[发明专利]基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统

说明书

本发明提供了一种自驱动传感系统。该自驱动传感系统包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能，以向外电路输出电信号；和电容式传感器，其与所述摩擦纳米发电机连接，以使所述摩擦纳米发电机向所述电容式传感器供电，用于检测传感信号。本发明的自驱动传感系统能够应用在能够产生机械能的任意场合，能够实时为传感器进行供电。本发明的方案无须任何外接电源，解决了传感器的供电问题，提高了物联网设备的适应性，极大降低了系统的尺寸和重量。本发明的系统在稳定性能和可控性能方面极大提高。摩擦纳米发电机与传感器相互分开，使得摩擦材料与传感材料互不影响，扩大了材料的选择范围，且不受机械运动的频率影响，具有实际应用价值。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统。

背景技术

随着城市生活水平的不断提高和经济的不断发展，智能化的物联网给人类生活带来巨大的便利和质的飞跃，物联网的快速发展需要依靠多功能传感网络的建立和高效运行。然而，对于独立维持自身连续工作的传感器来说，供电问题成为克制其网络式发展的瓶颈。若每一个传感器必须由一个电池供电，供电系统的体积和数量过于庞大，甚至远远大于传感网络本身，这样的传感网络几乎无法实现，对于物联网的发展来说是一个巨大的限制。

若能使电子器件实现自供电或自驱动，不仅可以在很大程度上提高设备的适应性，还可以大大降低系统的尺寸和重量，将从本质上解决此类问题。由此提出了一种新型的自驱动或自供电的传感器概念，可使传感器自己通过收集环境中的能量而不利用外部电源供电进行自驱动。摩擦纳米发电机的诞生，为基于物联网的自驱动传感系统提供了一个解决方案。它是一种将机械能转化成电能的简易装置，利用摩擦纳米发电机从环境中收集能量为可持续自供电的传感器件提供新能源的新技术被视为一个有效的解决方案。

目前，基于摩擦纳米发电机的自驱动传感系统主要分为两类。第一，摩擦纳米发电机收集环境中机械能，通过整流桥处理后给电容或电池充电，再为特定的传感器供电，该类自驱动传感系统中容纳了整流桥、电容、电路等，大大增加了系统的尺寸，在物联网应用中有很大的局限性。第二，摩擦纳米发电机的摩擦材料同时作为传感材料，视摩擦纳米发电机本身为传感器件，当传感环境发生变化，摩擦材料表面电荷密度发生变化，其输出发生变化，从而达到传感目的，但材料往往容易受外界影响，温湿度或压力的改变就会导致输出变化，影响传感的准确性和稳定性，且对材料要求高，选择范围受到限制。

因此，研究出一种方便、准确、稳定的基于摩擦纳米发电机的自驱动传感系统十分有必要，这对未来实现其在便携式电子产品、电化学反应、电子逻辑电路、传感器网络和生物医学设备等多领域应用有重大意义。

发明内容

本发明的一个目的是要解决现有的自驱动传感系统体积较大、受外界环境影响较大、选择范围受限且需在特定频率下监测的技术问题。

本发明的一个进一步的目的是要解决现有的将摩擦材料和敏感材料分开的自驱动电阻式传感系统，在不同频率和相同的外界条件下，输出电压不同，容易受频率影响的技术问题。

本发明的一个进一步地目的是要解决现有的电容式传感器在获得较大的电容时，需要将多个单独的电容式传感器并联导致的系统复杂且体积较大的技术问题。

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机容性负载匹配效应的自驱动传感系统，包括：

用于检测传感信号的电容式传感器；以及

摩擦纳米发电机，与所述电容式传感器相连，且配置成用于将外部的机械能转化为电能，并向所述电容式传感器供电；其中

所述电容式传感器与所述摩擦纳米发电机具有相匹配的电容。

可选地，所述电容式传感器的电容选择为20pF-2nF中任一电容值。

可选地，报警器，其以并联的方式连接在所述电容式传感器的两端，用于在所述传感信号发生变化时发出报警信号。