劉 巖，歐陽(yáng)涵，劉 卓，鄒 洋，趙璐明，田靜靜，黎 鳴，江 文，李 舟

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基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)計(jì)步傳感器

劉 巖1, 2，歐陽(yáng)涵3，劉 卓2，鄒 洋3，趙璐明3，田靜靜3，黎 鳴4，江 文3，李 舟3

(1. 北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院 北京海淀區(qū) 100191；2. 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 北京海淀區(qū) 100191； 3. 中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所國(guó)家納米科學(xué)中心 北京海淀區(qū) 100083；4. 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院 北京海淀區(qū) 100083)

基于摩擦納米發(fā)電機(jī)原理，使用銅、鋁、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺等低成本易獲取材料設(shè)計(jì)出一種自驅(qū)動(dòng)計(jì)步傳感器。無(wú)電源供應(yīng)的情況下，該傳感器在受測(cè)試者走動(dòng)時(shí)可輸出最高11 V的電壓信號(hào)，跑動(dòng)時(shí)輸出超過(guò)40 V的電壓信號(hào)。通過(guò)COMSOL軟件對(duì)該傳感器進(jìn)行有限元分析，所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有良好的一致性。所獲取的信號(hào)具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，通過(guò)頻域分析可以準(zhǔn)確得出步伐頻率的分布情況。該傳感器有望應(yīng)用于下一代低耗電或完全自驅(qū)動(dòng)計(jì)步器，從而在未來(lái)的移動(dòng)大數(shù)據(jù)健康醫(yī)療領(lǐng)域和智能可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特的作用。

計(jì)步器; 自驅(qū)動(dòng); 傳感器; 摩擦納米發(fā)電機(jī)

計(jì)步器通過(guò)統(tǒng)計(jì)步數(shù)、速度、時(shí)間，距離等數(shù)據(jù)，測(cè)算卡路里或熱量消耗，用以掌控運(yùn)動(dòng)量，防止運(yùn)動(dòng)量不足，或運(yùn)動(dòng)過(guò)量的一種工具。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療健康產(chǎn)品有了更多的需求，移動(dòng)大數(shù)據(jù)健康醫(yī)療和智能可穿戴電子設(shè)備得到飛速發(fā)展，計(jì)步器便是其中比較有代表性的產(chǎn)品之一，目前最常用的計(jì)步器主要基于加速度傳感器[1]。越來(lái)越多的功能化電子產(chǎn)品被應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域，但是這些功能的實(shí)現(xiàn)在為人們的日常生活提供便利時(shí)，也讓產(chǎn)品的能源問(wèn)題變得愈加突出。雖然這些器件的能量需求并不大，但是目前的電源難以滿足器件的長(zhǎng)期持續(xù)工作，續(xù)航能力亟待提高，所以開(kāi)發(fā)一種低耗電，甚至是不耗電的傳感器件十分重要。

摩擦納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)[2-4]為解決醫(yī)療電子器件以及可穿戴器件的能源問(wèn)題提供了全新的方案，如自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器[5]、可降解生物能源器件[6]。納米發(fā)電機(jī)在不需要電源的情況下可直接感知所承受的壓力，產(chǎn)生的電信號(hào)和其所受的壓強(qiáng)以及壓強(qiáng)的變化速率直接相關(guān)，因此可以作為一種主動(dòng)式傳感器[7-8]，這種新一代傳感技術(shù)已經(jīng)被用于血壓測(cè)試[9]、流體流動(dòng)速度測(cè)試[10]、汽車速度和流量檢測(cè)[11]等領(lǐng)域。本文采用摩擦發(fā)電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種自驅(qū)動(dòng)計(jì)步傳感器并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試研究。

1 計(jì)步器結(jié)構(gòu)

計(jì)步器封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置的設(shè)計(jì)基于全封裝結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。首先在100 μm厚的聚酰亞胺薄膜上通過(guò)磁控濺射沉積一層約為50 nm的銅，聚酰亞胺作為摩擦層而Cu作為集電極。其中聚酰亞胺薄膜表面通過(guò)電感耦合等離子體刻蝕出直徑200～300 nm、高度為1～2 μm的柱狀納米陣列，如圖1b所示。表面電化學(xué)腐蝕納米改性的鋁片作為另一個(gè)摩擦層和電極，在兩層摩擦層的中間放置兩個(gè)厚度為400 μm的聚二甲基硅氧烷作為墊片，其中納米結(jié)構(gòu)的引入對(duì)于器件信號(hào)的提升起著決定性作用。使用銀漿連接漆包線引出電極，然后使用聚二甲基硅氧烷對(duì)該器件進(jìn)行封裝，封裝對(duì)于器件的抗干擾能力十分重要。

a. 計(jì)步傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

b. kapton薄膜表面微納結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖片

c. 計(jì)步傳感器工作示意圖

d. 計(jì)步傳感器的實(shí)物圖片

圖1 計(jì)步器封裝結(jié)構(gòu)

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖

2 計(jì)步傳感器工作原理

在施加外力的情況下，兩個(gè)摩擦層相互接觸，摩擦效應(yīng)使表面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。摩電序的不同導(dǎo)致負(fù)電荷從鋁片表面注入到聚酰亞胺中，鋁片呈現(xiàn)出正電性，聚酰亞胺呈現(xiàn)出負(fù)電性，隨著兩個(gè)摩擦層發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)電極間伴隨著產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差可用如下方程表示[12]：

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文實(shí)驗(yàn)中，將計(jì)步傳感器置于受測(cè)試者鞋墊與鞋底之間，使用示波器(泰克3040)接收傳感器輸出的電壓信號(hào)，實(shí)驗(yàn)者使用不同的步態(tài)，分別為走動(dòng)200 s、跑動(dòng)200 s、跳動(dòng)30 s，然后采集不同動(dòng)作下的電壓信號(hào)。通過(guò)COMSOL軟件使用有限元方法對(duì)不同動(dòng)作下器件的電壓輸出進(jìn)行擬合計(jì)算。

4 結(jié)果討論

4.1 不同動(dòng)作下電壓信號(hào)分析

在步行的情況下，鞋與地面接觸，腳和底邊對(duì)鞋墊及植入鞋墊的計(jì)步器產(chǎn)生擠壓，器件輸出一個(gè)正的電壓，峰值約為11 V。當(dāng)鞋離開(kāi)地面時(shí)壓力釋放，摩擦層相互分離，器件輸出一個(gè)負(fù)的電壓，峰值約為-5 V。當(dāng)腳抬至最高點(diǎn)向下踏步時(shí)器件再一次受到擠壓輸出一個(gè)較小的正電壓，峰值達(dá)到隨即壓力得到釋放，再一次輸出一個(gè)較小的負(fù)電壓，峰值約為-3 V，整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期約為2 s。跑步情況下輸出規(guī)律與步行類似，電壓信號(hào)是步行情況下的4～5倍。跳動(dòng)情況下電壓信號(hào)峰值為間隔很短的雙峰，主要是由于跳動(dòng)過(guò)程中鞋與地面接觸后快速回彈然后在重力作用下與地面再次接觸對(duì)傳感器產(chǎn)生擠壓而形成的。

4.2 傳感器件的有限元分析

通過(guò)COMSOL軟件使用有限元方法對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行擬合，如圖3所示。由分析結(jié)果可以得出，走動(dòng)時(shí)傳感器的輸出峰值為17.5 V，跑動(dòng)時(shí)傳感器的輸出峰值為39.2 V，跳動(dòng)時(shí)其輸出峰值高達(dá)51.3 V，擬合結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果一致。

時(shí)間/s

a. 走動(dòng)情況下的電壓輸出

時(shí)間/s

b. 跑動(dòng)情況下的電壓信號(hào)

時(shí)間/s

c. 跳動(dòng)情況下的電壓輸出

d. 走動(dòng)情況下有限元分析得出的器件周圍電勢(shì)分布結(jié)果

e. 跑動(dòng)情況下有限元分析得出的器件周圍電勢(shì)分布結(jié)果

f. 跳動(dòng)情況下有限元分析得出的器件周圍電勢(shì)分布結(jié)果

4.3 頻域分析

得益于該傳感器良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，可以對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行頻域分析，如圖4所示。

頻率/步×min-1

a. 走動(dòng)情況下運(yùn)動(dòng)步伐頻率的分布

頻率/步×min-1

b. 跑動(dòng)情況下運(yùn)動(dòng)步伐頻率的分布

圖4 運(yùn)動(dòng)步伐頻率的分布

通過(guò)對(duì)走動(dòng)和跑動(dòng)情況下200 s內(nèi)測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，走動(dòng)時(shí)受測(cè)試者的步伐頻率為30 步/min，跑動(dòng)時(shí)頻率高達(dá)100 步/min。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于摩擦納米發(fā)電機(jī)提出了一種自驅(qū)動(dòng)計(jì)步傳感器，不需要電源的供電即可輸出電壓信號(hào)，在跑動(dòng)時(shí)最高電壓輸出可達(dá)50 V。有限元分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)值具有良好的一致性。該傳感器所獲取的信號(hào)具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，通過(guò)頻域分析可以準(zhǔn)確得出步伐頻率的分布情況。該傳感器有望應(yīng)用于新一代的低耗電或完全自驅(qū)動(dòng)的計(jì)步器，在未來(lái)的移動(dòng)，大數(shù)據(jù)健康醫(yī)療領(lǐng)域以及可穿戴智能電子設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特的作用。

[1] GARCIA E, DING H, SARELA A, et al. Can a mobile phone be used as a pedometer in an outpatient cardiac rehabilitation program?[C]//2010 IEEE/ICME International Conference on Complex Medical Engineering (CME). [S.l.]: IEEE, 2010: 250-253.

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編 輯 漆 蓉

Self-Powered Pedometer Based on Triboelectric Nanogenerator

LIU Yan1, 2, OUYANG Han3, LIU Zhuo2, ZOU Yang3, ZHAO Lu-ming3, TIAN Jing-jing3, LI Ming4, JIANG Wen3, and LI Zhou3

(1. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University Haidian Beijing 100191; 2. School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University Haidian Beijing 100191; 3. Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences, National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) Haidian Beijing 100083; 4.Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science & Technology Beijing Haidian Beijing 100083)

A self-powered pedometer based on triboelectric nanogenerator is designed and presented. The sensor is composed of accessible and low-cost materials such as Al, Cu, polydimethylsiloxane (PDMS) and Kapton. The output voltage of the sensor can reach 11 V and 40 V when the subject with the sensor goes for a walk or run, respectively. Finite element methods is used to calculate the potential distribution of the sensor via COMSOL, and the simulation results correspond well with the experiment results. The electrical signal has good stability and repeatability. The pace frequency distribution can be precisely obtain via the frequency-domain analysis of signal character. This sensor has the potential applications in the next generation pedometer with low power consumption or even self-powered ability. This will play a unique role in the fields of health care and smart wearable electronics.

pedometer; self-powered; sensor; triboelectric nanogenerator

TP212.3

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.05.023

2016-10-09;

2017-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(31571006)；北京市拔尖人才基金(2015000021223ZK21)

劉巖(1981-)，男，博士生，主要從事航空材料、生物材料及納米傳感系統(tǒng)方面的研究.