【摘 要】
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加速度传感器在物联网信息感知中发挥着重要作用。目前,大部分商用加速度传感器采用电池供电,电池的大量使用不但对自然环境造成了影响,定期充电或更换电池也给工作人员带来繁琐任务。为此,基于摩擦纳米发电机的自供电加速度传感器得到了国内外学者的深入研究,在振动监测、可穿戴设备等领域取得了显著成果。然而,已报道的自供电加速度传感器仍有一些共性问题亟待解决,比如:摩擦薄膜制备工艺复杂、传感灵敏度低,影响了器件的
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加速度传感器在物联网信息感知中发挥着重要作用。目前,大部分商用加速度传感器采用电池供电,电池的大量使用不但对自然环境造成了影响,定期充电或更换电池也给工作人员带来繁琐任务。为此,基于摩擦纳米发电机的自供电加速度传感器得到了国内外学者的深入研究,在振动监测、可穿戴设备等领域取得了显著成果。然而,已报道的自供电加速度传感器仍有一些共性问题亟待解决,比如:摩擦薄膜制备工艺复杂、传感灵敏度低,影响了器件的大规模生产与商业化发展。针对上述问题,本文提出了摩擦薄膜优化新方法,设计了一类基于胡克模型的自供电加速度传感器,具体研究如下:（1）自供电加速度传感器工作机理研究。分析了摩擦纳米发电机的典型工作模式,探究了垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的工作原理,建立了“电压-加速度-电荷”理论模型,阐明了摩擦纳米发电机电学信号对摩擦层各个参数以及外界振动加速度的依赖关系,为自供电加速度传感器的设计提供了理论支撑。（2）针对当前摩擦薄膜制备工艺复杂的问题,设计了大比表面积复合介电常数增强的摩擦功能薄膜制备工艺。采用室温硫化型硅橡胶（RTV）薄膜作为摩擦材料基材,氧化锌（Zn O）和塑性聚氨酯弹性体（TPU）作为介电增强材料,砂纸作为倒模基底,分别制得Zn O-RTV薄膜和TPU-RTV薄膜。相比于单一RTV摩擦薄膜,两种复合薄膜摩擦纳米发电机最大开路电压分别提升了151%和131%,最大短路电流分别提升了111%和119%。（3）针对当前传感器灵敏度低的问题,基于“物块-弹簧”胡克模型与磁悬浮结构,设计了双螺旋自供电加速度传感器。该传感器装配Zn O-RTV薄膜,灵敏度高达16.314V/（m/s~2）,可俘获机械振动和人体运动的能量,适用于机械振动监测和判别人体运动状态,具有广泛的应用场合。（4）面向机械设备监测,基于“弹簧-物块-弹簧”胡克模型和TPU-RTV薄膜,设计了更具应用针对性、灵敏度更高的多层悬挂自供电加速度传感器。该传感器灵敏度最高可达23.082 V/（m/s~2）,俘获的能量可为小型计算器供电,适用于无源实时监测机械设备的振动加速度,及时感知设备健康状况。本研究提出了大比表面积复合介电常数增强的摩擦薄膜性能优化方法,解决了当前摩擦薄膜制备工艺复杂的问题,提升了薄膜的电学性能。利用胡克模型对外界力学信号的灵敏感知和快速恢复能力,将胡克模型与自供电传感相结合,设计了新型自供电加速度传感结构,解决了当前自供电加速度传感器灵敏度低的问题,减少了信号杂峰,提高了信号辨识度。本文为自供电加速度传感器设计提供了新思路,在机械监测、人机交互等领域具有广阔应用前景。
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