摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動手指動作傳感器

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(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)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(jī)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(tǒng)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(yīng)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(lián)網(wǎng)、生物傳感[1]等未來科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問題[2]。

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

1　手指動作傳感器裝置結(jié)構(gòu)圖

摩擦納米發(fā)電機(jī)的封裝結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(gè)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(jìn)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(jī)封裝起來，增強(qiáng)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(gè)器件的尺寸為1.0 cm×0.5 cm，實(shí)物圖如圖1(c)所示，整個(gè)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(jī)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(tǒng)流程圖

當(dāng)手指關(guān)節(jié)彎曲擠壓時(shí)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩個(gè)摩擦層相互接觸，由于摩擦電效應(yīng)使兩個(gè)電極表面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電壓信號，整個(gè)過程如圖2所示。當(dāng)外力作用于納米發(fā)電機(jī)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(fù)電荷，銅箔失去電子表面帶正電荷。一旦兩個(gè)表面分開，這兩個(gè)表面之間就會產(chǎn)生電勢差，導(dǎo)致電子流動。貼附在聚四氟乙烯薄膜上的銅集電極感應(yīng)出正電荷。當(dāng)摩擦層的距離達(dá)到最大時(shí)，就會產(chǎn)生靜電平衡。隨后，當(dāng)在外力的作用下，聚四氟乙烯薄膜再次與銅箔接近時(shí)，會產(chǎn)生相反的電勢差，電子沿相反的方向流向頂部電極。當(dāng)周期性施加外力時(shí)，納米發(fā)電機(jī)會持續(xù)產(chǎn)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(jī)能用來準(zhǔn)確感知手指彎曲的動作，采用一個(gè)模態(tài)激振器對納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)如圖3(b)所示，說明摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓信號與外部壓力的大小頻率有直接關(guān)系。

圖3　傳感器的電壓輸出特性

4　應(yīng)　用

由于摩擦納米發(fā)電機(jī)有以上特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)無線手指動作控制的智能家居系統(tǒng)，包括基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的手指動作傳感器、電壓比較器模塊、單片機(jī)、WiFi模塊如圖4所示。其中電壓比較器模塊通過設(shè)定閾值檢測納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電信號，單片機(jī)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(dāng)手指彎曲時(shí)，摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)類似正弦的電壓信號，通過電壓比較器檢測納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓信號，可以將其轉(zhuǎn)化為5 V的方波信號傳輸給單片機(jī)。最后通過WiFi無線控制家用電器的開關(guān)。整個(gè)信號處理的過程如圖5所示。

圖5　信號處理流程圖

結(jié)　語