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CN103776567B - 基于摩擦电的压力感应电缆 - Google Patents

基于摩擦电的压力感应电缆 Download PDF

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CN103776567B
CN103776567B CN201210402293.7A CN201210402293A CN103776567B CN 103776567 B CN103776567 B CN 103776567B CN 201210402293 A CN201210402293 A CN 201210402293A CN 103776567 B CN103776567 B CN 103776567B
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Abstract

本发明提供了一种基于摩擦电的压力感应电缆，该压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、空腔、第一聚合物绝缘层以及第二电极层；其中在空腔中设有第二聚合物间隔物；所述第一电极芯和第二电极层为摩擦发电机电压和电流输出电极。本发明通过聚合物和聚合物间摩擦或者聚合物与金属间摩擦，产生与施加到压力感应电缆上的压力成正比的电压信号。

Description

基于摩擦电的压力感应电缆
技术领域
本发明涉及一种压力感应电缆，尤其是涉及一种基于摩擦电的压力感应电缆。
背景技术
随着现代生活水平不断提高，生活节奏不断加快，出现了应用方便、对环境依赖度低的自发电设备。现有的自发电设备通常利用材料的压电特性。例如2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是：当纳米线(NWs)在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。
传统压电传感器是平板薄膜型，近年来随应用需求，出现了压电电缆。压电电缆采用同轴设计，当压电电缆被压缩或拉伸时，会发生压电效应，从而产生正比于压力的电荷或者电压信号，以提供工作电压。压电传感器是利用压电材料受力后产生的压电效应制成的传感器，已经广泛用于声学、医疗、工业、交通、安防等众多领域，正逐步改变人们的生活和工作方式，成为社会发展的趋势。
物体和物体之间相互进行摩擦，就会使一方带上负电，另一方带上正电，由于物体间摩擦产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，但是因为很难收集利用而被忽略。如果能够将摩擦电应用到压力感应电缆中，势必会给人们的生活带来更多的便利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于摩擦电的压力感应电缆，在受力条件下，通过聚合物和聚合物间摩擦或者聚合物与金属间摩擦，产生与施加到压力感应电缆上的压力成正比的电压信号，具有生产工艺简单、灵敏度高、响应速度快、使用寿命长的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案是：一种基于摩擦电的压力感应电缆，该压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、空腔、第一聚合物绝缘层以及第二电极层；其中在空腔中设有第二聚合物间隔物；所述第一电极芯和第二电极层为摩擦发电机电压和电流输出电极。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第二聚合物间隔物是第二聚合物绝缘层，设置在第一电极芯表面上。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第二聚合物绝缘层的厚度是300nm到1μm。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一聚合物绝缘层所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第二聚合物绝缘层所用材料与第一聚合物绝缘层不同，选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一聚合物绝缘层和第二聚合物绝缘层相对表面中的至少一个面上设置有纳米级至微米级的微纳凹凸结构，优选凸起高度50nm-300nm的纳米凹凸结构。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第二聚合物间隔物是设置在空腔内的聚合物隔点，所述隔点凸起高度为100nm-1μm。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，单位面积上隔点数量为2×104个/m2至2×107个/m2。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述隔点所用材料是聚合物，且与第一聚合物绝缘层所用材料不同。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述隔点所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述隔点设置在第一电极芯表面。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第二聚合物间隔物是缠绕在第一电极芯表面上的聚合物线，优选的所述聚合物线的直径是500nm到2μm。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述聚合物线在第一电极芯表面上的缠绕间距为0.1μm到5μm(优选1μm到5μm)。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述聚合物线所用材料与第一聚合物绝缘层不同。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述聚合物线所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一电极芯是单芯结构。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一电极芯是平行设置的多芯结构。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一电极芯是缠绕设置的多芯结构。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一电极芯所用材料是金属或合金，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。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第一电极芯所用材料是表面设有导电层的聚合物、玻璃或纤维。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述导电层是铟锡氧化物膜、石墨烯膜、银纳米线膜或金属膜，其中所述金属膜所用金属材料是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒。
前述的基于摩擦电的压力感应电缆，所述第二电极层所用材料选自铟锡氧化物、石墨烯电极、银纳米线膜，以及金属或合金，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。
当本发明基于摩擦电的压力感应电缆受到压力，产生正比于压力的电荷或者电压信号。本发明基于摩擦电的压力感应电缆具有生产工艺简单、灵敏度高、响应速度快、使用寿命长的特点。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆的剖面示意图；
图2是图1压力感应电缆的结构示意图；
图3是本发明另一个具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆的剖面示意图；
图4是图3压力感应电缆的结构示意图；
图5是本发明又一个具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆的剖面示意图；
图6是图5压力感应电缆的结构示意图；
图7是本发明再一个具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆的剖面示意图；
图8是图7压力感应电缆的结构示意图。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。
本发明基于摩擦电的压力感应电缆，当电缆受到压力，产生正比于压力的电荷或者电压信号，因此能够用作交通轴压力传感器测定车速和车重，用作电缆开关检测存在/占有率，用作接触式传声器监测生命特征及周界安全。
一种具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆，该压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、空腔、第一聚合物绝缘层以及第二电极层；其中，所述压力感应电缆自然伸展时，第一聚合物绝缘层与第一电极芯通过空腔间隔分离；所述压力感应电缆受力弯曲时，第一聚合物绝缘层与第一电极芯接触摩擦；所述第一电极芯和第二电极层为摩擦发电机电压和电流输出电极。
当基于摩擦电的压力感应电缆的受力弯曲时，第一聚合物绝缘层与第一电极芯接触摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极芯和第二电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极芯和第二电极层之间出现电势差。由于第一电极芯和第二电极层之间电势差的存在，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。当基于摩擦电的压力感应电缆恢复到自然状态时，这时形成在第一电极芯和第二电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极芯和第二电极层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。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。
如图1和2所示，一种具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆1，该压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯11、空腔12、第一聚合物绝缘层13以及第二电极层14；其中在空腔12中设有第二聚合物间隔物(图未示)；所述第一电极芯11和第二电极层14为摩擦发电机电压和电流输出电极。
如图1和2所示的基于摩擦电的压力感应电缆1，第一聚合物绝缘层13所用材料可以选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
第二电极层14所用材料选自铟锡氧化物、石墨烯电极、银纳米线膜，以及金属或合金，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。
如图1和2所示的压力感应电缆1中第一电极芯11是单芯结构。第一电极芯11所用材料可以是金属或合金，其中金属可以是但不限于是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是但不限于是铝合金、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。
在一个优选的实施方式中，第一电极芯11所用材料还可以是表面设有导电层的聚合物、玻璃或纤维。这里所述的聚合物与第一聚合物绝缘层所用材料相同。所述玻璃是指各种以二氧化硅为基础的玻璃材料，包括有不同用途和功能的玻璃。所述纤维包括各种植物纤维、动物纤维、人造纤维、织物纤维、纤维素纤维，如棉、木棉、亚麻、苎麻、黄麻、竹纤维、剑麻、蕉麻、绵羊毛、山羊绒、骆驼毛、兔毛、马海毛、蚕丝、黏胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维、聚酯纤维(涤纶)、聚酰胺纤维(锦纶或尼龙)、聚乙烯醇纤维(维纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚丙烯纤维(丙纶)、聚氯乙烯纤维(氯纶)等。
导电层可以是采用常规磁控溅射或者蒸镀的方法设置在聚合物、玻璃或纤维表面上的铟锡氧化物膜、石墨烯膜、银纳米线膜或金属膜，其中所述金属膜所用金属材料可以是但不限于是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒。
如图3和4所示，在一个优选实施方式中，压力感应电缆2包括依次同轴设置的第一电极芯21、空腔22、第一聚合物绝缘层23以及第二电极层24，其中第一电极芯21是平行设置的多芯结构。第一电极芯21、第一聚合物绝缘层23和第二电极层24所用材料与图1所示压力感应电缆1所用材料相同，这里不再赘述。在另一个优选实施方式中，第一电极芯21还可以是缠绕设置的多芯结构。
第一电极芯21的各电极芯可以选择不同的材料，从而可以输出不同的信号，也可以附加不同的功能。例如在玻璃光纤上镀金属，那么该光纤既可以传输光学信号也可以输出电学信号。
如图5和6所示，在一个优选实施方式中，压力感应电缆3包括依次同轴设置的第一电极芯31、空腔32、第一聚合物绝缘层33以及第二电极层34，其中空腔32内设置有隔点35。优选的，隔点凸起高度为100纳米-1微米，设置在第一电极芯31表面上，单位面积上隔点数量为2×104个/m2至2×107个/m2。例如采用常规市售导电胶将隔点35粘在第一电极芯31表面上。第一电极芯31、第一聚合物绝缘层33和第二电极层34所用材料与图1所示压力感应电缆1所用材料相同，这里不再赘述。
所述隔点35所用材料优选是聚合物，且与第一聚合物绝缘层33所用材料不同。所述隔点所用材料可以选自但不限于是聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
在另一个优选实施方式中，压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、空腔、第一聚合物绝缘层以及第二电极层，其中空腔内设置有以一定间距缠绕在第一电极芯表面上的聚合物线，例如所述聚合物线在第一电极芯表面上的缠绕间距为0.1μm到5μm。通常所述聚合物线的直径是500nm到2μm。
聚合物线所用材料与第一聚合物绝缘层不同。聚合物线所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
隔点35和聚合物线的设置能够使得压力感应电缆在自然伸展状态时，有效隔离第一聚合物层和第一电极芯。另外选择与第一聚合物层摩擦起电效果好的聚合物，有助于压力感应电缆的摩擦起电。
在另一个优选实施方式中，压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、空腔、第一聚合物绝缘层以及第二电极层，第一聚合物绝缘层相对第一电极芯的表面上设置有纳米级至微米级的微纳凹凸结构，优选凸起高度50nm-300nm的纳米凹凸结构(图未示)。
摩擦表面的粗糙度会对电压和电流的输出产生影响，即单位面积上隔点的大小、数量以及聚合物的粗细及缠绕的间距都会对电能的输出性质产生影响。在本发明中采用隔点作为第二聚合物间隔物时，优选的隔点凸起高度为100纳米-1微米，单位面积上隔点数量为2×104个/m2至2×107个/m2。当隔点凸起高度(粒径)小于100纳米时成本过高，当隔点凸起高度(粒径)大于1微米时电压、电流信号会迅速降低。在本发明中采用聚合物线作为第二聚合物间隔物时，优选的聚合物线的直径是500nm到2μm，聚合物线的缠绕间距为0.1μm到5μm，更优选1μm到5μm。当聚合物线直径大于2μm，缠绕间距超过5μm时，电压、电流信号会迅速降低。
如图7和8所示，一种具体实施方式的基于摩擦电的压力感应电缆4，该压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯41、空腔42、第一聚合物绝缘层43以及第二电极层44。该压力感应电缆4进一步包括第二聚合物绝缘层45，设置在第一电极芯41与空腔42之间；其中，所述压力感应电缆4自然伸展时，第一聚合物绝缘层43与第二聚合物绝缘层45通过空腔42间隔分离；所述压力感应电缆4受力弯曲时，第一聚合物绝缘层43与第二聚合物绝缘层45接触摩擦。所述第一电极芯41和第二电极层44为摩擦发电机电压和电流输出电极。
第一电极芯41、第一聚合物绝缘层43和第二电极层44所用材料与图1所示压力感应电缆1所用材料相同，这里不再赘述。
所述第二聚合物绝缘层的厚度是300nm到1μm。所述第二聚合物绝缘层所用材料与第一聚合物绝缘层不同，可以选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
在一个优选的实施方式中，第一聚合物绝缘层43和第二聚合物绝缘层45相对表面中的至少一个面上设置有纳米级至微米级的微纳凹凸结构，优选凸起高度50nm-300nm的纳米凹凸结构(图未示)。
微纳凹凸结构可以采用多种方法进行制备，例如用有特定规则凸起结构的硅模板压制，用砂纸打磨的带有粗糙度的金属作为模板以及其他方法。下面详细说明微纳凹凸结构的一种制备方法。
S1制作硅模板。将硅片用光刻的方法在表面做出规则的图形。做好图形的硅片用湿刻的工艺各向异性刻蚀，可以刻出凹形的四棱锥阵列结构，或者也可以用干刻的工艺各向同性刻蚀可以刻出凹形的立方体阵列结构。刻好之后的模板用丙酮和异丙醇清洗干净，然后所有的模板都在三甲基氯硅烷的气氛中进行表面硅烷化的处理，处理好的硅模板待用。
S2制作具有微纳凹凸结构表面的高分子聚合物膜。首先将聚合物浆料涂覆于硅模板表面，真空脱气，用旋转涂覆的方式将硅片表面多余的混合物去掉，形成一层薄薄的聚合物液体膜。将整个模板固化，然后剥离，得到均匀的具有特定微结构阵列的聚合物膜。
在实际应用中，基于摩擦电的压力感应电缆的第一电极芯和第二电极层分别连接到探测器上，当电缆受到压力时，第一电极芯和第二电极层产生正比于压力的电场，这样通过探测器就可以测出正比于压力的电压信号。本发明能够应用的探测器是常规市售探测器。
根据上述原理，本发明基于摩擦电的压力感应电缆可以用作交通轴传感器，用作压力感应电缆开关检测存在/占有率，用作接触式传声器监测生命特征及周界安全。例如用作交通轴传感器，当轮胎经过电缆时，产生与施加到传感器上的压力成正比的电压信号，且输出周期与轮胎停留在传感器上的时间相同，每当一个轮胎经过传感器时，传感器会产生一个新的电子脉冲。在车道上安装两条传感器，轮胎经过第一个传感器时启动电子时钟，轮胎经过第二个传感器时启动电子时钟停止时钟，得到了时间周期；已知传感器之间的距离，这样就得到了车速。
下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。
实施例1
如图5所示压力感应电缆3，直径为1.6mm。选用纯度99.5％，直径1.5mm的工业铝作为第一电极芯31。
市购直径1.6mm的聚甲基丙烯酸甲酯管用作第一聚合物绝缘层33。市购直径200nm的聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒用作隔点35，采用导电胶将聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒按照2×107个/m2粘在第一电极芯31的表面上，然后将第一电极芯31同轴的放入聚甲基丙烯酸甲酯管内，形成空腔32，然后边缘用普通胶布粘贴密封。
将铟锡氧化物(ITO)磁控溅镀到聚甲基丙烯酸甲酯管外表面上，形成第二电极层34，得到压力感应电缆1#。
电压和电流的测试分别采用美国stanford公司SR560电压前置放大器和SR570电流前置放大器。其中测试电压时，由于发电器输出限制，采用多个相同电阻分压的方式，测其中一个电阻的电压，最后乘以电阻数目得到发电机总的输出电压。
使用周期振荡(0.33Hz和0.13％的形变)的步进电机使压力感应电缆1#发生周期的弯曲和释放，压力感应电缆1#的最大输出电压和电流信号分别达到了30V和10μA。
实施例2
如图5所示压力感应电缆3，直径为1.6mm。选用纯度99.5％，直径1.5mm的工业铝作为第一电极芯31。
市购直径1.6mm的聚甲基丙烯酸甲酯管用作第一聚合物绝缘层33。市购直径1μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒用作隔点35，采用导电胶将聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒按照2×105个/m2粘在第一电极芯31的表面上，然后将第一电极芯31同轴的放入聚甲基丙烯酸甲酯管内，形成空腔32，然后边缘用普通胶布粘贴密封。
将铟锡氧化物(ITO)磁控溅镀到聚甲基丙烯酸甲酯管外表面上，形成第二电极层34，得到压力感应电缆2#。
采用与实施例1相同的方法，测得样品2#的最大输出电压和电流信号分别达到了12V和3μA。
实施例3
本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处在于，选用三根直径1mm的表面镀有金属金的光纤平行设置，作为第一电极芯。采用导电胶将聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒按照2×104个/m2粘在第一电极芯31的表面上，然后采用其他步骤与实施例1相同的制备方法得到压力感应电缆3#。
采用与实施例1相同的方法，测得样品3#的最大输出电压和电流信号分别达到了18V和6μA。
该感应电缆3#能够传导光学信号。
实施例4
本实施例压力感应电缆直径为1.6mm。选用纯度99.5％，直径1.5mm的工业铜作为第一电极芯。
市购直径1.6mm的聚酰亚胺管用作第一聚合物绝缘层。市购直径500nm的聚对苯二甲酸乙二醇酯线，将聚对苯二甲酸乙二醇酯线以间距为1μm缠绕在第一电极芯表面上，然后将第一电极芯同轴的放入的聚酰亚胺管内，形成空腔，然后边缘用普通胶布粘贴密封。
将铟锡氧化物(ITO)磁控溅镀到聚酰亚胺管外表面上，形成第二电极层，得到压力感应电缆4#。
采用与实施例1相同的方法，测得最大输出电压和电流信号分别达到了35V和12μA。
实施例5
本实施例压力感应电缆直径为1.6mm。选用纯度99.5％，直径1.5mm的工业铜作为第一电极芯。
市购直径1.6mm的聚酰亚胺管用作第一聚合物绝缘层。市购直径2μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯线，将聚对苯二甲酸乙二醇酯线以间距为5μm缠绕在第一电极芯表面上，然后将第一电极芯同轴的放入的聚酰亚胺管内，形成空腔，然后边缘用普通胶布粘贴密封。
将铟锡氧化物(ITO)磁控溅镀到聚酰亚胺管外表面上，形成第二电极层，得到压力感应电缆5#。
采用与实施例1相同的方法，测得最大输出电压和电流信号分别达到了18V和5μA。
实施例6
如图7所示压力感应电缆4直径为2.2mm。选用纯度99.5％，直径1.5mm的工业铝作为第一电极芯41。在厚度0.25mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的一个表面上设置凸起高度150nm的微纳凹凸结构，然后将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜设置到第一电极芯41表面上，形成厚度是500nm的第二聚合物层45。
市购直径2.2mm的聚甲基丙烯酸甲酯管用作第一聚合物绝缘层43。将第一电极芯41同轴的放入的聚甲基丙烯酸甲酯管内，形成空腔42，然后边缘用普通胶布粘贴密封。
将铟锡氧化物(ITO)磁控溅镀到聚甲基丙烯酸甲酯管外表面上，形成第二电极层44，得到压力感应电缆6#。
采用与实施例1相同的方法，测得最大输出电压和电流信号分别达到了3V和1μA。
实施例7
选用纯度99.5％，直径1.5mm的工业铝作为第一电极芯。市购直径1.6mm的聚甲基丙烯酸甲酯管用作第一聚合物绝缘层。将第一电极芯同轴的放入的聚甲基丙烯酸甲酯管内并形成空腔，然后边缘用普通胶布粘贴密封。
将铟锡氧化物(ITO)磁控溅镀到聚甲基丙烯酸甲酯管外表面上，形成第二电极层，得到压力感应电缆7#。
采用与实施例1相同的方法，测得最大输出电压和电流信号分别达到了5V和2μA。
本发明的基于摩擦电的压力感应电缆，在受力条件下，通过聚合物和聚合物间摩擦或者聚合物与金属间摩擦，能够产生与施加到压力感应电缆上的压力成正比的电压信号，具有生产工艺简单、灵敏度高、响应速度快、使用寿命长的特点。

Claims (27)

1.一种基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，该压力感应电缆包括依次同轴设置的第一电极芯、空腔、第一聚合物绝缘层以及第二电极层；其中在空腔中设有第二聚合物间隔物；所述压力感应电缆自然伸展时，第一聚合物绝缘层与第一电极芯通过空腔间隔分离，所述压力感应电缆受力弯曲时，第一聚合物绝缘层与第二聚合物绝缘层接触摩擦；
所述第一电极芯和第二电极层为摩擦发电机电压和电流输出电极。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第二聚合物间隔物是第二聚合物绝缘层，设置在第一电极芯表面上。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第二聚合物绝缘层的厚度是300nm到1μm。
4.根据权利要求3所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一聚合物绝缘层所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第二聚合物绝缘层所用材料与第一聚合物绝缘层不同，选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一聚合物绝缘层和第二聚合物绝缘层相对表面中的至少一个面上设置有纳米级至微米级的微纳凹凸结构。
7.根据权利要求6所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述纳米级至微米级的微纳凹凸结构凸起高度为50nm-300nm。
8.根据权利要求1所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第二聚合物间隔物是设置在空腔内的聚合物隔点，所述隔点凸起高度为100nm-1μm。
9.根据权利要求8所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述隔点凸起高度为200nm-1μm。
10.根据权利要求7所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，单位面积上隔点数量为2×104个/m2至2×107个/m2。
11.根据权利要求7或8所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述隔点所用材料是聚合物，且与第一聚合物绝缘层所用材料不同。
12.根据权利要求9所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述隔点所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
13.根据权利要求6-10任一项或权利要求12所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述隔点设置在第一电极芯表面。
14.根据权利要求11所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述隔点设置在第一电极芯表面。
15.根据权利要求1所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第二聚合物间隔物是缠绕在第一电极芯表面上的聚合物线，所述聚合物线的直径是500nm到2μm。
16.根据权利要求12所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述聚合物线在第一电极芯表面上的缠绕间距为0.1μm到5μm。
17.根据权利要求16所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述聚合物线在第一电极芯表面上的缠绕间距为1μm到5μm。
18.根据权利要求15所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述聚合物线所用材料与第一聚合物绝缘层不同。
19.根据权利要求16所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述聚合物线所用材料与第一聚合物绝缘层不同。
20.根据权利要求18所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述聚合物线所用材料选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种。
21.根据权利要求1-10、12、14-20任一项所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一电极芯是单芯结构。
22.根据权利要求1-10、12、14-20任一项所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一电极芯是平行设置的多芯结构。
23.根据权利要求1-10、12、14-20任一项所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一电极芯是缠绕设置的多芯结构。
24.根据权利要求1-10、12、14-20任一项所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一电极芯所用材料是金属或合金，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。
25.根据权利要求1-10、12、14-20任一项所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第一电极芯所用材料是表面设有导电层的聚合物、玻璃或纤维。
26.根据权利要求25所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述导电层是铟锡氧化物膜、石墨烯膜、银纳米线膜或金属膜，其中所述金属膜所用金属材料是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒。
27.根据权利要求1-10、12、14-20、26任一项所述的基于摩擦电的压力感应电缆，其特征在于，所述第二电极层所用材料选自铟锡氧化物、石墨烯电极、银纳米线膜，以及金属或合金，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。
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