摩擦納米發電機的自驅動手指動作傳感器

，

(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。已研發的適用于手指發出行為指令的“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]等未來科技產業發展的一個重要問題[2]。

摩擦納米發電機[3-4]的出現很好地解決了這個問題。本文將摩擦納米發電機安裝到一個指環上，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

當手指關節彎曲擠壓時，摩擦納米發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，納米發電機會持續產生脈沖信號[6]。

3　手指動作傳感器的電信號輸出

為了證明納米發電機能用來準確感知手指彎曲的動作，采用一個模態激振器對納米發電機進行標準測試。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