摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法.pdf

本发明公开了一种摩擦发电机，该摩擦发电机包括：壳体，由高分子聚合物材料制成，具有弹性，内部形成有容置空腔；电极板，置放在壳体内部的容置空腔中，电极板与容置空腔的内壁面之间存在摩擦间隙，电极板与容置空腔的内壁面相互摩擦可产生电能；外置电极，设置在容置空腔的外部，电极板与外置电极为摩擦发电机的输出电极。本发明还公开了一种触压传感器及触压传感器的制作方法。本发明的摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法工艺简单，成本低，使用寿命长，容易密封，不易损坏。

1.  一种摩擦发电机，其特征在于，包括：
壳体，由高分子聚合物材料制成，具有弹性，内部形成有容置空腔；
电极板，置放在壳体内部的容置空腔中，电极板与容置空腔的内壁面之间存在摩擦间隙，电极板与容置空腔的内壁面相互摩擦可产生电能；
外置电极，设置在容置空腔的外部，电极板与外置电极为摩擦发电机的输出电极。

2.  根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，壳体上形成有开口，电极板可从壳体的开口处置放到容置空腔中，壳体的开口处设置有堵头。

3.  根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，壳体为密闭式结构，电极板直接密封在容置空腔中。

4.  根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，容置空腔中填充有隔离物，以在电极板与容置空腔的内壁面之间形成摩擦间隙。

5.  根据权利要求4所述的摩擦发电机，其特征在于，填充在容置空腔中的隔离物为气体或绝缘液体。

6.  根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，壳体内部的容置空腔的侧壁中埋设有可作为外置电极的电极层，或者壳体的外侧设置有可作为外置电极的电极层。

7.  根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，
壳体的材料为选自聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维素海绵、再生海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯 二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种；
电极板的材料为选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金中的任意一种，其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

8.  一种触压传感器，其特征在于，包括上述任一权利要求中的摩擦发电机，摩擦发电机的壳体外侧设置有用于屏蔽干扰信号的屏蔽层，触压传感器受到外力时可通过摩擦发电机产生感应电信号，并通过摩擦发电机的输出电极输出。

9.  根据权利要求8所述的触压传感器，其特征在于，摩擦发电机的外置电极为埋设在壳体内部的容置空腔的侧壁中的电极层，或设置在壳体外侧的屏蔽层。

10.  根据权利要求8所述的触压传感器，其特征在于，触压传感器的截面形状为圆形、多边形或不规则的几何形状。

11.  一种触压传感器的制作方法，其特征在于，包括制作摩擦发电机和在摩擦发电机壳体的外部缠绕屏蔽层的过程，其中，制作摩擦发电机包括以下步骤：
制作具有开口的摩擦发电机的壳体，壳体内部形成有容置空腔；
从壳体的开口处将电极板放入到壳体内部的容置空腔中，电极板与容置空腔的内壁面之间要具有摩擦间隙；
用堵头将壳体的开口处密封。

12.  一种触压传感器的制作方法，其特征在于，包括制作摩擦发电机和在摩擦发电机壳体的外部缠绕屏蔽层的过程，其中，制作摩擦发电机包括以 下步骤：
制作密闭的摩擦发电机的壳体，壳体内部形成有容置空腔；
在制作摩擦发电机的壳体的同时将电极板直接密封在壳体内部的容置空腔中，容置空腔中填充有隔离物，以在电极板与容置空腔的内壁面之间形成摩擦间隙。

13.  根据权利要求11或12所述的触压传感器的制作方法，其特征在于，在制作具有开口的摩擦发电机的壳体或密闭的摩擦发电机的壳体的时候，在壳体内部的容置空腔的侧壁中埋设电极层，以作为摩擦发电机的外置电极。

摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦发电装置，尤其涉及一种摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法。
背景技术
众所周知，物体和物体之间相互摩擦时会使一方带上负电，另一方带上正电，这种由于物体间摩擦而产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，且摩擦电的产生条件非常宽泛，因此，如果能够将摩擦电应用到发电领域，势必会给人们的生活带来更多的便利。
但目前根据摩擦发电原理制作出的摩擦发电机及应用该摩擦发电机的压力感应电缆普遍存在制作工艺复杂、制造成本较高、摩擦面积小，触压感应不灵敏等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制作工艺简单、摩擦面积大、感应灵敏的摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法。
为实现上述目的，本发明的一种摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法的具体技术方案为：
一种摩擦发电机，包括：壳体，由高分子聚合物材料制成，具有弹性，内部形成有容置空腔；电极板，置放在壳体内部的容置空腔中，电极板与容置空腔的内壁面之间存在摩擦间隙，电极板与容置空腔的内壁面相互摩擦可产生电能；外置电极，设置在容置空腔的外部，电极板与外置电极为摩擦发电机的输出电极。
一种触压传感器，包括上述摩擦发电机，摩擦发电机的壳体外侧设置有 用于屏蔽干扰信号的屏蔽层，触压传感器受到外力时可通过摩擦发电机产生感应电信号，并通过摩擦发电机的输出电极输出。
一种触压传感器的制作方法，包括制作摩擦发电机和在摩擦发电机壳体的外部缠绕屏蔽层的过程，
其中，制作摩擦发电机包括以下步骤：制作具有开口的摩擦发电机的壳体，壳体内部形成有容置空腔；从壳体的开口处将电极板放入到壳体内部的容置空腔中，电极板与容置空腔的内壁面之间要具有摩擦间隙；用堵头将壳体的开口处密封；
或者，制作摩擦发电机包括以下步骤：制作密闭的摩擦发电机的壳体，壳体内部形成有容置空腔；在制作摩擦发电机的壳体的同时将电极板直接密封在壳体内部的容置空腔中，容置空腔中填充有隔离物，以在电极板与容置空腔的内壁面之间形成摩擦间隙。
与现有技术相比，本发明的摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法具有以下优点：
本发明的摩擦发电机中的一个摩擦组件制作成内部中空的框架结构，另一摩擦组件置放在其内部，使得摩擦面积增大，从而电极之间的电势差增大，相应的，触压传感器的感应也就更灵敏，极大提高了传感器的精度，尤其可以用于感测微小压力。
本发明的摩擦发电机和触压传感器制作工艺简单，成本低，使用寿命长，容易密封，不易损坏。
附图说明
图1为本发明的触压传感器的第一实施例的横向剖视图；
图2为本发明的触压传感器的第一实施例的纵向剖视图；
图3为本发明的触压传感器的第二实施例的横向剖视图；
图4为本发明的触压传感器的第二实施例的纵向剖视图；
图5为本发明的触压传感器的第三实施例的横向剖视图；
图6为本发明的触压传感器的第三实施例的纵向剖视图；
图7为本发明的触压传感器的第四实施例的横向剖视图；
图8为本发明的触压传感器的第四实施例的纵向剖视图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种摩擦发电机、触压传感器及触压传感器的制作方法做进一步详细的描述。
本发明的摩擦发电机包括壳体和电极板。其中，壳体由高分子聚合物材料制成，具有弹性，内部形成有容置空腔；电极板置放在壳体内部的容置空腔中，电极板与容置空腔的内壁面之间存在摩擦间隙，电极板与容置空腔的内壁面相互摩擦可产生电能。
此外，本发明的摩擦发电机还包括外置电极，外置电极设置在容置空腔的外部，电极板与外置电极为摩擦发电机的输出电极。应注意的是，本发明中的外置电极可以是壳体内部的容置空腔的侧壁中埋设的电极层，或者是壳体外侧设置的电极层。
进一步，本发明的触压传感器包括上述的摩擦发电机，摩擦发电机的壳体外侧设置有用于屏蔽干扰信号的屏蔽层，触压传感器受到外力时可通过摩擦发电机产生感应电信号，并通过摩擦发电机的输出电极输出。
具体来说，如图1和图2所示，其示出了本发明的触压传感器的第一实施例的剖面图。
本实施例中，触压传感器中的摩擦发电机包括壳体1和电极板2。其中，壳体1具有弹性，内部形成有容置空腔11；电极板2置放在壳体1内部的容置空腔11中，且电极板2与容置空腔11的内壁面之间存在摩擦间隙，电极板2与容置空腔11的内壁面之间相互摩擦可产生感应电信号。
进一步，摩擦发电机的壳体1的外侧缠绕有可用于屏蔽干扰信号的屏蔽层4。其中，屏蔽层4可作为本实施例中的摩擦发电机的外置电极。也即，本实施例中，电极板2和屏蔽层4为摩擦发电机的输出电极。
进一步，摩擦发电机的壳体1上形成有开口，电极板2可从壳体1的开口处置放到容置空腔11中。此外，壳体1的开口处还设置有堵头5，以防止水及其他有害物质的进入。其中，如图1所示，本实施例中的壳体1上形成有两个开口，但根据实际需要，也可仅设置一个或更多个开口。
下面结合附图对本实施例中的触压传感器的工作原理进行简要说明：当触压传感器受到外力作用而使摩擦发电机发生机械形变时，壳体1内部的容置空腔11中的电极板2与容置空腔11的内壁面之间会相互摩擦产生静电荷，从而在电极板2和屏蔽层4上分别感应出正负电荷，由此便会导致电极板2和屏蔽层4之间出现电势差。由于电极板2和屏蔽层4之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该摩擦发电机恢复到原来状态时，这时形成在电极板2和屏蔽层4之间的内电势消失，此时已平衡的电极板2和屏蔽层4之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。在具体应用中，上述摩擦发电机在受力条件下，通过电极板2与容置空腔11的内壁面之间的摩擦，能够产生与施加到触压传感器上的压力大小一一对应的电压信号，压力与电压信号的关系优选为单调递增关系或线性关系。
进一步，本实施例中，壳体1的材料可为选自聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维素海绵、再生海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种，优选为PDMS材料。
电极板2的材料为选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金中的任意一种，其中，金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
屏蔽层4可以采用编织铜网、铜屏蔽带、铝塑复合带或铜塑复合带等来制作，具体材料可以参照电极板2的材料进行选择，此处不再赘述。
进一步，屏蔽层4的外侧还可设置保护层(图中未示)，以用于对整个触压传感器起到保护作用，防止尖锐物品划伤触压传感器。此外，如图1所示，本实施例中的触压传感器的截面形状为矩形。当然，本发明中并不局限于此，其截面形状也可为圆形、其他多边形或不规则的几何形状等。
如图3和图4所示，其示出了本发明的触压传感器的第二实施例的剖面图。本实施例与第一实施例的区别在于，摩擦发电机的壳体1内部的容置空腔11的侧壁中埋设有电极层3，该电极层3可作为本实施例中的外置电极。也即，本实施例中，设置在壳体1内部的容置空腔11中的电极板2和设置在容置空腔11的侧壁中的电极层3为摩擦发电机的输出电极。与第一实施例相比，此种方式的抗干扰性能更好。
如图5和图6所示，其示出了本发明的触压传感器的第三实施例的剖面图。与第一实施例相比，本实施例中，摩擦发电机的壳体1为密闭式结构，电极板2直接密封在壳体1内部的容置空腔11中。
进一步，壳体1内部的容置空腔11中还可填充有隔离物，以在电极板2与容置空腔11的内壁面之间形成摩擦间隙。具体来说，容置空腔11中填充的隔离物可为气体或绝缘液体等，其中，绝缘液体可为甘油等常用的具有绝缘性能的液体。
本实施例的触压传感器的原理和各组件的材料选择可参考第一实施例中所示，此处不再详述。
本实施例中由于摩擦发电机的壳体1为密闭式结构，且壳体1内部的容置空腔11中还填充有隔离物，故与第一实施例和第二实施例相比，由于采用气体或绝缘液体进行填充空腔，所以壳体1的侧壁厚进一步减小，从而可以用于感测微小压力，整个触压传感器的感应灵敏度明显提高。
如图7和图8所示，其示出了本发明的触压传感器的第四实施例的剖面图。本实施例与第三实施例的区别在于，摩擦发电机的壳体1内部的容置空腔11的侧壁中埋设有电极层3，该电极层3可作为本实施例中的外置电极。 也即，本实施例中，设置在壳体1内部的容置空腔11中的电极板2和设置在容置空腔11的侧壁中的电极层3为摩擦发电机的输出电极。与第三实施例相比，此种方式的抗干扰性能更好。
下面结合附图对本发明的触压传感器的制作工艺进行简要描述。
本发明的触压传感器的制作方法包括制作摩擦发电机和在摩擦发电机壳体的外部缠绕屏蔽层的过程。其中，制作摩擦发电机包括以下步骤：
第一种方式：
采用挤压成型或注塑成型的方式加工具有开口的摩擦发电机的壳体，壳体内部形成有容置空腔。其中，壳体的截面形状可通过更换挤压设备的成型喷嘴进行改变。
从制作完成的壳体的开口处将电极板放入到壳体内部的容置空腔中，其中，电极板与容置空腔的内壁面之间要具有摩擦间隙。
用堵头将壳体的开口处密封，以防止水及其他有害物质的进入。其中，堵头和壳体的连接形式可采用粘结或利用壳体与堵头的挤压变形方式进行夹紧。
第二种方式：
采用注塑成型和模压成型的方式制作密闭的摩擦发电机的壳体，壳体内部形成有容置空腔。
在制作摩擦发电机的壳体的同时将电极板直接密封在壳体内部的容置空腔中，其中，容置空腔中可填充有隔离物，如气体或绝缘液体等，以在电极板与容置空腔的内壁面之间形成摩擦间隙。
进一步，在摩擦发电机制作完成后，可在摩擦发电机的壳体外侧缠绕用于屏蔽干扰信号的屏蔽层。或者根据需要，还可在屏蔽层的外侧设置保护层，以防止尖锐物品划伤触压传感器。
应注意的是，通过上述方式制作的触压传感器，摩擦发电机可直接使用屏蔽层作为外置电极，也即摩擦发电机的输出电极为电极板和屏蔽层。此外，在制作具有开口的摩擦发电机的壳体或密闭的摩擦发电机的壳体的过程中，还可在壳体内部的容置空腔的侧壁中埋设电极层，以作为外置电极，也即摩 擦发电机的输出电极为电极板和电极层，此种方式制作的触压传感器抗干扰性能更好。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。