，由于在介电层薄膜10和第一摩擦层之间填充了绝缘液体13，可以有效隔绝空气并消除空气中水分的影响，因此能够有效提升叠层式摩擦电压力传感器100的稳定性。
75.图5是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的剖面示意图。另一个实施例中，如图5所示，叠层式摩擦电压力传感器100还包括两层绝缘薄膜60和两层静电屏蔽层70。绝缘薄膜60贴附于第一电极层20的顶面和第二摩擦材料层50的底面处。静电屏蔽层70设置于每一绝缘薄膜60的外表面处。
76.图6是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100(带有和不带有静电屏蔽层70)的电压曲线图，图6中a所指的曲线为带有静电屏蔽层70的电压曲线，b所指的曲线为不带有静电屏蔽层70的电压曲线。如图6所示，通过设置静电屏蔽层70能够明显减少由外部干扰造成的噪声电压。
77.图7是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100(带有和不带有静电屏蔽层70)的总屏蔽效能曲线图。图8是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100(带有和不带有静电屏蔽层70)的反射屏蔽效能曲线图。图9是根据本发明另一个实
施例的叠层式摩擦电压力传感器100(带有和不带有静电屏蔽层70)的反射系数曲线图。图7至9中，上面的曲线均对应带有静电屏蔽层70，下面的曲线均对应不带有静电屏蔽层70。对带有和不带有静电屏蔽层70的叠层式摩擦电压力传感器100进行测量，发现静电屏蔽层70的设置使得对电磁干扰的总屏蔽效能se
t
显著增强(参见图7)，证明了静电屏蔽层70阻挡入射电磁波的能力。se
t
的值可以根据商业应用的要求设置(》20db)。同时，静电屏蔽层70的反射屏蔽效能ser的稳定性虽然有一些缺陷，但还是要高于无屏蔽层的情况(参见图8)。如图9，静电屏蔽层70的反射系数r的增加也说明了静电屏蔽层70具有良好的反射能力。
78.本实施例中的静电屏蔽层70可以起到静电屏蔽的作用，以减少环境电磁波干扰的影响，进而提高叠层式摩擦电压力传感器100的稳定性和可重复性。
79.图10是根据本发明第一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法的流程图。本发明提供了一种叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法，如图10所示，一个实施例中，该制备方法包括：
80.步骤s100，制备液态金属和柔性介电层材料的混合物。
81.液态金属为在室温下呈液态的镓基合金，如镓铟合金，铟镓锡合金，铟镓锡锌合金等。柔性介电层材料为含硅元素和/或氟元素的高分子聚合物，例如聚二甲基硅氧烷、聚碳硅烷、硅橡胶、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯中的一种或多种。一个实施例中，液态金属的质量百分比为10％-70％中的任一值，例如为10％、33％、50％或70％等。通过将液态金属与柔性介电层材料混合在一起，进行充分的搅拌，例如在磁力搅拌器中搅拌22-26h，形成混合均匀的混合物。
82.步骤s200，利用混合物制备介电层薄膜10，介电层薄膜10的一侧表面设有多个凸起的微型结构11和围绕所有微型结构11的环形凸条12，微型结构11用于降低介电层薄膜10的弹性模量。
83.一个实施例中，各个微型结构11呈阵列排布，例如呈矩形阵列。微型结构11为金字塔形、锥形、正方体形或圆柱形，这里的圆柱形可以是细长形的圆柱形。
84.步骤s300，制备第一摩擦材料层30、第二摩擦材料层50、第一电极层20和第二电极层40。
85.这里第一摩擦材料层30、第二摩擦材料层50、第一电极层20和第二电极层40可以采用摩擦纳米发电机常用的摩擦材料和电极材料通过现有的制备方法进行制备，在此不再赘述。例如采用聚碳酸酯、聚对苯甲酸醇酯等制备第一摩擦材料层30和第二摩擦材料层50。利用ag、ito(氧化铟锡透明导电膜玻璃)等导电金属薄膜制备第一电极层20和第二电极层40。
86.步骤s400，依次布置第一电极层20、第一摩擦材料层30、介电层薄膜10、第二电极层40和第二摩擦材料层50，其中，介电层薄膜10的环形凸条12的顶面通过柔性的封闭材料与第一摩擦材料层30相连，以在第一摩擦材料层30和介电层薄膜10之间形成密封腔103。
87.一个实施例中，封闭材料可以采用硅胶或ab胶等。
88.步骤s500，在密封腔103中封装绝缘液体13，以形成图2中所示的叠层式摩擦电压力传感器100。
89.绝缘液体13可以是任何较低介电常数的绝缘液体13，例如介电常数为1-5之间的绝缘液体13，具体地，可以采用角鲨烯作为绝缘液体13。
90.一个实施例中，步骤s500包括：将第一注射器和第二注射器分别在密封腔103的两侧插入密封腔103内，并利用第一注射器注射绝缘液体13，同时利用第二注射器吸出空气。
91.图11是根据本发明另一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法的流程图。如图11所示，一个实施例中，步骤s200包括：
92.步骤s202，制作介电层模具，介电层模具的一侧设有多个凹陷的微型特征和围绕多个微型特征的凹槽，分别与多个微型结构11和环形凸条12相匹配。
93.一个实施例中，利用激光切割机在亚克力板上进行雕刻，形成上述的微型特征和凹槽。
94.步骤s204，在介电层设有微型特征的一侧喷射脱模剂，以便后续脱模。
95.步骤s206，将混合物倒入脱模剂的上表面。
96.步骤s208，将带有混合物和脱模剂的模具放入真空环境，以去除混合物多种的空气。
97.步骤s210，将带有混合物和脱模剂的模具放入烤箱烘干并在烘干后剥离混合形成的薄膜，以形成介电层薄膜10，例如以70-90℃烘烤1.5-2.5h。
98.如图11所示，另一个实施例中，叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法还包括：
99.步骤s600，在第一电极层20的远离第一摩擦材料层30的一侧，和第二摩擦材料层50远离第二电极层40的一侧贴附绝缘薄膜60(参见图7)。绝缘薄膜60可以采用聚合物材料制成，例如pe、ps等。
100.步骤s700，在绝缘薄膜60上形成导电材料，以形成静电屏蔽层70(参见图7)。
101.一个实施例中，利用磁控溅射系统在绝缘薄膜60上溅射导电材料。导电材料可以是金属导体或导电性高的复合物材料，例如cu、ito。
102.图12是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的介电层薄膜10的光学图像。图13是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的横截面光学图像。一个实施例中，叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法包括：
103.将室温呈液态的镓铟锡合金和聚二甲基硅氧烷以2:1的质量比混合在一起，在磁力搅拌器中搅拌24h，搅拌成充分混合的溶液，即上述的混合物。虽然已经证明质量分数为50％时混合液具有最大介电常数，即有利于提高输出电压，但是，由于在压力下，过多的液态金属会从聚二甲基硅氧烷中挤出而污染摩擦电界面，考虑力学性能，这里选择了镓铟锡合金的质量分数为33％。
104.制作介电层模具，该介电层模具为正方形板，边长为2.5cm，其正中间位置设有多个锥形的微型特征组成的2*2cm2的方形阵列，微型特征阵列的周缘是凹槽，该微型特征阵列和凹槽利用激光切割机在亚克力板上雕刻形成。
105.依次在介电层设有微型特征的一侧喷射脱模剂、倒入混合物，然后置入真空环境，最后放入烤箱以80℃烘干2h，最后将干燥的混合物剥离，形成具有微型结构11和环形凸条12的介电层薄膜10(参见图12)。
106.利用pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)材料制备第一摩擦材料层30和第二摩擦材料层50，利用ito材料制备第一电极层20和第二电极层40。
107.将介电层薄膜10的环形凸条12的顶面处涂覆硅胶，并黏合到第一摩擦材料层30，
以在介电层薄膜10和第一摩擦材料层30之间形成密封腔103。
108.将第一注射器和第二注射器分别在密封腔103的两侧插入密封腔103内，并利用第一注射器注射角鲨烯。
109.依次层叠第一电极层20、第一摩擦材料层30(粘结有介电层薄膜10)、第二电极层40和第二摩擦材料层50；
110.在第一电极层20的上表面、第二摩擦材料层50的下表面粘结透明胶带，作为绝缘薄膜60。
111.控制磁控溅射系统以150w的功率在射频模式下进行工作，在透明胶带上溅射100nm厚的cu作为静电屏蔽层70。
112.从图13可以清晰的看到，本实施例制备的叠层式摩擦电压力传感器100的总厚度为2mm，微型结构11是高度约为215μm、底部半径约为80μm的圆锥形，相邻的两个微型结构11的底部中心之间的距离为204μm。
113.图14是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的开路电压的仿真数据图。如图14所示，通过测量分别恒定在0.5hz、1hz、1.5hz、2hz和2.5hz的工作频率下的叠层式摩擦电压力传感器100的开路电压，开路电压恒定在约2.4v处。
114.图15是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的短路电流的仿真数据图。如图15所示，工作频率从0.5hz上升至2.5hz的过程中，短路电流从8pa线性提升至28pa。
115.图16是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的稳定性循环测试的仿真数据图。如图16所示，该叠层式摩擦电压力传感器100可以在1500次循环后将电压保持在1.5v。
116.图17是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的输出电压和压力(0.2-4kpa)的关系图。图18是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的输出电压和最低检测极限压力的关系图。如图17所示，随着施加在叠层式纳米摩擦发电机上的压力从0.2kpa增加到4kpa，相应的输出电压从0.2v迅速增加到了2.3v。如图18所示，动态感应的最小检测限值在测量一个重量仅为0.0204g的物体时可以低至8pa。
117.图19是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的的压力和相对电压的灵敏度曲线图。如图19所示，可以将压力分为0-20.9kpa的低压区和20.9kpa的高压区。在低压区，叠层式摩擦电压力传感器100的灵敏度到达8.56kpa-1
，动态感应的最小检测限值低至8pa。在高压区，叠层式摩擦电压力传感器100的灵敏度到达3.50kpa-1
，检测范围宽至66.3kpa。
118.图20是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100的单周期电压响应曲线图。如图20所示，本实施例的叠层式摩擦电压力传感器100上施加了100g的重量，输出电压相应地增加为3.9v左右，输出电压的响应时间trs和恢复时间trc分别为30ms和10ms，说明本实施例的叠层式摩擦电压力传感器100可以快速响应和恢复。
119.图21是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备
的叠层式摩擦电压力传感器100的湿度和重复的实时输出电压的关系图。图22是未填充有绝缘液体13的叠层式摩擦电压力传感器100的湿度和重复的实时输出电压的关系图。为了进一步说明绝缘液体13和静电屏蔽层70对传感性能的影响，还对叠层式摩擦电压力传感器100进行了受控测试，如图21所示，在稳定性测试中，在44％和70％的相对湿度下，实时电压几乎保持连续。但是根据试验，如图22所示，没有绝缘液体13填充时，在相同压力下电压会随着湿度的增加显著降低。由此可知，填充了绝缘液体13并设置了静电屏蔽层70的叠层式摩擦电压力传感器100在不同湿度下保持有良好的稳定性和可重复性。
120.综上，本实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的灵敏度在在低压区可达8.56kpa-1
，高压区可达3.50kpa-1
，检测范围从8pa到66.3kpa。此外，叠层式摩擦电压力传感器100还具有30毫秒的快速响应时间和10毫秒的快速恢复时间，而且在潮湿环境中的稳定性非常好。
121.另一个实施例中，如图7所示，该叠层式摩擦电压力传感器100还包括设置于第一电极层20的顶面和第二摩擦材料层50的底面处的绝缘薄膜60，绝缘薄膜60的表面还设有静电屏蔽层70。
122.图23是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100用于监测吞咽动作的输出电压图。图24是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100用于监测手腕屈曲的输出电压图。图25是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100用于监测手指弯曲度数的输出电压图。图26是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100用于监测气流的输出电压图。图27是根据本发明再一个实施例的叠层式摩擦电压力传感器100的制备方法制备的叠层式摩擦电压力传感器100用于监测握力的输出电压图。利用叠层式摩擦电压力传感器100的自供电特性，可以将其应用于各种场景下的身体活动的监测。例如将其粘贴到喉咙来检测吞咽动作，如图23所示，输出电压最高达到1v。现代社会中，中老年人中风可能会导致偏瘫，亟需对康复患者进行监测。图24和25显示了叠层式摩擦电压力传感器100帮助医生跟诊患者的康复情况。如图24所示，当将叠层式摩擦电压力传感器100贴在手腕时，输出电压的绝对值可以达到0.7v(对应手腕上抬)，当贴在手指上时，当手指从30
°
弯曲到90
°
时，输出电压从1v变化为2.4v(参见图25)。因此，可以通过在手的不同位置设置多个叠层式摩擦电压力传感器100来监测手部肌肉的恢复。得益于叠层式摩擦电压力传感器100高灵敏度，还可以用它来监测气体流量，清楚地区分吹气(图26中的c)和吸气(图26中的d)过程。此外，还可以将叠层式摩擦电压力传感器100投入工业应用。当用作机械臂的电子皮肤时，叠层式摩擦电压力传感器100可以帮助控制在抓取不同大小的东西时的力，尤其是那些易碎的东西。图27展示了随着力的上升和下降的阶跃输出信号。可以看出，电压在相同的压力下保持相同的层级，而不是在施加压力的过程中出现电脉冲力，这在实时监控中具有重要意义。
123.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。