本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著城市生活水平的不斷提高和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，智能化的物聯(lián)網(wǎng)給人類生活帶來(lái)巨大的便利和質(zhì)的飛躍，物聯(lián)網(wǎng)使用信息傳感設(shè)備或傳感器來(lái)連接用戶主體和互聯(lián)網(wǎng)從而進(jìn)行通信、身份識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，通過(guò)使用大量的獨(dú)立式傳感器替代傳統(tǒng)的有限的離散傳感器，用互聯(lián)網(wǎng)收集分散的傳感器信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到精確可靠的信息。然而，對(duì)于獨(dú)立維持自身連續(xù)工作的傳感器來(lái)說(shuō)，供電問(wèn)題成為克制其網(wǎng)絡(luò)式發(fā)展的瓶頸。因電池容量有限，用上一段時(shí)間便需要更換電池，如果每一個(gè)傳感器必須由一個(gè)電池供電，供電系統(tǒng)的體積和數(shù)量過(guò)于龐大，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感網(wǎng)絡(luò)本身，這樣的傳感網(wǎng)絡(luò)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的限制。

若能使電子器件實(shí)現(xiàn)自供電或自驅(qū)動(dòng)，不僅可以在很大程度上提高設(shè)備的適應(yīng)性，還可以大大降低系統(tǒng)的尺寸和重量，將從本質(zhì)上解決此類問(wèn)題。由此提出了一種新型的自驅(qū)動(dòng)或自供電的傳感器概念，可使傳感器自己通過(guò)收集環(huán)境中的能量而不利用外部電源供電進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)。例如傳感器通過(guò)捕獲被浪費(fèi)一些機(jī)械能，像人類活動(dòng)如慢跑、自然界的風(fēng)、震動(dòng)等，把多功能傳感器集成到一個(gè)電子系統(tǒng)中，使它可以運(yùn)作成一個(gè)具備傳感、控制、通信和啟動(dòng)并響應(yīng)將成為一種潮流。摩擦納米發(fā)電機(jī)的誕生，為基于物聯(lián)網(wǎng)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)提供了一個(gè)解決方案。它是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的簡(jiǎn)易裝置，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)從環(huán)境中收集能量為可持續(xù)自供電的傳感器件提供新能源的新技術(shù)被視為一個(gè)有效的解決方案。

目前，基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)主要分為兩類。第一，摩擦納米發(fā)電機(jī)收集環(huán)境中機(jī)械能，通過(guò)整流橋處理后給電容充電，再輸出為傳感器供電，該類自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中容納了整流橋、電容、電路等，大大增加了系統(tǒng)的尺寸，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有很大的局限性；第二，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦材料同時(shí)作為傳感材料，視摩擦納米發(fā)電機(jī)本身為傳感器件，當(dāng)傳感環(huán)境發(fā)生變化，摩擦材料表面電荷密度發(fā)生變化，其輸出發(fā)生變化，從而達(dá)到傳感目的，但因?qū)Σ牧弦蟾?既有摩擦性能又有傳感性能)、受外界影響大，其可選擇范圍小，穩(wěn)定性較差，同時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出需有外部測(cè)控電路，并非實(shí)際意義上的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

因此，研究出一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)完全意義上的“自驅(qū)動(dòng)”，并具有高穩(wěn)定性、可控性的傳感系統(tǒng)以滿足應(yīng)用需求有著十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)階段存在的能源功耗與傳感問(wèn)題，提出一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，適用于電阻型傳感器，例如可以是自驅(qū)動(dòng)氣體傳感系統(tǒng)、自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器和自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器。自驅(qū)動(dòng)氣體傳感系統(tǒng)的應(yīng)用有多種，如汽車尾氣的檢測(cè)、工業(yè)上易燃易爆氣體的泄露檢測(cè)等。自驅(qū)動(dòng)光開(kāi)關(guān)應(yīng)用主要有紫外光探測(cè)器。自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器主要應(yīng)用在重量檢測(cè)方面。

本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的目的是克服摩擦納米發(fā)電機(jī)和傳感器結(jié)合帶來(lái)的缺陷。該缺陷主要是在現(xiàn)有的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中，摩擦納米發(fā)電機(jī)中的摩擦材料同時(shí)作為敏感材料，這樣兩者會(huì)相互影響，影響電信號(hào)的輸出。

此外，現(xiàn)有技術(shù)中的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，需要將納米發(fā)電機(jī)收集的能量經(jīng)過(guò)整流以及在電容中存儲(chǔ)后，將電信號(hào)輸出給傳感器，并不存在將納米發(fā)電機(jī)收集的能量直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給傳感器的方式，本申請(qǐng)開(kāi)辟了一種新的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)。

本發(fā)明提供了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括：

摩擦納米發(fā)電機(jī)，用于將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以向外電路輸出電信號(hào)；

電阻式傳感器，其與所述摩擦納米發(fā)電機(jī)直接連接，以使得所述摩擦納米發(fā)電機(jī)向所述電阻式傳感器供電，用于檢測(cè)傳感信號(hào)；和

以并聯(lián)的方式連接在所述電阻式傳感器兩端的報(bào)警器，用于在所述傳感信號(hào)大于一信號(hào)閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

其中，此處的“直接連接”是指摩擦納米發(fā)電機(jī)收集的電能并沒(méi)有經(jīng)過(guò)整流和/或在電容中存儲(chǔ)，而是直接將摩擦納米發(fā)電機(jī)收集的電能輸出至所述電阻式傳感器。

進(jìn)一步地，所述電阻式傳感器包括敏感材料層和電極層，所述敏感材料層和所述電極層為歐姆接觸；

其中，所述敏感材料層用于檢測(cè)傳感信號(hào)，其構(gòu)造成在檢測(cè)到所述傳感信號(hào)時(shí)，所述敏感材料層的電阻會(huì)發(fā)生變化，以使得所述電阻式傳感器兩端的電壓發(fā)生變化。

進(jìn)一步地，所述報(bào)警器構(gòu)造成在所述電阻式傳感器兩端的電壓大于一電壓閾值時(shí)發(fā)出聲和/或光報(bào)警信號(hào)；

可選地，所述報(bào)警器選擇成僅能依靠所述摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)與所述電阻式傳感器具有數(shù)量級(jí)相匹配的電阻；

其中，所述電阻式傳感器的電阻選擇成是所述摩擦納米發(fā)電機(jī)電阻的0.1-10倍。

特別地，本發(fā)明還提供了一種電阻式傳感器的制備方法，所述電阻式傳感器用于上述的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中，包括如下步驟：

提供一具有電極層的電阻式傳感芯片；

在所述電極層的表面施加敏感材料層，以制備成能夠檢測(cè)傳感信號(hào)的電阻式傳感器；

其中，所述敏感材料層中的敏感材料選擇成對(duì)所述傳感信號(hào)具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的材料；

所述電阻式傳感器制備成具有與所述摩擦納米發(fā)電機(jī)數(shù)量級(jí)相匹配的電阻。

進(jìn)一步地，所述敏感材料層的敏感材料選擇成氧化鎢納米棒，以檢測(cè)氣體傳感信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述氧化鎢納米棒的制備方法包括如下步驟：

將質(zhì)量比為1：1-3的鹽溶液和鎢酸鹽固體溶解于去離子水中，以形成鎢酸鹽混合溶液；

調(diào)節(jié)所述鎢酸鹽溶液的ph值至酸性，并進(jìn)行攪拌，以形成酸性混合溶液；

將所述酸性混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在100-200℃下反應(yīng)10-14h；

將反應(yīng)后的產(chǎn)物在400-800℃下進(jìn)行退火處理，以制備得到氧化鎢納米棒。

進(jìn)一步地，在所述電極層的表面涂覆敏感材料層包括如下步驟：

取一預(yù)設(shè)質(zhì)量的所述氧化鎢納米棒粉末；

在所述氧化鎢納米棒粉末中加入易揮發(fā)無(wú)機(jī)溶劑和水，以獲取氧化鎢納米棒混合物；

將所述氧化鎢納米棒混合物研磨至漿狀；

將漿狀氧化鎢納米棒混合物涂覆在所述電極層的表面，并在60-110℃下加熱2-6h，以制備得到電阻式傳感器。

特別地，本發(fā)明還提供了一種摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備方法，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)用于上述的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中，包括如下步驟：

提供兩個(gè)支撐基底，并在所述兩個(gè)支撐基底之間連接至少一個(gè)彈性元件，以模擬外界的作用力；

在所述兩個(gè)支撐基底的靠近所述彈性元件的表面分別形成上、下金屬電極層；

在所述下金屬電極層的表面施加一聚四氟乙烯膜，以將所述聚四氟乙烯膜作為第一摩擦層；

其中，所述下金屬電極層的材料選擇成既能夠作為電極材料又能夠作為摩擦材料。

進(jìn)一步地，所述聚四氟乙烯膜的微觀結(jié)構(gòu)為納米線陣列，其制備方法包括如下步驟：

利用感應(yīng)耦合等離子體方法，利用氬氣、氧氣和四氯甲烷氣體分別對(duì)納米線的表面進(jìn)行刻蝕處理，以獲得長(zhǎng)度為1-3μm的納米線陣列。

本發(fā)明的方案克服了技術(shù)偏見(jiàn)和技術(shù)習(xí)慣，摩擦納米發(fā)電機(jī)收集的電能并沒(méi)有經(jīng)過(guò)整流和/或在電容中存儲(chǔ)，而是直接輸出至所述電阻式傳感器。并且，本申請(qǐng)的發(fā)明人開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的交流電信號(hào)可以直接向與其電阻相匹配的電阻式傳感器供電，對(duì)報(bào)警器準(zhǔn)確報(bào)警并沒(méi)有任何影響。本發(fā)明的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)突破了常規(guī)思維，能夠應(yīng)用在能夠產(chǎn)生機(jī)械能的任意場(chǎng)合，能夠?qū)崟r(shí)為傳感器和報(bào)警器進(jìn)行供電，從而根據(jù)傳感信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，并且由于省略了整流橋、電容器等零部件，其體積極大縮小，成本極大降低，能夠使其廣泛應(yīng)用在微型器件。

本發(fā)明的方案無(wú)須任何外接電源，解決了傳感器的供電問(wèn)題，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的適應(yīng)性，極大降低了系統(tǒng)的尺寸和重量。本發(fā)明的系統(tǒng)在穩(wěn)定性能和可控性能方面極大提高。摩擦納米發(fā)電機(jī)與傳感器相互分開(kāi)，使得摩擦材料與傳感材料互不影響，擴(kuò)大了材料的選擇范圍，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明提供的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)適用于任何電阻型傳感器，適用范圍極廣。此外，該系統(tǒng)制作方法簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，有助于工業(yè)化應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

附圖說(shuō)明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在同一外界作用力下，摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓與電阻式傳感器電阻之間的關(guān)系圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在不同的外界作用力下，摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓與電阻式傳感器電阻之間的關(guān)系圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備方法的流程示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電阻式傳感器的制備方法的流程示意圖；

圖7是在no2氣體為100ppm時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間的變化圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)100的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)100的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，包括摩擦納米發(fā)電機(jī)100、電阻式傳感器200和報(bào)警器300。該摩擦納米發(fā)電機(jī)100用于將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以向外電路輸出電信號(hào)。該電阻式傳感器200與摩擦納米發(fā)電機(jī)100相連，以使得摩擦納米發(fā)電機(jī)100向電阻式傳感器200供電，用于檢測(cè)傳感信號(hào)。該報(bào)警器300以并聯(lián)的方式連接在電阻式傳感器200兩端，用于在傳感信號(hào)大于一信號(hào)閾值時(shí)發(fā)出聲和/或光報(bào)警信號(hào)。

該報(bào)警器300選擇成僅能夠依靠摩擦納米發(fā)電機(jī)100驅(qū)動(dòng)，自身是不能用電池驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該報(bào)警器300可以是依靠摩擦納米發(fā)電機(jī)100驅(qū)動(dòng)的led指示燈，當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)100的輸出達(dá)到led指示燈兩端的閾值電壓時(shí)，led燈亮報(bào)警。在其他實(shí)施例中，該報(bào)警器300也可以是依靠摩擦納米發(fā)電機(jī)100驅(qū)動(dòng)的微型喇叭，當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)100的輸出達(dá)到微型喇叭兩端的閾值電壓時(shí)，該微型喇叭發(fā)生聲音報(bào)警信號(hào)。

該摩擦納米發(fā)電機(jī)100工作模式可以是接觸分離式、滑動(dòng)平移式、單電極模式和自由獨(dú)立式。其中，該摩擦納米發(fā)電機(jī)100的兩層摩擦材料可以都是絕緣材料，也可以是一個(gè)絕緣材料和一個(gè)電極材料。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的摩擦納米發(fā)電機(jī)100的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該摩擦納米發(fā)電機(jī)100包括兩個(gè)支撐基底、彈性元件160、上金屬電極層130、下金屬電極層140和第一摩擦層。其中，兩個(gè)支撐基底分別為第一支撐基底110和第二支撐基底120，在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用亞克力板作為該第一支撐基底110和第二支撐基底120。該彈性元件160連接在兩個(gè)支撐基底之間，即連接在第一支撐基底110的下表面和第二支撐基底120的上表面之間，在圖2所示的實(shí)施例中，彈性元件160可以是彈簧，其數(shù)量為四個(gè)。該上金屬電極層130形成在第一支撐基底110的下表面處，該下金屬電極層140形成在第二支撐基底120的上表面處。上金屬電極層130和下金屬電極層140的材料可以選擇為銅、鋁等金屬。該第一摩擦層形成在下金屬電極層140的表面處。上金屬電極層130的材料既可以作為電極材料，又可以作為第二摩擦層的摩擦材料。

該電阻式傳感器200可以為氣體、光、溫度和濕度等電阻式傳感器200。電阻式傳感器200可以包括敏感材料層和電極層，該敏感材料層和該電極層為歐姆接觸。其中，該敏感材料層用于檢測(cè)傳感信號(hào)，其構(gòu)造成在檢測(cè)到傳感信號(hào)時(shí)，敏感材料層的電阻會(huì)發(fā)生變化，以使得電阻式傳感器200兩端的電壓發(fā)生變化。敏感材料可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，可以通過(guò)材料的選擇與制備，選擇或制備出靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性高的敏感材料。然而，并不是所有的電阻式傳感器200都適用于本發(fā)明的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，該電阻式傳感器200需要滿足與摩擦納米發(fā)電機(jī)100具有數(shù)量級(jí)相匹配的電阻。其中，電阻式傳感器200的電阻選擇成是所述摩擦納米發(fā)電機(jī)100電阻的0.1-10倍，在多個(gè)實(shí)施例中，電阻式傳感器200的電阻可以選擇成0.5-500mω中任一阻值。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在同一外界作用力下，摩擦納米發(fā)電機(jī)100的電壓與電阻式傳感器200電阻之間的關(guān)系圖。本申請(qǐng)的發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析，獲得如圖3所示的關(guān)系圖。本申請(qǐng)的發(fā)明人同時(shí)對(duì)該關(guān)系圖進(jìn)行了理論分析。在理論分析中，可以將電阻式傳感器200作為摩擦納米發(fā)電機(jī)100的外接電阻，從圖3可以看出，隨著外接電阻增大，兩端的電壓呈增大趨勢(shì)。將電壓電流的變化歸結(jié)于電荷轉(zhuǎn)移的速率。在短路情況下，可以看作電阻為零，電荷轉(zhuǎn)移速率達(dá)到最快，電荷q也達(dá)到飽和值。由圖3可以看出，當(dāng)電阻較小，小于100kω時(shí)，電流開(kāi)始有一點(diǎn)下降，相比較短路電流的情況來(lái)說(shuō)，會(huì)有相似的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，兩段電壓和電阻和成正比關(guān)系。在電阻很大時(shí)，輸出特性類似于開(kāi)路電壓的情況。在電阻為0.5-500mω時(shí)，最大電流急劇下降，電壓急劇上升。從電荷轉(zhuǎn)移率的角度來(lái)看，摩擦納米發(fā)電機(jī)100的工作原理是摩擦生電和靜電感應(yīng)兩部分。當(dāng)摩擦電荷分離，在兩個(gè)電極之間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，會(huì)使電子從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)電極。由這些轉(zhuǎn)移電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)將會(huì)屏蔽原先摩擦電荷的電場(chǎng)。在短路情況下，電荷聚集速率是最大的電荷轉(zhuǎn)移速率。但是，當(dāng)有電阻在電路中時(shí)，電阻將會(huì)限制實(shí)時(shí)的電荷轉(zhuǎn)移速率，會(huì)比短路情況下低。當(dāng)外接電阻很小時(shí)，這個(gè)限制并不明顯，以至于這個(gè)速率還可以趕上最大的轉(zhuǎn)移速率，使q接近于qsc，其中，qsc為短路電流下的電荷量。當(dāng)外接電路的電阻繼續(xù)增大，到達(dá)0.5-500mω時(shí)，開(kāi)始限制電荷轉(zhuǎn)移速率，電荷聚集的曲線由開(kāi)始的qsc向下偏移。當(dāng)電阻很大時(shí)，電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一電極的速率很慢，導(dǎo)致電流很小。由于很小的屏蔽效應(yīng)使得在兩極間產(chǎn)生的電壓會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

除從電荷轉(zhuǎn)移速率來(lái)解釋，也可以從摩擦納米發(fā)電機(jī)100固有的電容和外接電阻與阻抗的匹配來(lái)解釋。摩擦納米發(fā)電機(jī)100的電容是變化的，開(kāi)路電壓也不是一個(gè)純粹的正弦函數(shù)。當(dāng)外接電阻的電阻很小時(shí)，它的阻抗比摩擦納米發(fā)電機(jī)100電容的阻抗小，因此總的阻抗是由摩擦納米發(fā)電機(jī)100的固有電容來(lái)決定，當(dāng)外接電阻變化時(shí)，外部輸出電流也不會(huì)發(fā)生很大的變化。當(dāng)外接電阻很大時(shí)，阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦納米發(fā)電機(jī)100的阻抗，因此開(kāi)路電壓就是在外接電阻上。當(dāng)外接電阻到達(dá)0.5-500mω時(shí)，可以得到最大轉(zhuǎn)換功率。因此，外接電阻，即電阻式傳感器200的電阻可以為0.5-500mω中的任意數(shù)值。

為了排除外界作用力的影響，本申請(qǐng)的發(fā)明人同時(shí)研究了不同作用力下，不同的外接電阻對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)100的電壓輸出的影響。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在不同的外界作用力下，摩擦納米發(fā)電機(jī)100的電壓與電阻式傳感器200電阻之間的關(guān)系圖。如圖4所示，外接電阻與輸出電壓之間的關(guān)系與圖3所示基本一致，此處不再贅述。因此，外界作用力不會(huì)對(duì)外接電阻與電壓輸出的關(guān)系造成影響，即外界作用力不會(huì)影響在不同外接電阻下的電壓輸出。

該報(bào)警器300構(gòu)造成在電阻式傳感器200兩端的電壓大于一電壓閾值時(shí)發(fā)出聲和/或光報(bào)警信號(hào)。外接的傳感器可看作是一個(gè)外接可變電阻，當(dāng)傳感器接收到傳感信號(hào)時(shí)，電阻便會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)的輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化，而變化的輸出電壓會(huì)反應(yīng)在外接的報(bào)警燈上，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣夂?或聲音信號(hào)給予警示作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)須外接電源的自驅(qū)動(dòng)。

上述自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)能夠用在任何具有外部機(jī)械能量的場(chǎng)合，外部機(jī)械能量能夠驅(qū)使摩擦納米發(fā)電機(jī)100工作以為電阻式傳感器200提供電量。本發(fā)明的方案無(wú)須任何外接電源，解決了傳感器的供電問(wèn)題，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的適應(yīng)性，極大降低了系統(tǒng)的尺寸和重量。本發(fā)明的系統(tǒng)在穩(wěn)定性能和可控性能方面極大提高。摩擦納米發(fā)電機(jī)100與傳感器相互分開(kāi)，使得摩擦材料與傳感材料互不影響，擴(kuò)大了材料的選擇范圍，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明提供的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)適用于任何電阻型傳感器，適用范圍極廣。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的摩擦納米發(fā)電機(jī)100的制備方法的流程示意圖。特別地，本發(fā)明提供了一種摩擦納米發(fā)電機(jī)100的制備方法，用來(lái)制備應(yīng)用于上述自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中的摩擦納米發(fā)電機(jī)100，包括如下步驟：

s100、提供兩個(gè)支撐基底，并在該兩個(gè)支撐基底之間連接至少一個(gè)彈性元件160，以模擬外界的作用力；

s200、在該兩個(gè)支撐基底的靠近彈性元件160的表面分別形成上、下金屬電極層140；

s300、在該下金屬電極層140的表面施加一聚四氟乙烯膜150，以將聚四氟乙烯膜150作為第一摩擦層；

其中，該下金屬電極層140的材料選擇成既能夠作為電極材料又能夠作為摩擦材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟s100具體包括如下步驟：

s101、用激光雕刻機(jī)切割出兩片大小為8厘米×8厘米的亞克力板分別作為摩擦納米發(fā)電機(jī)100的第一支撐基底110和第二支撐基底120，其中，該亞克力板厚度為1毫米；

s102、在每塊亞克力板的四個(gè)頂角處用激光雕刻機(jī)打磨出直徑為6.3毫米的圓槽；

s103、用兩液混合硬化膠粘貼固定彈簧，其中，彈簧的作用是連接上下兩塊亞克力板，在亞克力板上放置一個(gè)重量合適的重物并模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟s200中上、下金屬電極層140的大小為6厘米×6厘米的鋁箔。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟s300具體包括：

s301、將50μm厚的聚四氟乙烯膜150貼在下金屬電極層140，并將其作為第一摩擦層；

s302、與該第一摩擦層相對(duì)的上金屬電極層130則作為另一層摩擦層，即第二摩擦層。

其中，聚四氟乙烯膜150表面的微觀結(jié)構(gòu)是納米線陣列，該納米線陣列的制備方法是：利用感應(yīng)耦合等離子體方法，利用氬氣、氧氣和四氯甲烷氣體分別對(duì)納米線的表面進(jìn)行刻蝕處理，以獲得長(zhǎng)度為1-3μm的納米線陣列。在一個(gè)實(shí)施例中該納米線陣列的長(zhǎng)度為1.5μm，在其他實(shí)施例中，該納米線陣列的長(zhǎng)度可以為1-1.5μm之間除1.5μm的任一數(shù)值，也可以是1.5-3μm之間除1.5μm的任一數(shù)值。上、下金屬電極層140用銅線連接起來(lái)用于驅(qū)動(dòng)傳感器工作并進(jìn)行電學(xué)測(cè)試。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電阻式傳感器200的制備方法的流程示意圖。特別地，本發(fā)明提供了一種電阻式傳感器200的制備方法，用來(lái)制備應(yīng)用于上述自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中的電阻式傳感器200，包括如下步驟：

s110、提供一具有電極層的電阻式傳感芯片；

s120、在該電極層的表面施加敏感材料層，以制備成能夠檢測(cè)傳感信號(hào)的電阻式傳感器200。

其中，該敏感材料層中的敏感材料選擇成對(duì)所述傳感信號(hào)具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的材料。該電阻式傳感器200制備成具有與所述摩擦納米發(fā)電機(jī)100數(shù)量級(jí)相匹配的電阻。

在一個(gè)是實(shí)施例的步驟s120中，該敏感材料層的敏感材料選擇成氧化鎢納米棒，以檢測(cè)氣體傳感信號(hào)，其中，該氧化鎢納米棒的制備方法包括如下步驟：

s121、稱取3.2986g的na2wo4·2h2o和1.1688g的nacl固體；

s122、將na2wo4·2h2o和nacl溶解于80ml去離子水中，并在常溫下攪拌，以形成鎢酸鹽混合溶液；

s123、向該鎢酸鹽混合溶液加入37.5％hcl，以將ph值調(diào)節(jié)至2.5，并攪拌均勻，形成酸性混合溶液；

s124、取50ml酸性混合溶液，并將其轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)12h；

s125、將s124中反應(yīng)產(chǎn)物洗滌離心出來(lái)，并在600℃下進(jìn)行退火處理，以得到白色粉末產(chǎn)物，即為氧化鎢納米棒。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟s120具體包括如下步驟：

s1201、稱取一預(yù)設(shè)質(zhì)量的氧化鎢納米棒粉末；

s1202、在氧化鎢納米棒粉末中加入少許乙醇和去離子水，并用研缽研磨至混合物變成漿狀，以獲取漿狀氧化鎢納米棒混合物；

s1203、用刷子將漿狀氧化鎢納米棒混合物均勻涂抹到傳感芯片叉指電極的部分，并在90℃下烘烤4小時(shí)。

在其他實(shí)施例中，步驟s121中的nacl和na2wo4·2h2o的質(zhì)量比可以為1：1-3中任意比例，例如，1:1.5、1:2或1:3等，并且，nacl可以替換為kcl等其他無(wú)機(jī)鹽溶液，na2wo4·2h2o可以為其他鎢酸鹽。步驟s123中，ph值可以被調(diào)節(jié)至1.5-3.5中任意數(shù)值，例如1.5、2、3或3.5等。步驟s124中可以在100-200℃中任意溫度下反應(yīng)10-14h，例如100℃、130℃、160℃或200℃等。步驟s125中，可以在400-800℃中任意溫度下進(jìn)行退火處理，例如400℃、500℃、700℃或800℃。在步驟s1203中，可以是在60-110℃中任意溫度下加熱2-6h，例如60℃、70℃、80℃、100℃或110℃。本發(fā)明的系統(tǒng)制作方法簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，有助于工業(yè)化應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在圖5和圖6所示的實(shí)施例中，僅是制備自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)中的摩擦納米發(fā)電機(jī)和電阻式傳感器的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用來(lái)限制其他制備方式。在一個(gè)實(shí)施例中，利用圖5和圖6所示的實(shí)施例制備得到的摩擦納米發(fā)電機(jī)和電阻式傳感器構(gòu)建自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，其中，利用圖6所示的電阻式傳感器檢測(cè)汽車尾氣中的no2氣體，并利用汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作為外界機(jī)械能，以使得摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖7示出了在no2氣體為100ppm時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間的變化圖。如圖7所示，當(dāng)有100ppm的no2氣體進(jìn)入時(shí)，輸出電壓升高至一電壓閾值，報(bào)警器此時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以警示尾氣排放超標(biāo)。

在另一實(shí)施例中，本發(fā)明的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)用于當(dāng)人在陽(yáng)光下運(yùn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)紫外線是否超標(biāo)，若超標(biāo)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在其他實(shí)施中，壓力傳感器在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用也十分廣泛，壓力傳感系統(tǒng)中的壓力傳感裝置可看作是電子稱重系統(tǒng)。電子稱重系統(tǒng)尤其在工業(yè)生產(chǎn)中有很廣闊的應(yīng)用前景，使用本發(fā)明的自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)，無(wú)需外部電源，當(dāng)物體超過(guò)一定重量時(shí)，便會(huì)發(fā)出警報(bào)。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。