摩擦纳米感应单元、及使用了该单元的自驱动传感头盔的制作方法

本发明涉及可穿戴器件领域，更具体的，涉及摩擦纳米感应单元、以及使用了该单元的自驱动传感头盔。

背景技术：

1、据估计，全世界每年有4200万人患有轻微脑震荡，特别是在以滑雪、美式足球和拳击为代表的运动中。患者头部发生的撞击或颠簸是导致轻微脑震荡的重要原因。然而，轻微脑震荡的诊断缺乏客观的评估标准和便携式监测技术。

2、头盔常作为一种防护用具，在相应场景下实现对处于运动状态人员的安全保护。已有的头盔主要具有防撞击的功能，有的头盔也安装了刚性加速度传感器来判断轻微脑震荡的发作，然而与轻度脑震荡相关的人头运动学取决于外力的大小、方向和位置。因此，需要对头部撞击进行强度和位置分析，而不是像现有头盔这种简单的受力阈值警报。

3、此外，已有的力学传感器，如压电、压阻和电容传感器，提供宽检测范围，但灵敏度低，并且仍然受到材料和能源的挑战。并且这些传统传感器工作过程中需要电池或者直流电源为其实现恒定的能量供给，因此产生的大量能源消耗，并使得器件使用的场景和效率受到大幅度限制。

4、因此，研究一种无源、柔性的传感器以及传感头盔来实时监测轻微脑震荡具有重要意义。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有头盔的监测功能单一、使用的传统传感器需要额外供电导致使用受限的问题，提供摩擦纳米感应单元、及使用了该单元的自驱动传感头盔。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明公开了一种摩擦纳米感应单元，包括：基板一、基板二、弹性半球、电极层、弹性架。

4、基板二与基板一间隔设置。弹性半球设置在基板一面向基板二的一面。弹性半球的表面设置有摩擦层。电极层设置在基板二面向基板一的一面。弹性架连接在基板一和基板二之间，用于将基板一、基板二分开，使摩擦层和电极层分离。基板一或基板二受到外力作用时，弹性架产生形变，基板一与基板二产生相互移动。当摩擦层与电极层接触时，发生电荷转移，并形成感应电势差。

5、作为第一方面进一步的方案，摩擦层采用具备电负性的材料；电极层采用具备电正性的材料。

6、作为第一方面进一步的方案，弹性架包括若干根弹性杆，若干根弹性杆组成两端贯通的巢状结构，巢状结构其中一端与基板一连接、另一端与基板二连接。

7、作为第一方面进一步的方案，摩擦纳米感应单元采用3d打印一体成型。

8、作为第一方面进一步的方案，基板二面向基板一的一面设置有凹槽；电极层设置在凹槽中。凹槽在一侧留有开口，电极层对应开口设置有凸起部，凸起部卡进开口、用于引出导线。

9、第二方面，本发明公开了自驱动传感头盔，包括：内壳、n个自驱动传感器、信号控制模块；

10、内壳的形状与佩戴者头部对应。n个自驱动传感器均匀设置在内壳上。自驱动传感器为第一方面的摩擦纳米感应单元。信号控制模块用于接收并处理自驱动传感器的感应电势差，以得到内壳所受外力的大小及作用区域。

11、作为第二方面进一步的方案，信号控制模块包括：柔性电路板、电荷放大器、微控制器。柔性电路板与n个自驱动传感器的电极层通过导线连接。电荷放大器与柔性电路板连接。柔性电路板将n个自驱动传感器的感应电势差传输给电荷放大器。电荷放大器将感应电势差转换成电压信号。微控制器与电荷放大器连接。微控制器将电压信号转换成数字信号，并对应换算出所受外力的大小及作用区域。

12、作为第二方面进一步的方案，信号控制模块还通过无线通讯与用户终端进行通信；用户终端通过颜色映射呈现出内壳所受外力大小及作用区域。

13、作为第二方面进一步的方案，内壳设置了n个安装槽，用于安装自驱动传感器。自驱动传感器的基板二与安装槽固定连接；自驱动传感器的基板一在无外力作用时伸出安装槽。

14、作为第二方面进一步的方案，自驱动传感头盔还包括外壳。外壳包住内壳，用于对内壳进行保护。

15、与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

16、1，本发明基于接触分离起电的原理进行设计，处于单电极工作模式，利用弹性架使摩擦层和电极层在无外力作用时保持分离，又在基板二或基板一受到外力作用时，产生形变，进而造成摩擦层和电极层接触，就可发生电荷转移、并形成感应电势差。这样，无需再外接电源，依据感应电势差进而表征所受外力的情况，简单方便。

17、2，本发明的自驱动传感头盔，采用在对应于佩戴者头部的外壳上均匀设置n个摩擦纳米感应单元，通过摩擦纳米感应单元感应外力作用，从而反映出外力的大小及作用区域，耐久性好、灵敏度高。

技术特征：

1.一种摩擦纳米感应单元，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米感应单元，其特征在于，所述摩擦层采用具备电负性的材料；所述电极层采用具备电正性的材料。

3.根据权利要求2中所述的摩擦纳米感应单元，其特征在于，所述弹性架包括若干根弹性杆，若干根弹性杆组成两端贯通的巢状结构，巢状结构其中一端与基板一连接、另一端与基板二连接。

4.根据权利要求1中所述的摩擦纳米感应单元，其特征在于，所述摩擦纳米感应单元采用3d打印一体成型。

5.根据权利要求1中所述的摩擦纳米感应单元，其特征在于，所述基板二面向基板一的一面设置有凹槽，电极层设置在凹槽中；所述凹槽在一侧留有开口，电极层对应开口设置有凸起部，凸起部卡进开口、用于引出导线。

6.自驱动传感头盔，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的自驱动传感头盔，其特征在于，所述信号控制模块包括：

8.根据权利要求7所述的自驱动传感头盔，其特征在于，所述信号控制模块还通过无线通讯与用户终端进行通信；所述用户终端通过颜色映射呈现出内壳所受外力的大小及作用区域。

9.根据权利要求8所述的自驱动传感头盔，其特征在于，所述内壳设置了n个安装槽，用于安装自驱动传感器；

10.根据权利要求7-9中任一项所述的自驱动传感头盔，其特征在于，所述自驱动传感头盔还包括外壳，其包住内壳，用于对内壳进行保护。

技术总结
本发明涉及可穿戴器件领域，更具体的，涉及摩擦纳米感应单元、以及使用了该单元的自驱动传感头盔。本发明基于接触分离起电的原理进行设计，处于单电极工作模式，利用弹性架使摩擦层和电极层在无外力作用时保持分离，又在基板二或基板一受到外力作用时，产生形变，进而造成摩擦层和电极层接触，就可发生电荷转移、并形成感应电势差。这样，无需再外接电源，依据感应电势差进而表征所受外力的情况，简单方便。本发明解决了现有头盔的监测功能单一、使用的传统传感器需要额外供电导致使用受限的问题。

技术研发人员：陈宝东,俎璐璐,王中林
受保护的技术使用者：北京纳米能源与系统研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16