阅读说明：本技术 一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法 (Breathing self-driven micro airflow sensor based on lever principle and preparation method thereof ) 是由 蒋亚东 刘勃豪 太惠玲 王斯 段再华 袁震 谢光忠 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法,包括封装腔、与封装腔连通的出气导管以及设置在封装腔内的发电单元、流量收集单元,所述发电单元包括第一摩擦单元和第二摩擦单元,所述封装腔内通过两片柔性有机薄膜长条状基板交叉形成费力杠杆,所述交叉处形成支点；距离支点远的长杠杆末端分别相对的设置有第一摩擦单元和第二摩擦单元,距离支点的近的短杠杆末端设置有流量收集单元。本发明通过结合气球涨缩与杠杆原理,使较长杠杆末端的负摩擦薄膜与其相对的正摩擦薄膜相互接触分离工作,不但有效的利用了气流的动能,而且减小了气流中的水分在器件表面凝结导致的发电机性能变差的可能性。(The invention discloses a breathing self-driven micro airflow sensor based on a lever principle and a preparation method thereof, wherein the breathing self-driven micro airflow sensor comprises a packaging cavity, an air outlet guide pipe communicated with the packaging cavity, a power generation unit and a flow collection unit, wherein the power generation unit and the flow collection unit are arranged in the packaging cavity; the tail end of the long lever far away from the fulcrum is respectively and oppositely provided with a first friction unit and a second friction unit, and the tail end of the short lever near to the fulcrum is provided with a flow collection unit. The invention combines the expansion and contraction of the balloon and the lever principle to ensure that the negative friction film at the tail end of the longer lever is contacted with the positive friction film opposite to the negative friction film for separation, thereby not only effectively utilizing the kinetic energy of the airflow, but also reducing the possibility of poor performance of the generator caused by the condensation of the moisture in the airflow on the surface of a device.)

一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、传感器和电子聚合物敏感材料领域，具体涉及一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法。

背景技术

风能作为一类普遍存在于自然界的可再生能源，其收集与利用广泛存在于人类日常生活中，比如风车灌溉、风力发电等。除此之外，针对比如人体呼吸气流大小频率检测反应人体生命体征、空调的气流大小调控、密封包装的漏气检测等微小气流的能量检测技术也十分关键，广泛应用于医疗、工农业、航天领域。近些年来由于MEMS技术的发展，微流量传感器可以比较精确地检测微小气流的变化。然而MEMS传感器对外部电源的供电依赖不仅增大了能源消耗且加剧了电池使用所带来的环境污染。因此，开发利用气流能量的自驱动微流检测技术具有十分重要的意义。摩擦纳米发电机利用摩擦起电与静电感应的耦合作用，能够将环境中的机械能直接转换为电信号输出，具有输出信号强、结构简单、成本低廉、集成度高、环境友好等优点，目前已经初步的应用在风能的收集装置上。而基于呼吸检测等微小气流的能量较小，需要对器件结构与材料进行设计以便尽可能有效地利用气流动能。

目前而言，利用气球作为载体，呼吸气流导致气球发生膨胀收缩压迫摩擦薄膜产生接触分离的装置已有报道。比如专利号为CN 2019100809659报道了一种利用气球压迫折叠薄膜与对应薄膜进行接触分离的发电单元，该装置可以同时进行呼吸气中目标气体浓度的检测。这类装置由于气流全部在气球内部运动，气流能量的利用效率得到明显的提升。然而该装置工作将导致气流直接与器件接触，其中的水分在器件表面凝结形成介电层，导致发电机输出性能下降。此外，由于摩擦薄膜具有一定的应力，需要较大的气球膨胀(较大气流量)压迫才能使摩擦薄膜通过形成形变来产生接触分离，这对微小流量的检测十分不利。因此，针对基于气球胀缩能量的高效利用方式仍然具备可研究性。

杠杆原理作为一种基础的力学原理，在各类工程领域得到了广泛的应用。针对短动力臂施加微小的运动位移可以使长阻力臂的运动位移放大，但是如果动力臂过短则会导致所需施加的动力过大，不利于杠杆的工作。因此，合适力臂长度比的器件可以在一定微小气流量驱动的前提下尽可能地产生较大的阻力臂位移。基于此，我们提出了一种基于杠杆原理的气流自驱动微流量传感器及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述目前需要较大的气流量直接的驱动摩擦薄膜产生接触分离为传感器供能，导致对微小流量的检测不便以及的气流中的水分容易在器件表面凝结形成介电层的问题，本发明的一个目的是提供一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器，包括封装腔、与封装腔连通的出气导管以及设置在封装腔内的发电单元、流量收集单元，所述发电单元包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，其特征在于，所述封装腔内通过两片柔性有机薄膜长条状基板交叉形成费力杠杆，所述交叉处形成支点；距离支点远的长杠杆末端分别相对的设置有第一摩擦单元和第二摩擦单元，距离支点的近的短杠杆末端设置有流量收集单元，流量收集单元由气球及与气球连通的进气导管组成，所述气球与短杠杆的末端固定连接；

当气流通过气球时会驱动气球进行膨胀收缩，由此带来的形变将会撬动费力杠杆，迫使发电单元产生接触分离从而得到输出电信号，通过导线将电信号引出与静电计连接。静电计可以是Keithley 6514静电计或者其他的具有类似功能的其他型号的静电计。

本发明实现了一种将气流动能转化为电能的自供能传感器，同时具备检测微小流量变化的能力；其中杠杆装置工作通过气球的微小形变“撬动”发电单元产生较大的接触分离；发电单元工作是基于摩擦起电以及静电感应相结合的原理，使得相对的薄膜在接触分离的过程中不断积累/释放电荷，从而在外电路产生交变电流；通过观察输出的信号大小与频率即可对流量大小与频率进行实时检测。

优选地，所述长杠杆与短杠杆的长度比为(2-3)：1。

优选地，所述进气导管与费力杠杆的工作平面垂直；避免气流与正负摩擦薄膜直接接触。

优选地，所述第一摩擦单元包括依次设置在长杠杆末端的导电电极和正摩擦薄膜，所述正摩擦薄膜为尼龙、丝绸、聚氨酯泡沫体、纸张中的一种或其制成的复合膜。只要是摩擦电序列偏向正电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料均满足要求；所述第二摩擦单元包括依次设置在长杠杆末端的另一导电电极和负摩擦薄膜，所述负摩擦薄膜为聚二甲基硅氧烷、铁氟龙、聚四氟乙烯中的一种或其制成的复合膜。只要是摩擦电序列偏向负电性的、十分稳定的(即很难受外界因素干扰)材料满足要求。

优选地，所述导电电极的材料为铝、镍、铜、银和金中的任意一种；所述电极的厚度为100-200nm。

进一步的，还包括设置在封装腔内上或下表面的第四摩擦单元、与第四摩擦单元对应的杠杆一侧的第三摩擦单元，其中第二摩擦单元与第三摩擦单元附着在同一个杠杆的对立面，整个器件形成三层夹膜结构；所述第三摩擦单元由依次叠层设置的衬底、导电电极、负摩擦薄膜组成，第四摩擦单元由依次叠层设置的衬底、导电电极、敏感薄膜组成；第三摩擦单元和第四摩擦单元的导电电极与另一静电计通过导线相连。

优选地，所述敏感薄膜为聚苯胺、氧化石墨烯、聚酰亚胺中的一种或其制成的复合膜。

通过不同结构补偿型相关传感器知识对两个器件数据进行处理，从而可以分别得到气流的频率、气流量与氨气的浓度；同理，将聚苯胺替换成PI(湿敏材料)、rGO(温敏材料)可以制备相应的检测气流温度、湿度的器件。本发明的另一种目的是提供一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)长条状基板以及封装腔板的制备：取柔性有机薄膜或基板，经过清洗并干燥，切割成两个长条状基板用于费力杠杆组装，并制作支点；取机玻璃基板制备成相应封装腔板；机玻璃基板厚度为3mm左右；柔性有机薄膜或基板为0.1mm聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板；

(2)制备摩擦单元：在两个长条状基板距离支点较长的末端部位蒸镀一层金导电电极，再在金导电电极的表面通过薄膜设计与制备工艺分别制备正负摩擦薄膜，从而分别得到第一摩擦单元和第二摩擦单元；在第二摩擦单元对立面蒸镀金导电电极，对应的测试腔区域粘贴金导电电极，再在金导电电极的表面通过薄膜设计与制备工艺分别制备摩擦薄膜与敏感薄膜，从而分别得到第三摩擦单元和第四摩擦单元；

(3)组装：将两个长条状基板交错装配形成费力杠杆，使正负摩擦薄膜对立放置；将带有进气导管的气球与距离支点近的两个长条状基板一端的两侧相连；使用封装腔板进行封装腔的组装，使进气导管一侧位于封装腔内部，进气导管另一端延伸到封装腔的外部，出气导管在封装腔的另一侧；从导电电极引出导线分别与静电计相连，以检测发电机的输出电压/电流信号。

优选地，所述的长条状基板包括宽长条状基板以及细长条状基板，所述宽长条状基板在支点位置割开，使细长条状基板能够从割开中穿插而过的同时不被割断。

优选地，步骤(2)中所述第一摩擦单元和第二摩擦单元中的导电电极均是通过热蒸发方法制备。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1)本发明不需要外部供电系统即可对流量实时检测，通过结合气球涨缩与杠杆原理，使较长杠杆末端的负摩擦薄膜与其相对的正摩擦薄膜相互接触分离工作，本发明与传统的自驱动微气流传感器相比，不但有效的利用了气流的动能，而且由于气流不直接与器件接触，减小了气流中的水分在器件表面凝结导致的发电机性能变差的可能性；

2)本发明通过简单的杠杆原理，可以实现气球的微小形变“撬动”发电单元产生较大的接触分离，从而相比于直接用气球驱动的装置能够检测到更小的流量变化；

3)本发明提出的结构制作简单、对材料无特殊要求、成本低、易于集成并且能够充分采集气流的动能并转换成电能输出，从而使得该装置能够自发自主地检测微小流量变化。

附图说明

图1为本发明所提供的呼吸自驱动微气流传感器的设计图；

图2为本发明收集气流动能的杠杆运动过程示意图；

图3为本发明收集气流动能的发电机理图；

图4为本发明所提供的呼吸自驱动气体流量传感器的设计图。

附图标记为：1-气球，2-长条状基板，3-第一摩擦单元，4-第二摩擦单元，5-第三摩擦单元，6-第四摩擦单元，7-进气导管，8-出气导管，9-静电计，31-正摩擦薄膜，41、51-负摩擦薄膜，61-敏感薄膜，32、42、52、62-导电电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示：一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器，包括封装腔、与封装腔连通的出气导管8以及设置在封装腔内的发电单元、流量收集单元，所述发电单元包括第一摩擦单元3和第二摩擦单元4，所述封装腔内通过两片柔性有机薄膜长条状基板2交叉形成费力杠杆6，所述交叉处形成支点；距离支点远的长杠杆6末端分别相对的设置有第一摩擦单元3和第二摩擦单元4，距离支点的近的短杠杆6末端设置有流量收集单元，流量收集单元由气球及1与气球1连通的进气导管7组成，所述气球1与短杠杆6的末端固定连接；

当气流通过气球1时会驱动气球1进行膨胀收缩，由此带来的形变将会撬动费力杠杆6，迫使发电单元产生接触分离从而得到输出电信号，通过导线将电信号引出与静电计9连接。静电计9可以是Keithley 6514静电计9。

所述长杠杆6与短杠杆6的长度比为2:1或3:1。

本申请通过结合气球1涨缩与杠杆6原理共同作用，在长阻力臂末端制备相对的摩擦薄膜，通过气球1涨缩来驱动短动力臂使杠杆6两侧的负摩擦薄膜与其相对的正摩擦薄膜31相互接触分离，从而可以实现气球的微小形变“撬动”发电装置工作。

本申请对应的发电原理如图2、图3所示。当气球1被吹起产生膨胀的瞬间，附着在气球1上下两侧的短杠杆6将会被迫张开，由于杠杆6原理，发电单元的两侧摩擦薄膜将会产生瞬间的接触作用从而产生等量的异种摩擦电荷，此时两个电极之间无电压变化(图2，图3(a))；当气球1开始膨胀时：短杠杆6张开幅度逐渐增大，由于杠杆6原理使得长杠杆6部分撬动的幅度更大，因此两侧的摩擦薄膜相应的产生较大的分离，附着在摩擦薄膜表面的导电电极为了维持整个发电单元的静电平衡，两侧电极会产生电荷流动从而形成静电屏蔽，电压逐渐上升(图2，图3(b，c))；当气球收缩时：附着在气球1上下两侧的短杠杆6将会被迫闭合，相应的长杠杆6部分闭合的幅度更大，使得两侧的摩擦薄膜开始相互靠近；为了重新产生静电平衡，由张开过程产生的电荷流动将逐渐全部返回，电压逐渐减少直到初始状态(图2，图3(d，a))。

实施例2

在实施例1的基础上，所述第一摩擦单元3包括依次设置在长杠杆6末端的导电电极和正摩擦薄膜31，所述正摩擦薄膜31为尼龙、丝绸、聚氨酯泡沫体、纸张中的一种或其制成的复合膜。所述第二摩擦单元4包括依次设置在长杠杆6末端的另一导电电极和负摩擦薄膜，所述负摩擦薄膜为聚二甲基硅氧烷、铁氟龙、聚四氟乙烯中的一种或其制成的复合膜。

进一步的，所述导电电极的材料为铝、镍、铜、银和金中的任意一种；所述电极的厚度为100-200nm。

实施例3

如图4所示，在实施例1或2的基础上，一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器，还包括设置在封装腔内上或下表面的第四摩擦单元6、与第四摩擦单元6对应的杠杆6一侧的第三摩擦单元5，其中第二摩擦单元4与第三摩擦单元3附着在同一个杠杆6的对立面，整个器件形成三层夹膜结构；所述第三摩擦单元5由依次叠层设置的衬底、导电电极、负摩擦薄膜组成，第四摩擦单元6由依次叠层设置的衬底、导电电极、敏感薄膜61组成；第三摩擦单元5和第四摩擦单元6的导电电极与另一静电计9通过导线相连。

通过不同结构补偿型相关传感器知识对两个器件数据进行处理，从而可以分别得到气流的频率、气流量与氨气的浓度。同理，将聚苯胺替换成PI(湿敏材料)、rGO(温敏材料)可以制备相应的检测气流温度、湿度的器件。

实施例4

本实施例1的基础上，发电单元的摩擦薄膜为经过增强型反应离子刻蚀(DRIE)进行处理的粗糙表面，也就是说，在周期性外力的作用下，摩擦薄膜层和下端电极层接触时，互相接触的表面为经过物理改性的粗糙表面，这有利于提高摩擦接触面积、敏感薄膜与外界的接触面积，从而提高发电机输出与器件检测精度。

实施例5

本实施例提供一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)长条状基板2以及封装腔板的制备：取柔性有机薄膜或基板，经过清洗并干燥，切割成两个长条状基板2用于费力杠杆6组装，并制作支点；取机玻璃基板制备成相应封装腔板；机玻璃基板厚度为3mm左右；柔性有机薄膜或基板为0.1mm聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板；

(2)制备摩擦单元：在两个长条状基板2距离支点较长的末端部位蒸镀一层金导电电极，再在金导电电极的表面通过薄膜设计与制备工艺分别制备正负摩擦薄膜，从而分别得到第一摩擦单元3和第二摩擦单元4；在第二摩擦单元3对立面蒸镀金导电电极，对应的测试腔区域粘贴金导电电极，再在金导电电极的表面通过薄膜设计与制备工艺分别制备摩擦薄膜与敏感薄膜61，从而分别得到第三摩擦单元5和第四摩擦单元6；

(3)组装：将两个长条状基板2交错装配形成费力杠杆6，使正负摩擦薄膜对立放置；将带有进气导管7的气球1与距离支点近的两个长条状基板2一端的两侧相连；使用封装腔板进行封装腔的组装，进气导管7一侧位于封装腔内部，进气导管7另一端延伸到封装腔的外部，出气导管8在封装腔的另一侧；从导电电极引出导线分别与静电计9相连，以检测发电机的输出电压/电流信号。所述的长条状基板2包括宽长条状基板2以及细长条状基板2，所述宽长条状基板2在支点位置割开，使细长条状基板2能够从割开中穿插而过的同时被不割断。步骤(2)中所述第一摩擦单元3和第二摩擦单元4中的导电电极均是通过热蒸发方法制备。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。