摩擦納米發(fā)電機的自驅動手指動作傳感器

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(鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450001)

引　言

手指是人體中最有特色的器官之一，有著無可替代的地位。已研發(fā)的適用于手指發(fā)出行為指令的“機械手套”等雖然可以幫助完成人類無法完成的操作，但是耗能、笨重的缺陷也日益彰顯。傳統的以蓄電池為電源的傳感器具有一定的局限性，并不能適用于在各種場合感應信號并傳遞信息。因此，尋求更便捷、適用性更廣泛的無線傳感器是物聯網、生物傳感[1]等未來科技產業(yè)發(fā)展的一個重要問題[2]。

摩擦納米發(fā)電機[3-4]的出現很好地解決了這個問題。本文將摩擦納米發(fā)電機安裝到一個指環(huán)上，通過手指彎曲的微小動作可使該傳感器最大產生1.1 V的電壓，通過電壓比較器的檢測再用單片機進行處理并通過WiFi模塊無線傳輸實現家用電器的無線控制。

1　手指動作傳感器裝置結構圖

摩擦納米發(fā)電機的封裝結構如圖1(a)所示。用多孔聚四氟乙烯薄膜和銅箔作為摩擦層，將雙面導電的銅箔粘在多孔聚四氟乙烯薄膜上作為集電極，并在兩個摩擦層之間放置0.5 mm的硅橡膠作為間隔層，保證摩擦層之間有足夠的空間進行接觸分離。兩端用具有韌性的聚對苯二甲酸乙二醇酯作為基底，最后用聚酰亞胺(Kapton)薄膜將納米發(fā)電機封裝起來，增強器件的抗干擾能力。其中用雙向拉伸工藝[5]制成的多孔聚四氟乙烯薄膜的電子顯微鏡照片如圖1(b)所示。整個器件的尺寸為1.0 cm×0.5 cm，實物圖如圖1(c)所示，整個裝置組裝完成后佩戴在手指上的效果如圖1(d)所示。

圖1　手指傳感器封裝圖

圖2　摩擦納米發(fā)電機的工作原理

2　手指動作傳感器工作原理

圖4　無線手指動作控制的智能家居系統流程圖

當手指關節(jié)彎曲擠壓時，摩擦納米發(fā)電機的兩個摩擦層相互接觸，由于摩擦電效應使兩個電極表面發(fā)生電荷轉移，從而產生電壓信號，整個過程如圖2所示。當外力作用于納米發(fā)電機上，聚四氟乙烯薄膜和銅箔相互接觸，由于兩種材料對電子的吸附能力不同，聚四氟乙烯薄膜吸附電子表面帶負電荷，銅箔失去電子表面帶正電荷。一旦兩個表面分開，這兩個表面之間就會產生電勢差，導致電子流動。貼附在聚四氟乙烯薄膜上的銅集電極感應出正電荷。當摩擦層的距離達到最大時，就會產生靜電平衡。隨后，當在外力的作用下，聚四氟乙烯薄膜再次與銅箔接近時，會產生相反的電勢差，電子沿相反的方向流向頂部電極。當周期性施加外力時，納米發(fā)電機會持續(xù)產生脈沖信號[6]。

3　手指動作傳感器的電信號輸出

為了證明納米發(fā)電機能用來準確感知手指彎曲的動作，采用一個模態(tài)激振器對納米發(fā)電機進行標準測試。通過改變激振器的振動頻率，可以看到電壓信號隨著振動頻率的增加而上升，如圖3(a)所示。最后，在同一頻率下改變力的大小，得到的輸出數據如圖3(b)所示，說明摩擦納米發(fā)電機產生的電壓信號與外部壓力的大小頻率有直接關系。

圖3　傳感器的電壓輸出特性

4　應　用

由于摩擦納米發(fā)電機有以上特點，本文設計了一個無線手指動作控制的智能家居系統，包括基于摩擦納米發(fā)電機的手指動作傳感器、電壓比較器模塊、單片機、WiFi模塊如圖4所示。其中電壓比較器模塊通過設定閾值檢測納米發(fā)電機產生的電信號，單片機和WiFi模塊通過將接收到的信號無線傳輸給所需要控制的電器。當手指彎曲時，摩擦納米發(fā)電機產生一個類似正弦的電壓信號，通過電壓比較器檢測納米發(fā)電機產生的電壓信號，可以將其轉化為5 V的方波信號傳輸給單片機。最后通過WiFi無線控制家用電器的開關。整個信號處理的過程如圖5所示。

圖5　信號處理流程圖

結　語