摩擦納米發電機、應用其的監測裝置和自驅動卡片燈的制作方法

本發明涉及納米發電領域，具體地，涉及一種摩擦納米發電機、應用該摩擦納米發電機的檢測裝置和自驅動卡片燈。

背景技術：

越來越多的人被睡眠紊亂所困擾，在臨床診斷中，主要通過多導睡眠監測系統診斷患者的睡眠情況。睡眠監測指數包括EEG、ECG、EOG、EMG、胸腹式呼吸運動、鼾聲、脈搏、血氧飽和度、脈搏波、呼吸頻率、體位等。通過多導睡眠監測系統記錄并分析睡眠時各種生理參數，可以實現對睡眠障礙、睡眠呼吸紊亂和睡眠呼吸暫停、低通氣綜合征疾病的分析、診斷。然而，該系統耗電量大，設備龐大和繁雜，給患者的使用和醫護人員的操作帶來了不便。

因此，需要一種自驅動的無需額外電源的傳感器來監測睡眠中肢體運動、體位變化等。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種摩擦納米發電機、應用其的監測裝置和自驅動卡片燈，以解決上述現有技術中的問題。

為了實現上述目的，本發明提供一種摩擦納米發電機，其中，該摩擦納米發電機包括：第一發電部件；以及第二發電部件，所述第二發電部件具有凹陷部、比所述凹陷部的凹陷面高第一預定距離的第一支撐面和比所述凹陷部的凸起面高第二預定距離的第二支撐面，所述第一支撐面和所述第二支撐面分別與所述第一發電部件接觸，在靜止狀態下所述第一發電部件在所述第一支撐面和所述第二支撐面的支撐作用下不與所述凹陷部接觸，而在外力作用下所述第一發電部件發生形變而與所述凹陷部接觸或分離，并基于該形變產生并輸出電信號。

優選地，所述第一發電部件的數量為一個，所述第二發電部件夾在折疊后的所述第一發電部件之間以使所述第一支撐面和所述第二支撐面分別與所述第一發電部件接觸。

優選地，所述第一發電部件的數量為兩個，所述第二發電部件夾在兩個所述第一發電部件之間以使所述第一支撐面和所述第二支撐面分別與所述第一發電部件接觸。

優選地，所述第一發電部件包括有機高分子薄膜層、金屬薄膜層和微結構層，在外力作用下所述微結構層與所述凹陷部接觸或分離，且在接觸和分離的過程中，所述微結構層與所述凹陷部之間產生摩擦電勢差。

優選地，所述有機高分子薄膜層的材料選自以下中的至少一種：聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、對二甲苯環二體、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

優選地，所述金屬薄膜層為鋁薄膜層。

優選地，所述微結構層為以下結構中的一種或多種形成的陣列：納米線、納米管、納米棒和納米柱。

優選地，所述微結構層的材料為流延聚丙烯。

優選地，所述有機高分子薄膜層的厚度范圍為12μm至40μm，所述金屬薄膜層的厚度范圍為30μm至50μm，所述微結構層的厚度范圍為20μm至100μm。

優選地，所述第二發電部件的材料為金屬，所述金屬選自以下中任一者：銅、鐵和錳鋼。

本發明還提供了一種監測裝置，其中，包括上述的摩擦納米發電機，用于肢體運動監測的壓力傳感器。

優選地，所述摩擦納米發電機輸出的電信號數據通過遠程控制技術發送給監測機構。

本發明還提供了一種自驅動卡片燈，其中，包括上述的摩擦納米發電機，將所述摩擦納米發電機的輸出端連接至照明部件。

通過上述技術方案，將所述第二部件設置為具有凹陷部、分別與所述第一發電部件接觸的第一支撐面和第二支撐面，在靜止狀態下所述第一發電部件在所述第一支撐面和所述第二支撐面的支撐作用下不與所述凹陷部接觸，而在外力作用下所述第一發電部件發生形變而與所述凹陷部接觸或分離，并基于該形變產生并輸出電信號。由此，本發明上述的摩擦納米發電機能夠將機械能轉換為電能，且其輸出的電信號的變化能夠反映施加至該發電機的外力變化，從而可以將該摩擦納米發電機用做自驅動的壓力傳感器，實現壓力的檢測。

本發明的其它特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機的結構示意圖；

圖2是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機的第二發電部件的示意圖；

圖3是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機的工作原理示意圖；

圖4是根據本發明一種實施方式的基于不同直徑的納米柱的摩擦納米發電機的輸出電壓比較示意圖；

圖5是根據本發明一種實施方式的基于不同直徑的納米柱的摩擦納米發電機的輸出電流比較示意圖；以及

圖6是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機用于睡眠監測中的肢體運動監測的電壓輸出示意圖。

附圖標記說明

1 第一發電部件 2 第二發電部件

10 有機高分子薄膜層 11 金屬薄膜層 12 微結構層

20 凹陷部 21 第一支撐面 22 第二支撐面

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。

圖1是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機的結構示意圖。

如圖1所示，本發明一種實施方式提供的摩擦納米發電機包括：第一發電部件1；以及第二發電部件2，所述第二發電部件2具有凹陷部20、比所述凹陷部20的凹陷面高第一預定距離的第一支撐面21和比所述凹陷部20的凸起面高第二預定距離的第二支撐面22，所述第一支撐面21和所述第二支撐面22分別與所述第一發電部件1接觸，在靜止狀態下所述第一發電部件1在所述第一支撐面21和所述第二支撐面22的支撐作用下不與所述凹陷部20接觸，而在外力作用下所述第一發電部件1發生形變而與所述凹陷部20接觸或分離，并基于該形變產生并輸出電信號。

通過上述技術方案，將所述第二部件設置為具有凹陷部、分別與所述第一發電部件接觸的第一支撐面和第二支撐面，在靜止狀態下所述第一發電部件在所述第一支撐面和所述第二支撐面的支撐作用下不與所述凹陷部接觸，而在外力作用下所述第一發電部件發生形變而與所述凹陷部接觸或分離，并基于該形變產生并輸出電信號。由此，本發明上述的摩擦納米發電機能夠將機械能轉換為電能，且其輸出的電信號的變化能夠反映施加至該發電機的外力變化，從而可以將該摩擦納米發電機用做自驅動的壓力傳感器，實現壓力的檢測。

本發明還提供了一種監測裝置，其中，包括上述實施方式中所述的摩擦納米發電機，用于肢體運動監測的壓力傳感器。

本發明還提供了一種自驅動卡片燈，其中，包括上述實施方式中所述的摩擦納米發電機，將所述摩擦納米發電機的輸出端連接至照明部件。

舉例來講，可以將本發明上述的摩擦納米發電機用做用于睡眠監測中的肢體運動監測的壓力傳感器或是用于制作用于應急照明的自驅動卡片燈。

在例如用作用于睡眠監測中的肢體運動監測的壓力傳感器的情況下，由于無需外部額外供電設備進行供電，且具有質量輕、體積小等優點，所以方便了患者的使用和操作。例如，患者可以在家測試，并將輸出的電信號數據通過遠程控制技術發送給監測機構例如醫療中心，從而醫生可以進行遠程監控和會診。除了睡眠檢測，應用本發明提供的摩擦納米發電機的檢測裝置也可以應用在其他疾病的檢測中，例如步態檢測、計步等，還可以應用在一些慢性病的檢測中，檢測肢體的運動等情況。

其中，對于遠程控制技術，可以采用現有技術中已有的遠程控制方法和系統實現數據的傳遞，本發明不對此進行限定。例如，摩擦納米發電機輸出的電信號可以利用各種移動終端(手機、筆記本電腦、平板電腦等)經由網關通過因特網或通信塔傳遞至醫療中心(救護車等)以供醫生分析使用。

在例如用于制作用于應急照明的自驅動卡片燈的情況下，將摩擦納米發電機的輸出端連接至照明部件例如外部LED燈，按壓時第一發電部件1發生形變而與所述凹陷部20接觸和無壓力時第一發電部件1自行復位而與凹陷部20分離的過程產生電子運動，可以使得發電機輸出的電信號為外部LED燈供電而點亮LED等，從而實現應急照明作用。由于摩擦納米發電機具有質量輕、體積小等優點，所以由此制成的自驅動卡片燈便于攜帶，方便使用。

在本發明中，第二發電部件2包括凹陷部20、第一支撐面21和第二支撐面22的結構可以稱為雙面凹陷結構。圖2是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機的第二發電部件的示意圖。例如，如圖2所示，凹陷部20為向下中空凹陷的部分；凹陷部20相對于第一支撐面21為凹陷狀態；而相對于第二支撐面22而言由于凸起面低于第二支撐面22(例如，凸起面的凸起高度小于第二支撐面22的高度)，所以也可以稱之為凹陷狀態。由于

本領域技術人員應當理解，圖2僅僅是本發明所述的發電機的第二部件2的一個示例性側視圖，并非用于限定本發明。

其中，第一預定距離和第二預定距離可以相同，例如均為1mm。

根據本發明一種實施方式，所述第二發電部件2的材料可以為金屬，所述金屬選自以下中任一者：銅、鐵和錳鋼。

例如，第二發電部件2可以為具有凹陷部20、第一支撐面21和第二支撐面22的彈性金屬薄片。

繼續參照圖1，如圖1所示，根據本發明一種實施方式，所述第一發電部件1的數量可以為一個，所述第二發電部件2夾在折疊后的所述第一發電部件1之間以使所述第一支撐面21和所述第二支撐面22分別與所述第一發電部件1接觸(所述第一支撐面21和所述第二支撐面22分別與折疊后的所述第一發電部件1的兩個面貼合)。

通過折疊第一發電部件1的方式將第二發電部件2夾在中間，封裝的過程中只需要對三側開口進行封口操作，密封性更好。例如，可以通過熱塑機在160℃時加熱加壓封口。

其中，所述第一支撐面21和所述第二支撐面22可以被固定至所述第一發電部件1。

根據本發明一種實施方式，雖然圖1中所示的第一發電部件1的數量為一個，但可替換地，所述第一發電部件1的數量也可以為兩個，所述第二發電部件2夾在兩個所述第一發電部件1之間以使所述第一支撐面21和所述第二支撐面22分別與所述第一發電部件1接觸。

如圖1所示，所述第一發電部件1可以包括有機高分子薄膜層10、金屬薄膜層11和微結構層12，在外力作用下所述微結構層12與所述凹陷部20接觸或分離，且在接觸和分離的過程中，所述微結構層12與所述凹陷部20之間產生摩擦電勢差。

其中，所述有機高分子薄膜層10用于保護中間的金屬薄膜層11免受劃傷，并且在加工過程中保證材料的耐磨性，以及對使用過程中對器件造成的沖擊震蕩起到保護內部結構的作用。有機高分子薄膜層10的抗沖擊性能、耐穿刺性能、耐熱及絕緣性能、耐摩擦性能均表現良好。

舉例來講，在頂施加外部壓力時，上部的微結構層12和中間的凹陷部20變形(彎曲)內陷與下部的微結構層12接觸(此時，上部的微結構層12和下部的微結構層12與中間的凹陷部20的凹陷面和凸起面分別接觸)。因為微結構層12與凹陷部20的接觸電勢差，因此產生了電子的運動，從而在外電路產生了電流。當外部壓力消失后，中間的凹陷部20變形內陷部分彈起，上部的微結構層12和下部的微結構層12與凹陷部20分離，分離距離的變化使兩個接觸層的電勢差發生變化，從而引起電子的再次運動。接觸分離式的摩擦電流在施壓和釋放壓力的時候產生，如圖3所示(圖3是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機的工作原理示意圖)。

在圖3中，圖3中的(a)是摩擦納米發電機處于靜止狀態；圖3中的(b)是摩擦納米發電機正被施加外力的情況，此時摩擦發電機能夠產生電信號；圖3中的(c)是摩擦納米發電機無外力施加但尚未釋放之前的壓力的情況；圖3中的(d)是摩擦納米發電機釋放壓力的情況，此時摩擦發電機能夠產生電信號。

根據本發明一種實施方式，所述有機高分子薄膜層10的材料可以選自以下中的至少一種：聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、對二甲苯環二體、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

根據本發明一種實施方式，所述金屬薄膜層11可以為鋁薄膜層(鋁箔層)。所述微結構層12可以為以下結構中的一種或多種形成的陣列：納米線、納米管、納米棒和納米柱。其中，所述微結構層12的材料可以為流延聚丙烯(CPP)。

在第一發電部件1中所述有機高分子薄膜層10為聚酰胺(尼龍)層、金屬薄膜層11為鋁薄膜層以及微結構層12流延聚丙烯層的情況下，所述第一發電部件1可以被稱為鋁塑膜。該鋁塑膜的總厚度的范圍可以為100-200μm。

采用鋁塑膜制備摩擦納米發電機，不僅不需要在聚合物電極上額外沉積或粘接導電層，而且由于鋁塑膜具有優異的柔性、防水性能和耐磨性能，所以由此制成的摩擦納米發電機非常適于制備可穿戴的傳感器。

其中，所述有機高分子薄膜層10的厚度范圍可以為12μm至40μm，所述金屬薄膜層11的厚度范圍可以為30μm至50μm，所述微結構層12的厚度范圍可以為20μm至100μm。

根據本發明一種實施方式，以所述微結構層12為納米柱陣列(參見圖1中微結構層12上的柱狀凸起)為例對本發明的摩擦納米發電機進行說明。

其中，納米柱陣列例如可以利用氧化鋁模板通過熱塑法制備。首先將氧化鋁模板與鋁塑膜的CPP層面對面疊放，平整接觸面并夾緊。在160-200℃氛圍下放置5-15分鐘，然后冷卻至室溫。將氧化鋁模板移去后即得到CPP納米柱狀陣列。

納米柱的直徑、長度和間隔均可通過模板控制。由于納米柱可以增強摩擦起電效應，并且有利于電荷的分離，所以不同尺寸的納米柱對摩擦起電的效果產生不同影響。本領域技術人員可以根據實際情況確定納米柱的尺寸。

例如，可以選用直徑范圍在300nm-800nm之間、長度范圍在1-3μm之間的納米柱組成納米柱陣列，各個納米柱之間的間隔范圍可以為100-300nm，此時產生的電子輸出較佳。

圖4是根據本發明一種實施方式的基于不同直徑的納米柱的摩擦納米發電機的輸出電壓比較示意圖。圖5是根據本發明一種實施方式的基于不同直徑的納米柱的摩擦納米發電機的輸出電流比較示意圖。

在圖4中，曲線(a)、(b)、(c)、(d)分別表示無納米柱的摩擦納米發電機、凹陷部一側設置直徑為600nm的納米柱的摩擦納米發電機、凹陷部兩側均設置直徑為600nm的納米柱的摩擦納米發電機、以及凹陷部兩側均設置直徑為350nm的納米柱的摩擦納米發電機各自的輸出電壓示意圖。

在圖5中，曲線(a)、(b)、(c)、(d)分別表示無納米柱的摩擦納米發電機、凹陷部一側設置直徑為600nm的納米柱的摩擦納米發電機、凹陷部兩側均設置直徑為600nm的納米柱的摩擦納米發電機、以及凹陷部兩側均設置直徑為350nm的納米柱的摩擦納米發電機各自的輸出電流示意圖。

由圖4至圖5可知，具有直徑為600nm的納米柱的摩擦納米發電機產生的電流和電壓強于具有直徑為350nm的納米柱的摩擦納米發電機。雙面納米柱強于單面納米柱的摩擦起電效果。

從上述實施方式可以看出，本發明所述的摩擦納米發電機可以循環發電，性能幾乎無衰減，且其靈敏度保持不變。因此可以將其貼于身體表面(例如胳膊外側)，用于監測睡眠中的肢體運動監測。

圖6是根據本發明一種實施方式的摩擦納米發電機用于睡眠監測中的肢體運動監測的電壓輸出示意圖。

在圖6中，波峰部分所對應的是人體處于平躺狀態(此時無外力施加)，波谷部分所對應的是人體翻身至側臥狀態(此時有外力施加)。如圖6所示，睡眠過程中人的翻身運動使摩擦納米發電機的CPP面與中間的金屬薄片接觸，從而產生電壓信號。通過記錄摩擦納米發電機輸出的電壓的變化可實時記錄和監控其翻身運動。因此本發明所述的摩擦納米發電機可用作自驅動的傳感器，無需外部額外的電源設備。通過遠程控制模塊，可將該信號傳輸到醫療中心或者醫護人員的手機、筆記本電腦等終端設備，便于醫生進行監控和會診。由此，不僅方便了患者，也給醫護人員的操作和診治帶來便利。

本領域技術人員應當理解，上述關于材料、數值等的描述，僅僅是示例性的，并非用于限定本發明。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。