单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器及其制备方法

本发明属于传感器，尤其是涉及一种单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器及其制备方法。

背景技术：

1、对室内人类活动及其与周围环境的互动进行连续监测，对于医疗保健应用至关重要，例如早期诊断神经系统疾病以及弱势病人在家中或医院的康复。可视摄像头作为最常用的监测工具，能以直观的方式检测人体运动，但存在近距离盲点、数据处理能力大和干扰个人日常隐私等缺点。因此，人们亟需开发另一种非接触式的有效监控技术，近年来人们对各种类型的近距离传感器进行了研究。电容式接近传感器因其配置简单、信号极性明显等优点而被长期研究，但在实际应用中仍存在固有的局限性，其中最主要的是由于容易受到环境静电荷噪声的干扰，其探测距离有限，从几毫米到几厘米不等。而磁性接近传感器由于受到外加磁源的操纵，具有更强的抗干扰能力，因此探测距离更远，但其感应对象仅限于磁性材料。对于电容式和磁性接近传感器，它们需要持续的外部供电来维持运行，这对于可穿戴传感应用来说并不方便。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中上述问题的不足之处，提出一种单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器及其制备方法，该传感器由钴-纳米多孔碳(co-npc)/ecoflex复合层作为电荷产生层、钛酸铜钙(ccto)/ecoflex复合层作为电子阻挡层和镀有高导电铜镍金属的聚酯纤维织物电极组成。在制备过程中，通过调整co-npc的碳化温度和ccto的原料含量，以及co-npc和ccto与ecoflex的组分组成，以达到最佳的电学信号输出效果。通过实验和仿真研究了器件表面微结构的形状和特征，以获得最高的输出电压，优化后的非接触式摩擦纳米发电机有效电极面积为6.25cm2，可在1厘米处提供高输出电电压为29v，能够探测到6米远的运动。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，所述传感器为一体式结构，包括三层：

4、顶层为纳米摩擦电材料co-npc与弹性高分子材料ecoflex的复合材料层，其表面具有循环方形微结构，作为高效的摩擦电荷发生器；

5、中间层为高介电常数的ccto与弹性高分子材料ecoflex的复合材料层，具有电子阻挡作用，作为电荷存储库；

6、底层为镀有高导电铜镍金属的聚酯纤维织物电极，具有柔性特点，作为器件与外部电荷测量设备的导电连接。

7、进一步的，所述co-npc通过对沸石咪唑框架-67(zif-67)晶体进行一步碳化处理制备而成。

8、进一步的，进行碳化处理时，碳化温度为800℃。

9、进一步的，所述co-npc/ecoflex层和ccto/ecoflex层之间的厚度比为3:6。

10、进一步的，所述传感器的几何厚度为1mm。

11、本发明还提供了一种传感器阵列，所述传感器阵列包括多个单电极模式非接触式teng传感器单元。

12、本发明还提供了单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器的制备方法，包括如下步骤：

13、(1)制备co-npc功能材料：

14、将3.3克六水合硝酸钴溶解在45毫升甲醇中，将3.7克2-甲基咪唑溶解在90毫升甲醇溶液中，将这两种溶液快速混合并搅拌2小时，将溶液在环境温度下老化24小时，通过离心收集所得紫色沉淀物，用甲醇和水反复洗涤，在60℃的真空炉中干燥24小时，将所得的zif-67粉末在800℃的氮气流中碳化，达到目标温度，将粉末退火5小时，然后冷却至室温，收集得到的co-npc颗粒；

15、(2)制备ccto介电材料：

16、将0.94克四水合硝酸钙、2.39克一水合乙酸铜和5.44毫升丁氧钛溶于28.8毫升2-甲氧基乙醇中，在60℃下磁力搅拌30分钟使溶液均匀化，将0.96毫升乙酸作为稳定剂滴入溶液中，得到透明的翠绿色凝胶，将所获得的凝胶型溶液在120℃下干燥以获得ccto前驱体，将前驱体溶液转移到坩埚中，并使用试管炉(tf-80s，lab.compnion)在n2环境中在1050℃下烧结2小时，获得棕色ccto；

17、(3)制备器件：

18、将聚乳酸(pla)材料通过3d打印机制备成具有循环方形表面微结构的模具，用高速匀质机在12000r/min的转速下将重量比2wt％的co-npc材料均匀分散到ecoflex-50a硅橡胶溶液中，以1:1的重量比，将ecoflex-50b固化物混入溶液中，搅拌均匀后将制备好的混合物倒在其上，抽真空去气泡后将混合物加热至50℃1小时，并将优化的ccto/ecoflex混合物倒在其上，将镀有铜镍合金的导电织物以电极的形式粘合到纳米复合材料的上表面，并加热至50℃10小时，加热后，将带有导电织物的纳米复合膜从3d打印模板上剥离下来，复合膜的厚度为1mm，总面积为6.25cm2。

19、相对于现有技术，本发明所述的单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器及其制备方法具有以下优势：

20、本发明一方面提供了单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，该传感器由co-npc/ecoflex复合层作为电荷产生层、ccto/ecoflex复合层作为电子阻挡层和镀有高导电铜镍金属的聚酯纤维织物作为外部连接电极组成。在制备过程中，通过调整co-npc的碳化温度和ccto的原料含量，以及co-npc和ccto与ecoflex的组分配比，以达到最佳的摩擦电效果。通过实验和仿真研究了器件表面微结构的形状和特征，以获得最高的输出电压。因此，优化后的非接触式teng有效电极面积为6.25cm2，可在1厘米处提供高输出电电压为29v，能够探测到6米远的运动。为了验证其在厘米到米的广泛范围内的潜在非接触式传感应用，非接触式teng传感器单元用于检测各种单一运动，如口腔呼吸，人类行走，跑步和跳跃以及篮球弹跳。本发明另一方面组装了非接触式teng传感器阵列，并演示了其功能，用于更复杂的非接触式轨迹跟踪，包括触摸板上的接近手指运动，室内人类活动和车库停车。本发明还首次将非接触式teng传感器的非接触式传感能力扩展到几米远的探测范围，有望在非接触式室内活动监测领域取得重大进展。

技术特征：

1.单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述传感器为一体式结构，包括三层：

2.根据权利要求1所述的单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述co-npc通过对沸石咪唑框架-67(zif-67)晶体进行一步碳化处理制备而成。

3.根据权利要求2所述的单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：进行碳化处理时，碳化温度为800℃。

4.根据权利要求1所述的单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述co-npc/ecoflex层和ccto/ecoflex层之间的厚度比为3:6。

5.根据权利要求1所述的单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述传感器的几何厚度为1mm。

6.一种传感器阵列，其特征在于：所述传感器阵列包括多个单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器。

7.单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结本发明提供了一种单电极模式非接触摩擦纳米发电机传感器及其制备方法，传感器为一体式结构，包括三层：顶层为纳米摩擦电材料钴‑纳米多孔碳(Co‑NPC)与弹性高分子材料Ecoflex的复合材料层，其表面具有循环方形微结构，作为高效的摩擦电荷发生器；中间层为高介电常数的钛酸铜钙(CCTO)与弹性高分子材料Ecoflex的复合材料层，具有电子阻挡作用，作为电荷存储库；底层为镀有高导电铜镍金属的聚酯纤维织物电极，具有柔性特点，作为器件与外部电荷测量设备的导电连接。本发明的非接触式摩擦纳米发电机传感器能通过分析获取的电信号的变化来检测一定近距离内目标物体的动态运动状态，器件结构简单，且无需外部供电。技术研发人员：孟垂舟,段景乐,岳刚,李鸿浩,刘腾,禹伟,郭士杰受保护的技术使用者：河北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16