基于摩擦发电的人体生理信号探测器件和声电转换器件的研究

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柔软的传感器件因其在智能机器人、医学监控、生理健康监测以及工程测量等领域内显示出重要作用而越发吸引学者们的注意。本文基于纳米摩擦发电机,通过选用超薄的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜作为摩擦材料,并对PET进行化学腐蚀在其表面获取凹坑形的微观结构等优化处理,制作出具有体积小、成本低、灵敏度高的柔软的纳米摩擦发电传感器件(T-sensor)。由于这些优化和改进,这种传感器件在27mJ能量的作用下能够产生270mV的电压;作为电源时能产生高达110V的开路电压和2.25μA的短路电流。对于微弱的信号,T-sensor表现出了优异的探测能力,成功实现对人体肌肉运动,包括手掌张开-收缩-张开运动、嘴巴张开-咬合-张开运动、眨眼和胸部呼吸起伏的测量,也能连续、稳定地测量脉搏波、心尖搏动波信号。这种传感器件在人体肌肉运动和生理信号探测上具有很大的潜力。研究中还通过额外增加共振腔,使得传感器能够将声音信号转换成电信号,即实现声电转换。实验中,在100dB声音驱动下这种声音发电装置经过桥式整流电路后在250s内将100μF的电容充满电,并使电容电压稳定在约3.2V。该器件能将声音的频率、幅度等信息以波形的形式显示在示波器上,研究中发现,改变共振腔的形状,频率响应也随之改变。此外,在适当的距离范围内,通过该器件能够实现声音定位,且相对误差仅为3%。因此,这种摩擦发电传感器件有望应用于复杂的声音信号的采集分析和声音定位中。
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