(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112134482 A(43)申请公布日 2020.12.25
(21)申请号 202010992307.X(22)申请日 2020.09.21
(71)申请人 青岛大学
地址 266100 山东省青岛市崂山区香港东
路7号(72)发明人 龙云泽 王晓雄 王宁 冯昭璇
于洋 江龙龙 (74)专利代理机构 长沙新裕知识产权代理有限
公司 43210
代理人 刘加(51)Int.Cl.
H02N 1/04(2006.01)G01B 7/30(2006.01)B81B 7/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书7页 附图3页
CN 112134482 A(54)发明名称
基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器及制造方法(57)摘要
本申请实施例公开了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器及制造方法，所述角度传感器包括：第一转盘，所述第一转盘包括第一角度传感器摩擦层和第一角度传感器电极层，所述第一角度传感器摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料；第二转盘，所述第二转盘包括第二角度传感器摩擦层和第二角度传感器电极层，所述第二角度传感器摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料；检测单元，用于检测所述第一角度传感器电极层和所述第二角度传感器电极层之间输出的电信号；计算单元，用于根据所述电信号确定所述第一转盘和第二转盘的相对旋转角度。本申请实施例利用各向异性摩擦电纳米发电机制备角度传感器，实现各向异性摩擦电纳米发电机在信息层面的应用。
CN 112134482 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器，其特征在于，包括：第一转盘、第二转盘、检测单元和计算单元；
第一转盘，所述第一转盘包括第一角度传感器摩擦层和第一角度传感器电极层，所述第一角度传感器摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料；
第二转盘，所述第二转盘包括第二角度传感器摩擦层和第二角度传感器电极层，所述第二角度传感器摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料；
所述第一转盘和所述第二转盘被配置为：所述第一转盘和所述第二转盘可相对转动，当所述第一转盘和所述第二转盘相对转动时，所述第一角度传感器摩擦层和所述第二角度传感器摩擦层相互摩擦，且在所述第一角度传感器电极层和所述第二角度传感器电极层之间产生电势差；
所述检测单元，用于检测所述第一角度传感器电极层和所述第二角度传感器电极层之间输出的电信号；
所述计算单元，用于根据所述电信号确定所述第一转盘和第二转盘的相对旋转角度。2.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述第一转盘和所述第二转盘平行设置，所述第一转盘和所述第二转盘沿垂直于所述第一转盘或所述第二转盘所在平面的轴心旋转。
3.根据权利要求2所述的角度传感器，其特征在于，所述第一转盘和/或所述第二转盘为圆形，所述轴心穿过所述第一转盘和/或所述第二转盘的圆心点。
4.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，在初始位置时，所述第一角度传感器摩擦层和所述第二角度传感器摩擦层中纳米纤维的相对角度为0°。
5.根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于，所述第一角度传感器摩擦层为聚偏氟乙烯纳米纤维膜，所述第二角度传感器摩擦层为尼龙纳米纤维膜。
6.一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器的制造方法，其特征在于，包括：采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料；
将所述各向异性纳米纤维薄膜材料作为权利要求1-5任一项所述的角度传感器的第一角度传感器摩擦层和第二角度传感器摩擦层，组装获得所述各向异性摩擦电纳米发电机。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料，具体包括：
配制静电纺丝溶液；
将所述静电纺丝溶液置于喷射装置中，利用静电纺丝方法在旋转的滚筒表面纺制得到各向异性纳米纤维薄膜材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：通过调整所述滚筒的转速，调整各向异性纳米纤维薄膜材料中纳米纤维的有序度。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述滚筒的表面为铝箔，所述各向异性纳米纤维薄膜材料纺制在所述铝箔的表面。
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说 明 书
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基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器及制造方法
技术领域
[0001]本申请涉及摩擦电纳米发电机技术领域，特别是涉及一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器及制造方法。
背景技术
[0002]摩擦电纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，TENG)是一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。其具有体积小，能够将微弱的机械能转化为电能输出的特点。[0003]然而，现有技术中对摩擦电纳米发电机的使用及研究仅集中在能量的角度，例如，对摩擦电纳米发电机输出电能的收集或使用。
发明内容
[0004]本申请实施例中提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器及制造方法，以利于解决现有技术中存在的技术问题。[0005]第一方面，本申请实施例提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器，其特征在于，包括：第一转盘、第二转盘、检测单元和计算单元；[0006]第一转盘，所述第一转盘包括第一角度传感器摩擦层和第一角度传感器电极层，所述第一角度传感器摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料；[0007]第二转盘，所述第二转盘包括第二角度传感器摩擦层和第二角度传感器电极层，所述第二角度传感器摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料；[0008]所述第一转盘和所述第二转盘被配置为：所述第一转盘和所述第二转盘可相对转动，当所述第一转盘和所述第二转盘相对转动时，所述第一角度传感器摩擦层和所述第二角度传感器摩擦层相互摩擦，且在所述第一角度传感器电极层和所述第二角度传感器电极层之间产生电势差；[0009]所述检测单元，用于检测所述第一角度传感器电极层和所述第二角度传感器电极层之间输出的电信号；[0010]所述计算单元，用于根据所述电信号确定所述第一转盘和第二转盘的相对旋转角度。
[0011]在一种可选实施例中，所述第一转盘和所述第二转盘平行设置，所述第一转盘和所述第二转盘沿垂直于所述第一转盘或所述第二转盘所在平面的轴心旋转。[0012]在一种可选实施例中，所述第一转盘和/或所述第二转盘为圆形，所述轴心穿过所述第一转盘和/或所述第二转盘的圆心点。[0013]在一种可选实施例中，在初始位置时，所述第一角度传感器摩擦层和所述第二角度传感器摩擦层中纳米纤维的相对角度为0°。
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说 明 书
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在一种可选实施例中，所述第一角度传感器摩擦层为聚偏氟乙烯纳米纤维膜，所
述第二角度传感器摩擦层为尼龙纳米纤维膜。[0015]第二方面，本申请实施例提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器的制造方法，包括：
[0016]采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料；
[0017]将所述各向异性纳米纤维薄膜材料作为上述第一方面任一项所述的角度传感器的第一角度传感器摩擦层和第二角度传感器摩擦层，组装获得所述各向异性摩擦电纳米发电机。
[0018]在一种可选实施例中，所述采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料，具体包括：
[0019]配制静电纺丝溶液；
[0020]将所述静电纺丝溶液置于喷射装置中，利用静电纺丝方法在旋转的滚筒表面纺制得到各向异性纳米纤维薄膜材料。[0021]在一种可选实施例中，所述方法还包括：[0022]通过调整所述滚筒的转速，调整各向异性纳米纤维薄膜材料中纳米纤维的有序度。
[0023]在一种可选实施例中，所述滚筒的表面为铝箔，所述各向异性纳米纤维薄膜材料纺制在所述铝箔的表面。
[0024]在本申请实施例提供的技术方案中，利用各向异性摩擦电纳米发电机的两摩擦层中纳米纤维的相对角度不同输出的不同电信号特点，制备角度传感器，实现各向异性摩擦电纳米发电机在信息层面的应用。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的结构示意图；
[0027]图2为本申请实施例提供的一种各向异性纳米纤维薄膜的相对角度与短路电流的对照图；
[0028]图3为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法流程示意图；
[0029]图4为本申请实施例提供的一种静电纺丝系统结构示意图；
[0030]图5为本申请实施例提供的一种不同转速的滚筒下制备得到的纳米纤维薄膜的电镜图；
[0031]图6为本申请实施例提供的一种基于摩擦电纳米发电机的角度传感器的结构示意图；
[0032]图7为本申请实施例提供的一种基于摩擦电纳米发电机的角度传感器的制造方法流程示意图；
[0033]图中的符号表示为：110-第一摩擦单元，111-第一电极层，112-第一摩擦层，120-4
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第二摩擦单元，121-第二电极层，122-第二摩擦层，401-喷射装置，402-滚筒，403-高压电源，404-推进装置，405-出液孔，600-角度传感器，610-第一转盘，611-第一角度传感器摩擦层，612-第一角度传感器电极层，620-第二转盘，621-第二角度传感器摩擦层，622-第二角度传感器电极层。
具体实施方式
[0034]为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0035]本申请实施例提供的角度传感器依托各向异性摩擦电纳米发电机实现，为了便于本领域的技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，以下首先对各向异性摩擦电纳米发电机进行详细介绍。
[0036]图1为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的结构示意图，如图1所示，所述各向异性摩擦电纳米发电机包括第一摩擦单元110和第二摩擦单元120。[0037]其中，所述第一摩擦单元110包括第一摩擦层112和第一电极层111，所述第一摩擦层112为各向异性纳米纤维薄膜材料；所述第二摩擦单元120包括第二摩擦层122和第二电极层121，所述第二摩擦层122为各向异性纳米纤维薄膜材料。所述第一摩擦单元110和所述第二摩擦单元120被配置为：所述第一摩擦单元110和所述第二摩擦单元120可以相对运动，当所述第一摩擦单元110和所述第二摩擦单元120相对运动时，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122相互摩擦，且在所述第一电极层111和所述第二电极层121之间产生电势差。[0038]以垂直接触-分离模式摩擦电纳米发电机为例进行说明。当外界施加压力时，第一摩擦层112和第二摩擦层122相互摩擦，第一摩擦层112和第二摩擦层122间发生电荷转移，形成摩擦电荷；压力释放后，第一摩擦层112和第二摩擦层122自动分开，由于第一摩擦层112和第二摩擦层122之间存在空隙，第一摩擦层112和第二摩擦层122上的电荷不能完全中和，形成电势差；为了平衡这个电势差，电荷沿外电路沿相反方向流动，形成电流。如此周期性的施加压力，将会持续产生交流电流信号。[0039]可理解，图1所示仅是本申请实施例所列举的一种摩擦电纳米发电机的具体形式，并不应当将其作为本申请保护范围的限制，例如除了图1所示垂直接触-分离模式的摩擦电纳米发电机以外，还可以为水平滑动模式、单电极模式和独立层模式，其均应当处于本申请的保护范围之内。
[0040]需要指出的是，在本申请实施例中，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122均为各向异性纳米纤维薄膜材料，该各向异性纳米纤维材料即有序排列的纳米纤维材料，在其它条件不变的情况下，当第一摩擦层112和第二摩擦层122的纳米纤维相对角度不同时，第一电极层111和第二电极层121之间产生的电信号不同，该电信号可以为电压信号或电流信号。
[0041]图2为本申请实施例提供的一种各向异性纳米纤维薄膜的相对角度与短路电流的对照图，如图2所示，在0～90°范围内,当第一摩擦层112和第二摩擦层122的纳米纤维相对
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角度不同时,第一电极层111和第二电极层121之间输出的短路电流值不同,其中,当第一摩擦层112和第二摩擦层122平行设置时,短路电流最小,当第一摩擦层112和第二摩擦层122垂直设置时,短路电流最大。基于该原理，可以利用所述第一电极层111和所述第二电极层121之间输出的不同电信号表征不同信息，实现各向异性摩擦电纳米发电机在信息层面的应用。[0042]例如，利用向异性纳米纤维薄膜材料的纳米纤维方向对肉眼不可见性，制备防伪材料，利用各向异性摩擦电纳米发电机输出的信号实现信息伪装和加密通讯等应用。[0043]在一种可选实施例中，所述第一摩擦层112为聚偏氟乙烯纳米纤维膜，所述第二摩擦层122为尼龙纳米纤维膜。[0044]在一种可选实施例中，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122的相对角度可调，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122的相对角度为所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122中纳米纤维的相对角度。
[0045]与上述各向异性摩擦电纳米发电机相对应，本申请实施例还提供了一种各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法。图3为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法流程示意图，如图3所示，其主要包括以下步骤。[0046]步骤S310：采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料。[0047]为了便于本领域技术人员更好地理解本技术方案，以下首先对静电纺丝原理进行说明。
[0048]静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，其基本原理为，聚合物溶液或熔体在强电场中通过电荷排斥引起聚合物材料雾化分裂，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物射流，聚合物射流运行一段距离后，最终固化成纤维，完成静电纺丝。本申请实施例提供的各向异性纳米纤维薄膜材料可以采用静电纺丝的方法制备。[0049]图4为本申请实施例提供的一种静电纺丝系统结构示意图，如图4所示，该系统包括喷射装置401和滚筒402，所述滚筒402设置在与喷射装置401的出液孔405相对的位置，所述出液孔405处连接高压电源403，所述滚筒402接地。工作时，喷射装置401内部填充纺丝溶液，随着喷射装置401的推进装置404推进，纺丝溶液在出液孔405处滴出，由于出液孔405处连接有高压电源403，纺丝溶液滴在高压电源403的作用下雾化分裂，形成微小射流，该微小射流射向滚筒402，随着滚筒402的旋转，在滚筒402上固化成纳米纤维，随着纳米纤维的沉积，最终在滚筒402上形成各向异性纳米纤维薄膜材料。[0050]在本申请实施例中，首先需要配制静电纺丝溶液；将所述静电纺丝溶液置于喷射装置中，利用静电纺丝方法在旋转的滚筒表面纺制得到各向异性纳米纤维薄膜材料。[0051]在一种可选实施例中，所述滚筒的表面为铝箔，所述各向异性纳米纤维薄膜材料纺制在所述铝箔的表面。基于该方案，各向异性纳米纤维薄膜可以作为摩擦层，铝箔可以直接作为电极层。[0052]可理解，在本申请实施例中要制备聚偏氟乙烯纳米纤维膜和尼龙纳米纤维膜，则需要分别配制聚偏氟乙烯纳米纤维膜和尼龙纳米纤维膜对应的纺丝溶液。[0053]聚偏氟乙烯纳米纤维膜对应的纺丝溶液制备方法为：将聚偏氟乙烯溶解在丙酮和DMF(二甲基甲酰胺)的混合溶液中，加热至溶解均匀。[0054]尼龙纳米纤维膜对应的纺丝溶液制备方法为：将尼龙溶解在甲酸和乙酸的混合溶
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液中，在室温下搅拌至溶解均匀。[0055]步骤S320：将所述各向异性纳米纤维薄膜材料作为各向异性摩擦电纳米发电机的第一摩擦层112和第二摩擦层122，组装获得所述各向异性摩擦电纳米发电机。[0056]需要指出的是，纳米纤维薄膜材料各向异性的特性是由于滚筒转动拉伸的结果。将平行于滚筒表面的方向定义为横向，垂直于滚筒表面的方向即滚筒转动的方向定义为纵向，随着滚筒的转动，纳米纤维沿纵向拉伸，而且滚筒转速越快，拉伸效果越明显。[0057]因此，在本申请一种可选实施例中，可以通过调整所述滚筒的转速，调整各向异性纳米纤维薄膜材料中纳米纤维的有序度。
[0058]图5为本申请实施例提供的一种不同转速的滚筒下制备得到的纳米纤维薄膜的电镜图，其中，图5(a)对应的滚筒的转速＜图5(b)对应的滚筒的转速＜图5(c)对应的滚筒的转速。如图5所示，随着滚筒的旋转速度的增加，得到的纤维的有序度增加，并且在纵向上拉伸的纤维膜的拉伸强度变得越来越高，表现出明显的各向异性。换句话讲，本申请实施例利用旋转物体对射流的物理牵伸作用以达到控制纤维排列方向的目的。[0059]与上述实施例相对应，本申请还提供了一种各向异性摩擦电纳米发电机的使用方法，所述方法包括：当所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122的相对角度不同时，所述第一电极层111和所述第二电极层121之间输出的电信号不同，利用所述第一电极层111和所述第二电极层121之间输出的不同电信号表征不同信息。
[0060]本申请实施例提供的角度传感器依托上述各向异性摩擦电纳米发电机实现。[0061]图6为本申请实施例提供的一种基于摩擦电纳米发电机的角度传感器的结构示意图，其中图6<ⅰ>为角度传感器的主视图，图6<ⅱ>为角度传感器的侧视图，如图6所示，该角度传感器600包括第一转盘610和第二转盘620。[0062]第一转盘610，所述第一转盘610包括第一角度传感器摩擦层611和第一角度传感器电极层612，所述第一角度传感器摩擦层611为各向异性纳米纤维薄膜材料；[0063]第二转盘620，所述第二转盘620包括第二角度传感器摩擦层621和第二角度传感器电极层622，所述第二角度传感器摩擦层621为各向异性纳米纤维薄膜材料；[0064]所述第一转盘610和所述第二转盘620被配置为：所述第一转盘610和所述第二转盘620可相对转动，当所述第一转盘610和所述第二转盘620相对转动时，所述第一角度传感器摩擦层611和所述第二角度传感器摩擦层621相互摩擦，且在所述第一角度传感器电极层612和所述第二角度传感器电极层622之间产生电势差。[0065]在一种可选实施例中，所述第一转盘610和所述第二转盘620平行设置，所述第一转盘610和所述第二转盘620沿垂直于所述第一转盘610或所述第二转盘620所在平面的轴心旋转。
[0066]在一种可选实施例中，所述第一转盘610和/或所述第二转盘620为圆形，所述轴心穿过所述第一转盘610和/或所述第二转盘620的圆心点。[0067]在本申请实施例中，第一转盘610和第二转盘620分别相当于各向异性摩擦电纳米发电机的第一摩擦单元和第二摩擦单元，当所述第一角度传感器摩擦层611和所述第二角度传感器摩擦层621中纳米纤维的相对角度不同时，输出的电信号不同，基于该原理，可以通过检测输出的电信号变化来体现第一转盘610和第二转盘620相对角度的变化，进而制备角度传感器。
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当角度传感器600转动时，第一转盘610和第二转盘620的接触面积、压力保持恒
定，短路电流只受第一角度传感器摩擦层611和第二角度传感器摩擦层621之间纳米纤维的有效接触面积影响。
[0069]在各向异性纳米纤维薄膜材料中，由于相邻纤维之间存在间隙，因此当两个不同的各向异性纳米纤维薄膜彼此平行时，纳米纤维的有效接触面积最小，输出电流信号最小。随着接触角的增加，有效接触面积增加，并且输出电流信号也增加(参见图2)。
[0070]为了将所述第一角度传感器电极层612和所述第二角度传感器电极层622输出的电信号转换为角度信息，本申请实施例提供的传感器还包括检测单元和计算单元(图中未示出)。
[0071]所述检测单元，用于检测所述第一角度传感器电极层612和所述第二角度传感器电极层622之间输出的电信号；[0072]所述计算单元，用于根据所述电信号确定所述第一转盘610和第二转盘620的相对旋转角度。
[0073]也就是说，本申请实施例利用各向异性摩擦电纳米发电机的两摩擦层中纳米纤维的相对角度不同输出的不同电信号特点，制备角度传感器，实现各向异性摩擦电纳米发电机在信息层面的应用。
[0074]图7为本申请实施例提供的一种基于摩擦电纳米发电机的角度传感器的制造方法流程示意图，如图7所示，该方法主要包括以下步骤。[0075]步骤S710：采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料。[0076]在一种可选实施例中，所述采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料，具体包括：配制静电纺丝溶液；将所述静电纺丝溶液置于喷射装置中，利用静电纺丝方法在旋转的滚筒表面纺制得到各向异性纳米纤维薄膜材料。[0077]步骤S720：将所述各向异性纳米纤维薄膜材料作为角度传感器的第一角度传感器摩擦层和第二角度传感器摩擦层，组装获得所述各向异性摩擦电纳米发电机。[0078]在一种可选实施例中，所述方法还包括通过调整所述滚筒的转速，调整各向异性纳米纤维薄膜材料中纳米纤维的有序度。[0079]在一种可选实施例中，所述滚筒的表面为铝箔，所述各向异性纳米纤维薄膜材料纺制在所述铝箔的表面。[0080]为了行文简洁，本申请实施例提供的基于各向异性摩擦电纳米发电机的角度传感器的制造方法可以参见上述各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法，其工作原理和具体内容，在此不再赘述。
[0081]需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。[0082]以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发
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明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0083]本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
[0084]以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
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