[发明专利]一种弹簧式纳米发电机及自驱动测力仪

说明书

技术领域

本发明提供了一种以弹簧为基底的压电纳米发电机，特别是一种基于这种纳米发电机的自驱动测力仪。

背景技术

“无线传感器网络”这个概念的提出和发展对于当今社会的进步和发展具有重要意义。各种不同形式的传感器，包括生物、化学、气体、压力、温度等等，都可以作为传感器网络的基础元件。但是，传统的传感器器件都需要外接一个直流电源（如电池）用于驱动这个器件，这样就给整个系统增加了很大的负担和成本，比如更换电池的成本和电池本身对系统重量的增加。

近年来，基于压电纳米发电机的自驱动压力传感器的出现，很大程度上为这个问题提出了一个可能的解决方案。这种自驱动压力传感器的原理是，当纳米发电机接收到一个加载的压力信号时，由于压电效应产生的输出电压和输出电流与所加载的压力呈正相关的关系。因此，通过分析输出电压和电流的变化即可得到加载压力的信息。但是，现有的自驱动压力传感器都是平板状的薄层器件，虽然尺寸较小，但是机械强度不高，能承受的压力源上限较低，而且总需要以一定的方式固定在某些机械部件或其他装置上，这样就有可能给这些部件的正常工作带来不便，因此在应用中受到一定的限制。另外，压力源和输出信号的稳定相关性也是制约压力传感器应用的一个关键问题。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种自驱动测力仪，主要用于工业上和交通中的压力传感和重量测试。

为了实现上述目的，本发明提供一种弹簧式压电纳米发电机，包括：

弹簧基底，

构成所述弹簧基底的弹簧丝外侧所包含的导电外表面，

与所述导电外表面外侧紧密接触的压电体层，

和，与所述压电体层外侧紧密接触的外电极，

其中，所述压电体层能在所述弹簧基底发生形变的情况下产生压电效应，并通过所述导电外表面和外电极向外电路输出电信号；

优选地，所述压电体层由压电材料构成，并且其中至少部分压电材料具有相同的晶体取向；

优选地，所述具有相同晶体取向的压电材料具有微米和/或纳米结构；

优选地，所述微米和/或纳米结构选自微米线、纳米线、微米丝、纳米丝、微米棒、纳米棒、微米柱、纳米柱、微米锥、纳米锥、微米带、纳米带、由上述微米和/或纳米结构形成的微米和/或纳米阵列、微米颗粒和纳米颗粒；

优选地，所述压电体层为薄膜或薄层，厚度为10nm-800μm；

优选地，所述压电体层的厚度为50nm-500μm；

优选地，所述压电体层由半导体压电材料、有机物压电材料和/或在有机物中掺入压电材料的复合压电材料构成；

优选地，所述半导体压电材料选自具有纤锌矿结构、闪锌矿结构、钙钛矿结构和/或铌酸锂结构的材料；

优选地，所述半导体压电材料选自ZnO、GaN、CdS、InN、GaP、GaAs、GaSb、InGaN、CdTe、CdSe、ZnSnO₃、铌酸锂和锆钛酸铅；

优选地，所述有机物压电材料为聚偏二氟乙烯；

优选地，所述压电体层是在所述导电外表面原位制备而得到；

优选地，构成所述弹簧基底的弹簧丝为导体；

优选地，所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铁、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；

优选地，所述导体为不锈钢；

优选地，构成所述弹簧基底的弹簧丝由半导体或绝缘体内芯及导电外表面构成；

优选地，所述弹簧基底选自拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧；

优选地，所述外电极选自金属、导电氧化物或导电高分子；

优选地，所述外电极为薄膜或薄层；

优选地，所述压电体层还包括第一绝缘封装层，用于填充所述微米和/或纳米结构中间的空隙；

优选地，所述第一绝缘封装层的厚度不超过所述微米和/或纳米结构的高度；

优选地，还包括第二绝缘封装层，用于将裸露的所述外电极以及弹簧丝的横截端面封闭；

优选地，所述第一绝缘封装层和/或第二绝缘封装层的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯或SU8光刻胶；

优选地，所述压电体层与所述导电外表面接触的部分为种子层，并在其上进行所述微米和/或纳米结构的原位制备；

优选地，所述导电外表面由非连续导电单元构成，并且各导电单元的材料和尺寸可以相同也可以不同。