________________________________________同H媒介与互联〕基于摩擦电传感器的电致变触感响应系统研究符俊臣，王铭炯，许彦阳，高世林，王凤霞(通讯作者)，陈涛，孙立宁 (苏州大学机电工程学院机器人与微系统研究中心江苏苏州215123)
【摘要】本文基于摩擦电传感器(TES)设计了电致变(ECD)器件的触感响应系统，通过外界接触压力作用，能够实现电致变器件的实时控制。本论文中重点讨论了摩擦电发电机性能，电致变器件的制备、性能及触控系统对电致变器件的触控开关的响应机制及触控效果。研究结果表明基于摩擦电的电致变触控开关系统能够实时控制基于聚苯胺电致变器件变，触控后聚苯胺由浅绿变成墨绿.本触控系统具有小型化、轻便、柔性可弯折等优势，其在机器人、人机交互等领域显示了潜在的应用前景。 速记机
【关键词】摩擦电传感器；聚苯胺；电致变；触摸响应
【中图分类号】TP23【文献标识码】A【文章编号】1009-5624(2019)08-0197-03
1引言
电致变材料具有响应外界应用电位而改变颜或透光率的独特能力，在过去几十年被广泛应用于智能窗口切，变显示器"⑶和变油墨⑷。近年来，通过各种材料组合和设计策略，电致变器件取得了很
大的进展。J. Jensen小组制备出了以苯胺为响应层的电致变器件［5\陈艳丽小组也成功制备了基于氧化银薄膜的电致变器件，实现了不同颜氧化银薄膜的转换叭P.S.Lee小组结合柔性基底制备了基于三氧化钩薄膜的可拉伸的电致变器件⑺。上述电致变器件具有高导电性，直观可视的光学变化，无视角限制，彩丰富，响应时间块。冃前，电致变器件的启动方式一般采取触觉感应开关，有光学式传感开关，磁导式传感开关，电容效应式传感开关，压阻式传感开关等等。但是，这些器件都需要外部电源来进行对外部交互作用的表征，否则无法正常工作，因此导致了电力消耗和结构复杂性等问题。另外，上述触控开关成本高、工艺复杂、脆性高限制其在很多领域的广泛应用。
摩擦电纳米发电机耦合摩擦生电和静电感应原理，其可以将自然界各种各样的机械能如振动能，转动能，人体运动能，风能，波浪能等转化为电能，其在轻质、高效、便携能源方面显示了独特的优势3⑶。目前，基于摩擦电原理的自供电设备有按压式/滑动式摩擦发电机，风力摩擦发电装置，旋转式直流摩擦电发电机，潮汐能收集装置，水滴发电装置，自驱动无线触摸报警器等何，他们都显示了广泛的应用前景。另外，摩擦电器件由于其结构简单，并结合了柔性基底、柔性聚合物材料为响应层，其本质上具有良好的柔性，因此其在柔性电子领域如触觉感知、柔性电源、可穿戴设备等领域都显示了无可比拟的优势。尽管基于摩擦电的电子器件在很多领域都得到了广泛的应用，但据我们所知，其在电致变触感响应系统方面的研究还未见报告。
本文中，我们制备了一种基于柔性自供电摩擦电传感器(TES)的触感开关，应用于触摸感应系统进而
控制电致变器件。在这里，柔性自供电摩擦电传感器(TES)被当作为自供电触摸感应单元，该单元显示了高的灵敏性，
其能够通过微弱的机械形变，产生电压信号。同时，基于 摩擦电的触控开关结合信号处理系统能够实时、快速地对基于聚苯胺的电致变器件的变过程进行控制。
2实验
2.1触摸感应系统响应原理
本研究的触摸感应系统结构示意图如图1所示，其包括摩擦电传感器，信号处理系统，电致变器件。信号处理系统釆用CD4013模块。当TES受到外力作用发生机械形变时，产生一个正向脉冲和负向脉冲。负向脉冲将会被压降传输到地，而正向脉冲将会被传输到CD4013模块一个接受输入脉冲的接口，此时内部将进入暂稳态模式。
估计、时延估计、功率控制与测量等，包括时延和频偏联合估计等，针对这些需求，导频设计存在进一步优化调整空间。
【参考文献]
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基金项目：2018，湖北省科技厅，湖北省自然科学基金指导性计划项目(2018CFC797).
作者简介：
黄永华(1985-)，男，汉族，安徽安庆人，硕士，工程师，研究方向：无线通信；
黄浩(1988-)，男，汉族，湖北天门人，博士，硕士生导师，副教授，研究方向：无线通信射频及数字信号处理.
物流导航
197
（ig 录：一1媒介与互联）信息记录材料2019年8月第20卷第8期
当暂稳态时间达到截止时，将翻转一次模块的外接电路输 出口。由此输出的电平会控制整个电路的导通或者断开，
ECD 将发生响应，即触摸TES 会精准控制ECD 的电致变
过程。
ECD
信县勺卜
刻字笔
图1基于TES 的ECD 触摸感应响应系统
2.2摩擦电传感器制备
摩擦电传感器结构示意图如图2 （a ）所示，其是一个 包括正负电极层、空隙层的多层结构。该传感器的具体制 备过程如下：釆用0. 05mm 的铜片作为正极性材料，厚度 为0. 05mm 的FEP 作为负极性材料，两个带电层之间用长 度为4mm 的弹簧隔开；然后，将基于涂有I TO 的PET 基底 作为上下电极，并与外电路连接；最后利用胶带将整个器 件封装。上述所制得的摩擦电器件在外力作用下，铜片和
FEP 接触并且相互摩擦，由于两者在摩擦序列处在不同的
蜂衣位置，铜片带正电荷，FEP 带等量的极性相反的静电荷， 从而产生电荷分离并且形成电势差。IT0作为发电机的电 能输出端，通过静电感应就可以在表面生成感应电荷，感 应电荷在电势差的驱动下经外电路形成电流。当外力撤去 时，在微弹簧的回复力作用下分离，从而在两表面形成电 势差，驱动电子通过外电路从上电极流向下电极，以平衡 下电极表面的正电荷。当两接触面恢复到初始位置时， 下电极表面的正电荷被完全中和，上电极表面产生等量的 感应正电荷。当外力再次施加到上基底时，产生相反的电 荷转换过程，因而在外电路产生相向的电荷。其原理示意
图如图2（b ）, （c ）所示。
图2 TES 的结构示意图以及工作原理图
2.3电致变器件制备
本系统中涉及的电致变器件是基于聚苯胺纳米阵列 为响应层的电致变器件，该响应层釆用循环伏安电化学 方法制备。该过程中用到的材料有：苯胺，硫酸均为分析
纯邙可拉丁试剂公司岀品），去离子水，IT0电极。具体 的制备过程如下：（1）聚苯胺的制备：首先，将IT0导 电玻璃置于乙醇中超声，然后用去离子里水冲洗，自然烘 干；然后配置0. 5mol/L 的H 2SO 4和0. 2mol/L 的苯胺混合 溶液，该混合溶液置于超声分散仪中分散15分钟，让苯 胺分散均匀；最后采用三电极体系的循环伏安方法制备聚
苯胺。在电化学制备完成之后，在IT0表面形成一层淡绿 的薄膜。（2）电解质凝胶的制备：在聚苯胺的表面再 涂一层利用水热合成的离子凝胶作为电解质；（3）利用 ITO/PET 电极对其进行封装，最终形成电致变器件。
2.4摩擦电与电致变器件的表征方法
摩擦电传感器采用GDS-1000-U 系列数字示波器（北 京凡实测控技术有限公司）测试开路电压（外接500MQ 电阻），采用keithley6514静电计测试短路电流。聚苯胺 纳米阵列膜采用CHI600E 系列电化学分析仪/工作站（上 海辰华仪器有限公司）制备；其聚苯胺薄膜形貌采用扫
描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM, Quanta FEG250）测量。
3结果与讨论
3. 1摩擦电传感器性能研究
本系统中的摩擦电传感器的尺寸为3cm X 3cm，弹 簧高度为4mm 。为了进一步提高TES 的电输出，用银布 摩擦FEP 薄膜表面，以提高正负电荷接触面积，这是因 为摩擦产生的电荷很大程度上取决于摩擦材料的表面形
态。为了清晰地比较FEP 表面微结构对其性能的影响， 釆用GDS-1000-U 系列数字示波器（外接500MQ 电阻）和
keithley6514静电计测量了基于不同微结构的FEP 的摩
擦电性能，其结果如图3所示。可以看出，以镰布摩擦后 FEP 为响应层的器件，其显示了更优异的性能，更大的开 路电压和更大的短路电流。基于处理过FEP 为响应层的摩 擦电器件其最高可输出高达345V 的正向电平，远远高于 未处理过摩擦电器件，其最高输出仅为60V 的正向电平。 同时，基于处理过FEP 为响应层的摩擦电器件具有1.03UA 短路电流，其也远远高于基于未处FEP 器件的0.42“ A 的 短路电流，而且，经过优化后的摩擦电器件其开路电压和 短路电流也明显优于文献报道结果。
图3
3.2电致变设备性能研究
本实验中基于IT0电极所得到的聚苯胺的薄膜呈绿, 在整个有效的区域内分布相对比较均匀（图4 a ）
。对于
198潜流带
信息记录材料2019年8月第20卷第8期国泵：媒介吕互联］
优化后所制备的聚苯胺薄膜的微观形貌，利用扫描电子显微镜也进行了详细地研究，结果如图4(b)所示。可以看出，所得到的聚苯胺薄膜是由阵列化的聚苯胺纳米纤维构成的，单个纳米纤维直径范围为50〜60nm，平均长度可达120〜150rmu而且，聚苯胺纳米阵列粗细比较均匀，其有利于聚苯胺在充放电过程中缩短离子传输通道，促使电解液离子能够快速扩散到电极表面和电极体相中，从而提高聚苯胺纳米阵列的电化学响应。
图4
3.3基于摩擦电器件的触摸感应系统
本文中的触摸感应系统主要包括摩擦电发电机，基于 聚苯胺的电致变器件及基于CD4013模块的信号处理电路，整个触摸感应响应系统如图5(a)所示，其摩擦电单元与电致变单元都是柔性器件。通过手或者外界轻触摩擦电模块，就可产生电压信号，触控基于聚苯胺的电致变器件的变过程。图5(b)-5(c)为触控前后基于聚苯胺电致变器件的示意图，可以看出触控后，电致变器件很快地就由
浅绿到墨绿的转变。可见，基于摩擦电的器件通过外界的交互作用可以作为触控开关实时控制电致变的过程。
图5
(a)触摸感应响应系统实物图，
(b)ECD为未触摸时的状态，(c)为触摸后的状态
4结论
本文报道了一种基于摩擦电传感器的电致变器件触感响应系统，通过外界交互作用，实现对电致变器件颜的控制。重点阐明了摩擦电发电机性能，电致变器件的制备、性能及触控系统的响应机制及对于电致变器件的触控效果。研究结果表明基于摩擦电传感器的触感单元，并不存在传统传感单元的局限性，能够实时控制基于聚苯胺电致变器件的变。而且，该摩擦电传感器由于本身具有柔性的特征，其应用面将变得十分广泛，不存在因为外部物理交互作用过大，会因为本身的脆性而导致损毁，并且制作简易，成本低廉，其在机器人、人机交互等领域显示了潜在的应用前景。
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基金项目：国家自然科学基金面上项目(61773372)；苏州大学第二十一批大学生课外学术科研基金重点项目(KY2019097A)。作者简介：符俊臣(1998-)，男，汉族，贵州遵义人，苏州大学本科在读，专业：机械工程.
通讯作者：王凤霞(1978-)，妇汉族，河南开封人，博士研究生，苏州大学副研究员，研究方向：柔性传感器及人机交互界面.
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