[发明专利]一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法，涉及能量收集技术、微电子机械系统及呼吸监测领域，通过将摩擦纳米发电机设置为一端粘合固定，另一端可随气流摆动的仿生贝壳式结构，能够使呼吸行为的驱动幅度更大，有利于提高呼吸监测的灵敏度，可充分利用呼吸气流微能量实现自供能呼吸行为监测，相比于传统的呼吸监测传感器，不需要外部供电系统，与此同时，本发明具有结构简单、输出信号稳定、携带方便、对材料要求低、加工成本低、可大批量生产、易于安装等诸多优点，在呼吸监测领域具有较大的应用前景。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统及呼吸监测领域，具体涉及一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

呼吸作为人体重要的生理过程，是衡量人体生命体征最基本的生理指标之一，由于呼吸诊断具有连续性、非侵入性、舒适性以及人性化等优点，呼吸监测在人类健康管理或早期疾病筛查等许多研究领域已有初步研究。通常，可通过实时监测不同呼吸行为下传感器输出电学信号的改变实现对人体生命体征的实时监测。然而，传统呼吸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，开发不受外界因素限制且可无限量实时供给的便携式自供能呼吸监测传感器技术十分重要。

摩擦纳米发电机基于摩擦起电与静电感应的耦合作用，可广泛收集环境中各种形式的微能源，如风能、人体运动机械能或海洋能等，并将其转化为电信号输出。呼吸气流本身作为一种微能量，可通过设计合适的发电机结构实现易于呼吸气流自驱动的自供能呼吸监测传感器制备，实现无需外部电源的自发自主呼吸行为监测，这类呼吸气流自驱动的呼吸监测传感器突破了传统柔性传感器局限，为实现柔性可穿戴的无创呼吸监测开创了新途径，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机及其制备方法，解决传统呼吸传感器对外部电源的供电依赖大、能耗大，无法实现自供能呼吸行为监测的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种仿生贝壳式呼吸监测摩擦纳米发电机，包括摩擦电极序不同的摩擦材料一和摩擦材料二，还包括绝缘层和用于导电的电极层，所述绝缘层的上方或下方同时设有摩擦材料一和摩擦材料二，所述摩擦材料一与摩擦材料二的一端连接，所述摩擦材料一与摩擦材料二之间设有5～20°的夹角，所述夹角的张角方向呼吸出气口相对，所述摩擦材料一与摩擦材料二的非连接处可分离、接触及摩擦，所述电极层设于摩擦材料一且远离摩擦材料二的一面上。

本发明的工作原理：呼气流由夹角的张角方向进入时，摩擦材料一和摩擦材料二之间的夹角受气流作用变大，当吸气时，气流作用力消失，摩擦材料一和摩擦材料二逐渐靠近至接触，由于摩擦材料一和摩擦材料二为摩擦电极序不同的材料，得电子能力较强的材料将从得电子能力较弱的材料上吸引电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷，再次呼气，在气流作用下，摩擦材料一和摩擦材料二再次远离，两种材料相互分离，两接触面之间将会产生电势差，电极层将产生感应电荷以屏蔽静电电势差；当摩擦材料一和摩擦材料二的夹角达到最大，电极层上的感应电荷密度将达到最大；吸气过程，摩擦材料一和摩擦材料二再次靠近，电子反向流动；因此，在呼吸过程中，摩擦材料一和摩擦材料二将不断地相互远离-靠近，通过导线连接电极层，将电信号输出至静电计进行数据采集，通过移动终端观测摩擦纳米发电机的输出波形以实现自供能呼吸行为监测。

进一步地，所述绝缘层的上方同时设有摩擦材料一和摩擦材料二，且所述绝缘层的下方同时也设有摩擦材料一和摩擦材料二，上下两层所述摩擦材料一且远离摩擦材料二的一面上分别设置有电极层。

进一步地，所述绝缘层的上表面和下表面均分别设有电极层，位于绝缘层上表面的电极层的上表面上和位于绝缘层下表面的电极层的下表面上分别设置有摩擦材料一，上下层的摩擦材料一的同一端分别的相应与摩擦材料二连接，相连接的所述摩擦材料一与摩擦材料二之间设有5～20°的夹角，上下层所述摩擦材料二的弯曲角度类似贝壳形状。