[发明专利]摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法

说明书

摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法，其中，摩擦纳米发电机包括基底、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：基底为纳米纤维膜；第一摩擦层为电极材料，印刷于基底表面以形成导电网络；第二摩擦层为纳米纤维膜，设置于第一摩擦层的上方；第一摩擦层和第二摩擦层在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。由于基底及第二摩擦层采用纳米纤维膜，因此透气性能好、结构柔软，相较于现有方案，能很好的满足可穿戴电子设备的要求；且纳米纤维膜表面具有微纳米结构，其有利于基底表面电极材料的附着，能够提高器件的灵敏度，而由于宏观上相对光滑，因此可实现精细化电极的印刷。

技术领域

本公开属于传感器和绿色新能源领域；更具体地涉及一种摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法。

背景技术

现代科技的发展促使越来越多的可穿戴电子设备走进人们的生活，如智能眼镜、运动手环、健康监测传感器等。摩擦纳米发电机，不仅可以收集环境中的机械能作为能源使用，还能将机械能转化为电能的信号，作为传感器的使用。但是目前得摩擦纳米发电机采用的材料大部分都是塑料，在透气性方面有很大的缺陷，作为可穿戴设备时舒适度较低。此外，目前有一部分采用布料做可编织的摩擦纳米发电机，以收集人体机械能，但是由于电极的存在及摩擦材料的选择，所制备的可穿戴器件在舒适度上仍面临很大的挑战。

总的来说，摩擦材料和电极材料的不透气性极大的限制了目前可穿戴设备上的应用。再者，目前的电极材料大部分为金属材料如铝箔、铜箔或氧化铟锡等，其在不断弯曲的过程中容易产生裂纹发生断裂，而又由于电极材料在电子设备中有着十分重要的地位，因此现有的电极材料在做柔性电极时有很大的局限性。

印刷电子技术在构筑导电网络、制备图案化电极等方面有很大的优势。但是一般材料的表面印刷电极存在两个难点，一是印刷基底表面的光滑度低，二是印刷的电极材料与基底材料的附着力弱。而高的加工精度对材料表面的平滑度有很大的要求。此外，虽然基底材料表面的微纳米结构有利于提高印刷电极和基底之间的结合力，同时能够提高传感器件的灵敏度，但目前大部分印刷材料的基底材料为不透气的，作为可穿戴产品有很大的局限性，皮肤长时间的与这种不透气的材料接触的时候会引发炎症等疾病。因此，基底材料的透气性对制备透气性的电极起着至关重要的作用。

公开内容

基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，提出一种摩擦纳米发电机，包括基底、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：基底为纳米纤维膜；第一摩擦层为电极材料，印刷于基底表面以形成导电网络；第二摩擦层为纳米纤维膜，设置于第一摩擦层的上方；第一摩擦层和第二摩擦层在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。

在本公开的一些实施例中，上述纳米纤维膜的材质为高分子材料，包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和/或聚酰胺。

在本公开的一些实施例中，上述纳米纤维膜的厚度不大于50μm；该纳米纤维膜中纤维的直径小于600nm。

在本公开的一些实施例中，上述电极材料为导电纳米材料，包括金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管和/或石墨烯；其中，所述金属纳米颗粒与金属纳米线采用的金属包括金、银、铜、铝或镍。

在本公开的一些实施例中，上述第二摩擦层为拱形结构，其两端固定于基底表面；在外界作用下，第二摩擦层的弧形部分结构和第一摩擦层接触/分离。

在本公开的一些实施例中，上述电极材料的厚度为5～30μm，以保证良好的导电性。

为了实现上述目的，本公开还提出一种可穿戴传感器，包括上述的摩擦纳米发电机。