具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的基于液态金属和固-液摩擦界面的自驱动、免通道、可扩展传感器，从下到上依次包括基体层100、液体金属诱导层102、液态金属层103、可插拔基体支架101；

液态金属诱导层102位于基体层100上，用于润湿液态金属且用作液态金属的支撑层，并使液态金属沿着液体金属诱导层102流动；液体金属诱导层102由与液态金属接触角范围为0度到90度的材料制成；液态金属层103位于所述液体金属诱导层上表面。可插拔基体支架101布置在基体层上方，其底部插入基体层100；可插拔基体支架101面向液态金属层103的表面上从上到下依次布置有导电金属层105、负性摩擦材料层104；负性摩擦材料与液态金属的接触角为90到180度，其应具有较强电负性，以使得摩擦纳米发电机具有较高输出。

当传感器运动时，液态金属流动，从而使液态金属与负性摩擦材料层接触或分离，从而产生电信号。其中，液态金属用作摩擦纳米发电机的正性摩擦材料及电极材料，导电金属层用作摩擦纳米发电机负性摩擦材料的电极，负性摩擦材料层为不易被液态金属润湿的材料，用作摩擦纳米发电机的负性摩擦材料，与液态金属形成稳定的摩擦接触。

该传感器基于液态金属氧化膜的特点，使用具有强润湿性的材料涂覆在液体金属诱导层上，使液态金属初次流经其上后，即在强润湿性材料表面遗留一层氧化层。从而使其充当之后液态金属的流经通道。当基于液态金属的自驱动传感器倾斜时，液态金属受到重力，沿支撑层上的强润湿性材料所“预设的路径”流动。当其流经插有可插拔结构的3D基体支架时，其与不易被液态金属润湿的负性摩擦材料产生摩擦接触，TENG输出电信号。且输出信号大小随倾斜速度或角度增大而增大。

作为优选，基体层100和可插拔基体支架101由3D打印制成，所使用的材料为光敏树脂，白色尼龙或黑色尼龙。

作为优选，液体金属诱导层102选用具有强镓基液态金属润湿性的材料，其作用是增加液态金属对支撑层材料的润湿性，使得当液态金属流过支撑层后，有更多液态金属氧化物停留在衬底上。该强润湿性材料与镓基液态金属接触角范围优选0度到45度。

作为优选，液态金属为镓基液态金属。

作为优选，由于若使用的液态金属质量越大，则其与摩擦材料形成的有效接触面积越大，然而其所能承受的最大倾斜角度也越小。因此使用的液态金属质量为1.5到1.75g。

作为优选，液体金属诱导层102和液态金属层103为圆形或圆环形。

作为优选，液体金属诱导层102和液态金属层103的形状相同。

作为优选，液体金属诱导层102由橡胶材料Eco-flex制成。

作为优选，负性摩擦材料为PTFE。

作为优选，本发明的传感器很容易实现扩展，可通过将若干个传感器结构进行拼接，从而使液体金属诱导层连通，且传感器有若干个可插拔基体支架，每个可插拔基体支架面向液态金属层的表面上设置导电金属层，导电金属层表面设置负性摩擦材料层。

本发明的传感器可用于检测方位、旋转或滚动角度、速度和路程等。可以根据实际需求，设计传感器不同的形状。下面给出几个实施例进行说明。

实施例1

一种具有两个可插拔支架的基于液态金属的自驱动倾斜速度或角度传感器的制备方法，具体步骤为：

如图2所示，首先将3D打印的基体层100置于水平面上，并在其表面涂一层薄薄的强润湿性材料Eco-flex102。随后在其左侧注射一定量的液态金属，并使整个3D打印基体层倾斜一定角度(0到90度)，液态金属将在Eco-flex上流动并遗留一层氧化膜，形成其流通通道。将3D打印的基体层100向相反方向倾斜同样角度，液态金属(同时用作TENG的正性摩擦材料与电极)将沿同一流通通道回流至原处。之后将两个可插拔的3D打印支架101插在上述3D打印的基体层100上方，并在其底面依次粘贴铝箔105和PTFE104，分别用作TENG的电极和对应的负性摩擦材料，此时TENG有两个输出通道。调整可插拔的3D打印支架101高度使PTFE能与镓基液态金属充分摩擦接触。

将制作成的具有两个可插拔支架的自驱动摩擦纳米发电机以不同倾斜速率倾斜相同角度时，测试其中一个通道的输出信号，测得的TENG的输出短路电流分别如图3(a)和(b)所示。图3中，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电流幅度(单位为纳安)。不同倾斜速度对应的输出电流峰-峰值大小如图4所示，图4中，横坐标为倾斜速度(单位为度/秒),纵坐标为电流峰-峰值(单位为纳安)。由实验结果可知，倾斜角度大小相同时，倾斜速度越快，输出电流值越大，即其可以用做倾斜速度传感器。

将制作成的两端结构的自驱动摩擦纳米发电机以相同倾斜速率倾斜不同角度时，测试其中一个通道的输出信号，测得的TENG的输出短路电流分别如图5(a)和(b)所示，图5中，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电流幅度(单位为纳安)。不同倾斜角度对应的输出电流峰-峰值大小如图6所示，图中，横坐标为倾斜速度(单位为度),纵坐标为电流峰-峰值(单位为纳安)。由实验结果可知，倾斜速度大小相同时，倾斜角度越大，输出电流值越大，即其可以用做倾斜角度传感器。

实施例2

一种由两个实施例1的传感器拼接集成的基于液态金属的自驱动倾斜速度、角度及方位传感器的制备方法，具体步骤为：

将实施例1中的带有两个可插拔支架的传感器沿纵向拼接，并在纵向涂一层薄薄的Eco-flex，形成一个矩形回路，如图7所示，液态金属103在Eco-flex上流过后，将遗留一层氧化膜形成其流通通道。此时由于此四端TENG共插有四个可插拔的3D打印基体支架，即其具有四个输出通道。原本的两端(一维)传感器即扩展成四端(二维)传感器。则此时除了可以测试某一通道的输出信号大小用以传感摩擦纳米发电机的旋转速度或角度外，还可以测试四个通道是否有输出信号以传感摩擦纳米发电机的旋转方位。

实施例3

根据实际应用需求，设计了圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机，以模拟汽车方向盘的使用。一种圆环结构的基于液态金属的自驱动倾斜速度、角度及旋转方向传感器的制备方法，具体步骤为：

如图8所示，首先将3D打印的基体层100置于水平面上，并在其表面涂一层薄薄的强润湿性材料Eco-flex。随后在Eco-flex上注射一定量的液态金属，使整个3D打印基体倾斜一定角度并绕圆环圆心旋转，液态金属将沿圆环状的Eco-flex流动并在其上遗留一层氧化膜，充当液态金属的流通通道。将3D打印基体以同样倾斜角度向相反方向旋转，液态金属(同时用作TENG的正性摩擦材料与电极)将沿同一路径回流。之后将可插拔的3D打印基体支架101均匀的插在3D打印的基体层100上方，并在其底面依次粘贴铝箔和PTFE，分别用作TENG的电极和对应的负性摩擦材料。制得的圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机俯视图如图9所示。此时可以通过控制插入的可插拔3D打印基体支架个数以控制TENG的输出通道个数，即调整旋转角度传感器的分辨率。调整插入的可插拔的3D打印基体支架高度使PTFE能与镓基液态金属充分摩擦接触。

将制作成的圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机以相同倾斜角度，不同旋转速率旋转时，测试其中一个通道的输出信号大小或两相邻通道输出信号的时间间隔以表征旋转速度。将制作成的圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机以不同倾斜角度，相同旋转速率旋转时，测试其中一个通道的输出信号大小以表征倾斜角度。测试各输出通道是否有输出信号及信号的输出顺序可以表征圆环结构的自驱动摩擦纳米发电机的旋转方向(从左至右或者从右至左)。

实施例4

根据实际应用需求，设计了滚轮结构的自驱动摩擦纳米发电机，以模拟轮胎的使用。一种滚轮结构的基于液态金属的自驱动滚动角度、速度及路程传感器的制备方法，具体步骤为：

如图10所示，首先将滚轮状的3D打印基体层树立于水平面上，并在其内表面涂一层薄薄的强润湿性材料Eco-flex。随后在其底部注射一定量的液态金属，并在平面上推动上述制得的滚轮状的3D打印基体层使其滚动，液态金属将沿3D打印基体层内表面的Eco-flex流动并在其上遗留一层氧化膜，充当液态金属的流通通道。液态金属同时用作TENG的正性摩擦材料与电极。之后将可插拔的3D打印基体支架均匀的插在上述3D打印基体层内表面，并在其底面依次粘贴铝箔和PTFE，分别用作TENG的电极和对应的负性摩擦材料。可以通过控制插入的可插拔3D打印基体支架个数以控制TENG的输出通道个数，即调整滚动角度传感器的分辨率。调整插入的可插拔的3D打印基体支架高度使PTFE能与镓基液态金属充分摩擦接触。

当制作成的滚轮结构的自驱动摩擦纳米发电机以不同速度滚动时，测试相邻输出通道输出信号的时间间隔以表征其滚动速度。当制作成的滚轮结构的自驱动摩擦纳米发电机滚动时，测试输出信号所对应的通道及输出信号的个数以表征当前滚动角度和滚动路程。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。