1.1研究背景和研究目的

目前，摩擦纳米发电机具有从人类活动、旋转轮胎、海浪、机械振动等方面获取能量的潜力，在个人电子、环境监测、医学甚至大规模电力的自供电系统中有着巨大的应用。然而，其各方面的应用仍处于较为初级的阶段，在对于从人体活动中获取能量的应用方面更是如此。随着国民经济的发展，人们对自身健康有了更高的要求，移动大数据健康医疗和智能可穿戴电子设备迅猛发展，计步器就是其中一员。本设计拟建立典型摩擦纳米发电机，并基于其原型初步设计压力传感器，利用其监控人体行走数据，达到获取人体运动数据、调节人体运动量的目的。

1.2国内外研究现状

通过结合摩擦起电和静电效应[1,2]收集能量的摩擦发电机自2012年[3]被发明以来吸引了巨大的研究热情。相比于传统的压电晶体等发电原理，摩擦发电机具有更高的效率、更高的输出特性和更容易实现器件的可拉伸性。早在2012年，王中林刚提出摩擦发电机时，他以Kapton以及PET薄膜作摩擦层，金薄膜作为电极，得到最大输出电压为,最大输出功率密度大约为[3]；接着在2013年，王中林通过使用Kapton和PMMA为摩擦层，纳米线作为电极，得到的输出功率密度最大可以达到和，并且其最大瞬时能量转换效率大约为[4]；同是2013年，来自佐治亚理工学院林龙等人以FEP材料作为摩擦层，金属铜作为电极，将钢棒置于摩擦层之间形成滚动电场，其最大功率输出密度为，其最大瞬时能量转换效率可以达到左右[5]。

同时，摩擦发电机在传感器领域也有较大的应用范围。在2012年，王中林团队通过用透明的聚合物材料薄膜作为摩擦层的纳米摩擦发电机来作为压力传感器，并且有望作为电子触摸屏的触摸传感来取代现阶段的电容传感[6]；在2013年，来自于佐治亚理工学院的杨娅，张胡林等人[7]将用PDMS薄膜作为摩擦层、ITO材料为电极的纳米摩擦发电机贴在人体皮肤上来收集生物能，通过传递人体肌电信号来检测人体健康状态；在2016年Ying-ChihLai、邓佳楠等人[8]，由于鳗鱼皮肤的启发，作出超耐久性和超伸展性的纳米摩擦发电机，并且可以达到与人体皮肤变形完全的一致性。

计步器是通过测量人体行走步数、速度、时间、距离等数据，计算人体卡路里或者热量消耗以此来控制人体运动量的一种工具，目前最常用的计步器主要基于加速度传感器[9]。越来越多的电子产品应用于可穿戴领域，但是在这些电子产品给人们的生活带来便利时，其缺点也越来越突出—续航不足。虽然这些电子设备不需要太多的能量，但目前的电源难以使其长期连续工作，所以开发一种低耗电、甚至在传感过程中不耗电的传感器件十分重要[10]。

摩擦纳米发电机的出现使得这一难题有了新的解决方案，在不需要电源的情况下可以直接感知所承受的压力，并且其得到的电信号与其所受的压强和压强的变化速率直接相关，此特性使其能较好地充当主动式压力传感器[11,12]，较好的解决了此类电子设备的能源问题。摩擦纳米发电机在其他的自供能和压力传感器方面都有很多的应用。[13-19]

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容

本课题拟通过采用PDMS和PET作为摩擦层、Au作为电极来实现一种摩擦发电机的制造，并且基于摩擦发电机原型，初步设计出压力传感器，并测量其发电性能，标定其传感特性，实现其传感功能，测量人体运动。

2.2研究目标

通过设计典型摩擦发电机，比较不同的微结构之间的发电效率，选取发电效率最高的摩擦发电机，并基于其设计用于测量人体运动的压力传感器。

2.3拟采用的技术方案及措施

①相关资料收集

通过谷歌学术，知网、图书馆等平台对摩擦发电机的相关资料进行收集。

②材料选取与结构设计