[发明专利]一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法

说明书

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法。该包括上下两个拱形结构；上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；硅油和硅油纸构成摩擦电对，同时硅油纸起到支撑结构的作用，导电铜箔胶用作导电电极。纸张具有一定的亲水性，但作为摩擦纳米发电机的组成部分，其输出信号还不足以明显的反应湿度变化，通过在纸张上添加氯化锂来增加纸张的亲水性，从而使得摩擦纳米发电机的输出信号更好的来反应湿度变化。基于摩擦纳米发电机的湿度传感器具有重量轻，体积小，稳定性好，制作简单，成本低等特点，该发明为实现自供电湿度传感系统提供了一种有潜力的解决方案。

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器。该湿度传感器可用于测量环境湿度，可广泛的应用于农业、电子工业、仓储和医疗等。研发明为实现自供电湿度传感系统提供了一种有潜力的解决方案。属于纳米能源领域。

背景技术

近几年来，随着工业物联网，环境监测和智能社区的发展，湿度传感器在无线传感器网络，电气设备，食品安全，环境保护等诸多领域发挥着越来越重要的作用。传感器的连续运行仍然依赖于传统的电力，但随之而来的是，一些关键的环境问题越来越突出，特别是与人类生活密切相关的城市环境的恶化。同时，这些传感器通常分布在难以供应能量的硬环境中。为了对抗这些，人们开始研究可以从环境中获取能量并转化为电能的方法。值得一提的是，环境“能量”是无限的。从环境中获取能量以便为便携式设备或传感器网络节点供电可以有效地解决由当前电池供电引起的一系列问题。因此，有必要找到一种方法，通过清除环境中的能量，可以使传感器开始为自己供电。

幸运的是，摩擦纳米发电机(TENG)已经发展成为新时代的新型能量收集技术，并广泛影响了传感器网络，智能机器人和物联网等其他领域的发展。到目前为止，TENG可用于从我们的环境中获取多种机械能，如人体运动，风，振动和海浪。然而，TENG的成本效率仍然相对较高，尤其是复杂结构的设计，表面纹理的复杂制造工艺以及特定工艺的昂贵设备。这限制了TENG的大规模生产和应用。直到2017年，提出了一种纸张TENG，它是用石墨铅笔涂在石墨层上形成的，并用作导电电极。它为低成本TENG的快速制造实践提供了新的思路和方法。同时，总结了摩擦纳米发电机的基础理论研究，包括其控制方程，等效电路模型和仿真方法。并且TENG具有高输出电压和低电流的特性，这可归因于大的内阻。然而，尚未研究影响内阻的因素。此外，TENG还被证明可以为各种电子设备供电，包括微悬臂梁，温度传感器和湿度传感器。但是，基于大量节点的分布式协作努力，难以提供足够的功率来维持传感器网络的连续操作。为了解决这个问题，需要将TENG设计为自供电传感器，以实现能量供应系统和传感系统的集成。

发明内容

本文提出了一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法。

本发明所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器，包括上下两个拱形结构；所述的两个拱形结构凹面相对设置，两端相互粘接；

上拱形结构包括至上向下布置的导电铜箔、底纸和硅油层，所述的下拱形结构包括至下向上布置的导电铜箔、硅油层和底纸；上拱形结构的硅油层和下拱形结构的底纸相对设置构成摩擦电对；上下拱形结构的导电铜箔构成导电电极；所述的下拱形结构的底纸凹面上设置有氯化锂颗粒；当上下两个拱形结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且上下两个导电铜箔的位置正好相对应。

优选的，所述的摩擦电对和导电铜箔来源于同一卷导电铜箔胶带；所述的导电铜箔胶带包括导电铜箔和硅油纸；硅油纸包括基纸层和硅油层；以硅油纸的基纸层作为摩擦电对的底纸，硅油纸的硅油层作为摩擦电对的硅油层。

优选的，每平方厘米底纸凹面上含氯化锂颗粒1-2mg。

本发明所述的基于摩擦纳米发电机的湿度传感器其工作原理采用的是垂直分离模型中的“电介质材料-电介质材料”模式。

所述的导电电极采用的是导电铜箔胶带，该导电胶带具有很好的导电性和柔性，适合于各种复杂环境。