本發(fā)明涉及柔性電子學領域，尤其涉及一種摩擦電子學調諧二極管及應用其的調制電路。

背景技術：

隨著社會的發(fā)展，人們在即時通訊、智能可穿戴設備、個人健康監(jiān)測以及無線傳感領域對電子器件的需求越來越大，要求也越來越高。但是當前絕大多數(shù)的電子器件與外界環(huán)境缺乏一種有效的直接交互機制，人們很難主動式地參與到電子電路的調控中。而在電子電路調控領域，模擬信號調制起著非常重要的作用，如何實現(xiàn)對模擬信號的主動式人機交互調制就成了研究人員面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。

2012年，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組率先提出了摩擦納米發(fā)電機這一概念，這種發(fā)電機的工作原理是基于摩擦起電和靜電感應的耦合，將兩種鍍有電極并具有不同帶電特性的高分子材料貼合在一起，在外界機械力的作用下產生機械形變，使兩種材料發(fā)生相互摩擦。由于兩種材料具有不同的得失電子能力，會產生電荷分離并形成一個內建電勢差，兩個鍍好的電極通過靜電感應在表面產生感應電荷，并在摩擦靜電勢的驅動下經(jīng)過外電路形成電流。除了直接利用摩擦納米發(fā)電機作為自驅動系統(tǒng)，我們還利用它產生的靜電勢調控電子學器件。在2014年，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員和王中林院士首次提出了摩擦電子學新領域，它利用摩擦產生的靜電勢作為柵電壓來調控半導體中載流子的輸運特性。迄今為止，摩擦電子學已經(jīng)成功運用到邏輯電路、有機LED、有機存儲、智能觸碰開關、光電晶體管和晶體管觸覺傳感陣列中，并為主動式模擬信號調制提供了一個新的思路。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種摩擦電子學調諧二極管及應用其的調制電路，實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機對PN結等效電容的主動式調制，可以很好地取代傳統(tǒng)電路里的電容器件，尤其是可調電容器件，可用于模擬信號的調制，包括但不限于頻率調制、移相和濾波等信號處理，實現(xiàn)了對模擬信號的主動式人機交互調制，制備工藝簡單、選材廣泛，成本較低。

(二)技術方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種摩擦電子學調諧二極管，包括：摩擦納米發(fā)電機；阻抗元件；PN結元件，其第一端連接至所述摩擦納米發(fā)電機的第一輸出端，其第二端通過所述阻抗元件連接至所述摩擦納米發(fā)電機的第二輸出端；其中，所述PN結元件的第一端還連接至所述摩擦電子學調諧二極管的第一輸出端，其第二端還連接至所述摩擦電子學調諧二極管的第二輸出端，通過所述摩擦納米發(fā)電機在外力作用下產生的可調靜電勢調控PN結元件的結電容。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種調制電路，包括：待調制部件；以及所述摩擦電子學調諧二極管，用于利用其輸出的可變電容對所述待調制部件進行調制。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明一種摩擦電子學調諧二極管及應用其的調制電路至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用摩擦納米發(fā)電機與PN結元件相結合，實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機對PN結等效電容的主動式調制，可以很好地取代傳統(tǒng)電路里的電容器件，尤其是可調電容器件。

(2)摩擦電子學調諧二極管可用于模擬信號的調制，包括但不限于頻率調制、移相和濾波等信號處理，實現(xiàn)了對模擬信號的主動式人機交互調制；

(3)基于摩擦電子學調諧二極管器件，制備工藝簡單、選材廣泛，成本較低。

附圖說明

通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。

圖1為本發(fā)明中摩擦電子學調諧二極管的電路圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖；

圖3為圖2所示摩擦電子學調諧二極管的工作原理圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明第一實施例摩擦電子學調諧二極管的電學特性圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明第二實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明第三實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明第四實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖；

圖8為本發(fā)明中摩擦電子學調諧二極管在調頻電路中的應用；

圖9為本發(fā)明中摩擦電子學調諧二極管在等幅移相電路中的應用；

圖10為本發(fā)明中摩擦電子學調諧二極管在RC低通濾波電路中的應用。

【本發(fā)明主要元件符號說明】

10-摩擦納米發(fā)電機；

11-柔性基底； 12-第一銅膜；

13-第二銅膜； 14-PTFE薄膜；

15-第一摩擦電極 16-第二摩擦電極

20-阻抗元件；

30-PN結元件；

31-P型硅區(qū)域； 32-N型硅區(qū)域；

33-陽極； 34-陰極；

40-過孔。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供了一種摩擦電子學調諧二極管及應用其的調制電路，實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機對PN結等效電容的主動式調制，可以很好地取代傳統(tǒng)電路里的電容器件，尤其是可調電容器件，可用于模擬信號的調制，包括但不限于頻率調制、移相和濾波等信號處理，實現(xiàn)了對模擬信號的主動式人機交互調制，制備工藝簡單、選材廣泛，成本較低。

圖1為本發(fā)明中摩擦電子學調諧二極管的電路圖。請參照圖1，本發(fā)明提出的摩擦電子學調諧二極管包括摩擦納米發(fā)電機10、阻抗元件20、PN結元件30。

所述摩擦納米發(fā)電機包含能夠提供可調靜電勢的所有類型的摩擦納米發(fā)電機或摩擦納米發(fā)電機陣列，包括但不限于滑動式摩擦納米發(fā)電機、接觸分離式摩擦納米發(fā)電機、獨立式摩擦納米發(fā)電機、旋轉式摩擦納米發(fā)電機等。

所述阻抗元件，用于減少摩擦納米發(fā)電機自身的等效電容值對整個器件等效電容值的影響。優(yōu)選的，所述阻抗元件為阻抗值比較大的阻抗元件或阻抗網(wǎng)絡，包括但不限于高阻值的電阻器、電阻網(wǎng)絡、電容器、電感器、電阻電容網(wǎng)絡、電阻電感網(wǎng)絡、電感電容網(wǎng)絡等。

所述PN結元件，其第一端連接至所述摩擦納米發(fā)電機的第一輸出端，其第二端通過所述阻抗元件連接至所述摩擦納米發(fā)電機的第二輸出端，且所述PN結元件的第一端還連接至所述摩擦電子學調諧二極管的第一輸出端，其第二端還連接至所述摩擦電子學調諧二極管的第二輸出端，通過所述摩擦納米發(fā)電機在外力作用下產生的可調靜電勢調控PN結元件的結電容。所述PN結元件，為使用不同工藝制備成的各種類型的PN結或二極管，包括但不限于各種類型和型號的變容二極管、調諧二極管、普通二極管，以及實驗室條件下制備的各種PN結或二極管。

本發(fā)明中，采用摩擦納米發(fā)電機與PN結或二極管相結合，實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機對PN結等效電容的主動式調制，可以很好地取代傳統(tǒng)電路里的電容器件，尤其是可調電容器件。

一、第一實施例

本發(fā)明第一實施例提出的摩擦電子學調諧二極管，其包括的摩擦納米發(fā)電機為獨立式摩擦納米發(fā)電機，該獨立式摩擦納米發(fā)電機包括：靜摩擦層，包括：第一靜摩擦層和第二靜摩擦層；以及，動摩擦層，位于所述靜摩擦層的上方，且所述動摩擦層與所述靜摩擦層為位于摩擦電極序的不同位置的材料。

所述第一靜摩擦層和第二靜摩擦層可以為導電薄膜，例如銅膜。所述動摩擦層可以為有機薄膜，例如PTFE(聚四氟乙烯)薄膜。

以下結合圖2-4來詳細介紹本發(fā)明第一實施例中提供的摩擦電子學調諧二極管。圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖。如圖2所示，第一銅膜12和第二銅膜13沉積在一層聚酰亞胺柔性基底11上，第一銅膜12和第二銅膜13上方是與其等大小的一塊PTFE薄膜14(25mm×25mm)，其中，第一銅膜12、第二銅膜13和PTFE薄膜14構成了一個獨立式平面滑移摩擦納米發(fā)電機，第二銅膜13作為摩擦發(fā)電機的一個摩擦面和電極，通過預先設計好的過孔40和底層對應位置的陽極33連接在一起。二極管包括P型硅區(qū)域31和N型硅區(qū)域32。與此同時，陰極34通過一個阻抗元件20和頂層右側的第一銅膜12連接在一起，并且陽極33和陰極34分別通過導線和外電路連接，作為摩擦電子學調諧二極管的兩端。由此構成所述的摩擦電子學調諧二極管的基本單元。所述阻抗元件為串聯(lián)電阻。

圖3為圖2所示摩擦電子學調諧二極管的工作原理圖。圖3中(a)至(d)是摩擦電子學調諧二極管的一個完整工作周期。以下結合圖3來介紹本實施例摩擦電子學調諧二極管的工作原理：

1、請參照圖3中(a)所示，在初始狀態(tài)下，所述PTFE薄膜14和所述第一銅膜12完全接觸。由于摩擦起電作用使得所述PTFE薄膜14表面帶負電，所述第一銅膜12表面帶上等量正電荷。此時上下摩擦面的正負電荷處于平衡狀態(tài)，PN結兩端沒有電勢差，PN結耗盡區(qū)寬度維持不變，其勢壘電容為一恒定值。

2、請參照圖3中(b)所示，在外力F作用下，PTFE薄膜14沿著第一銅膜12表面向左側第二銅膜13滑動。由于缺少負電荷的束縛，第一銅膜12上的正電荷向PN結的N區(qū)移動。但是由于PN結的電容特性，只有一小部分的正電荷可以轉移到N區(qū)。此時，由于靜電感應作用，等量的負電荷會從第二銅膜13移動到P區(qū)。這樣，一個負的電勢差作用到PN結兩端，使得PN結兩端加載一個反偏電壓，耗盡區(qū)寬度增大，從而使得勢壘電容減小。

3、請參照圖3中(c)所示，當PTFE薄膜14滑動到最左端時，PN結兩端加載的反偏電壓最大，此時耗盡區(qū)寬度也最大，導致PN結結電容最小。

4、請參照圖3中(d)所示，在外力F作用下，PTFE薄膜14又沿著第二銅膜13表面向左側第一銅膜12滑動。當PTFE在外力作用下又重新回到初始位置時，反偏電壓又會逐漸減小為零，使得PN結的結電容回到最大值。在這樣的一個周期里，PN結的結電容大小就可以通過外部滑動調節(jié)。

由以上原理說明可知，這樣的摩擦電子學調諧二極管基本單元應用于模擬電路中，就能作為一個外力調控的二極管。對上述這一基本單元的等效阻抗Z進行了等效處理，將獨立式摩擦納米發(fā)電機等效為一個固定電容C_T，將變容二極管等效為一個可調電容C_pn，則等效阻抗

當串聯(lián)電阻R非常大時，例如R為10MΩ時，上式可以簡化為

即整個基本單元的等效阻抗Z約等于PN結元件的結電容的阻抗。因此，結電容隨外力改變發(fā)生變化時也會導致整個基本單元的等效阻抗發(fā)生變化。

圖4為本發(fā)明第一實施例中摩擦電子學調諧二極管的電學特性圖，其描述了摩擦納米發(fā)電機輸出電壓(反偏電壓)和PN結的結電容隨PTFE薄膜滑移距離的變化。如圖4所示，摩擦納米發(fā)電機輸出電壓和滑移距離呈近似線性的關系。當PTFE薄膜在最右端時(距離為零)，輸出電壓(反偏電壓)很小，幾乎為零，此時對應的PN結的結電容也最大，這與上述在圖3中的分析一致。當滑移距離增大時，輸出電壓逐漸增大，意味著PN結兩端的反偏電壓逐漸增大，這時結電容逐漸減小。在PTFE薄膜的整個滑動過程中，結電容的變化范圍約為8pF到39pF。

二、第二實施例

在本發(fā)明的第二個實施例中，還提供了另一種摩擦電子學調諧二極管。圖5為根據(jù)本發(fā)明第二實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖。如圖5所示，本發(fā)明第二實施例提出的摩擦電子學調諧二極管，其包括的摩擦納米發(fā)電機為接觸分離式摩擦納米發(fā)電機，該接觸分離式摩擦納米發(fā)電機包括第一摩擦摩擦電極15和第二摩擦電極16，二者在垂直方向上周期性地進行接觸分離運動，形成一個周期性變化的靜電勢施加在PN結兩端，從而對PN結的結電容進行調控。整個器件的等效電容值取決于第一摩擦電極和第二摩擦電極之間的垂直距離d的大小。所述第一摩擦電極可以采用金屬材料、非金屬導電材料或者背面帶有導電電極的無機薄膜或有機薄膜。所述第二摩擦電極可以采用背面帶有導電電極的無機薄膜或有機薄膜。

三、第三實施例

在本發(fā)明的第三個實施例中，還提供了另一種摩擦電子學調諧二極管。圖6為根據(jù)本發(fā)明第三實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖。如圖6所示，本發(fā)明第三實施例提出的摩擦電子學調諧二極管，其包括的摩擦納米發(fā)電機為滑動式摩擦納米發(fā)電機，該滑動式摩擦納米發(fā)電機包括第一摩擦電極15和第二摩擦電極16，二者在水平方向上周期性地進行相對滑動，形成一個周期性變化的靜電勢施加在PN結元件兩端，從而對PN結元件的結電容進行調控。整個器件的等效電容值取決于第一和第二摩擦電極之間的相對滑動距離d的大小。

所述第一摩擦電極可以采用金屬材料、非金屬導電材料或者背面帶有導電電極的無機薄膜或有機薄膜。所述第二摩擦電極可以采用背面帶有導電電極的無機薄膜或有機薄膜。

四、第四實施例

在本發(fā)明的第四個實施例中，提供了一種摩擦電子學調諧二極管。圖7為根據(jù)本發(fā)明第四實施例摩擦電子學調諧二極管的結構示意圖。如圖7所示，本發(fā)明第四實施例提出的摩擦電子學調諧二極管，其包括的摩擦納米發(fā)電機為旋轉式摩擦納米發(fā)電機，該旋轉式摩擦納米發(fā)電機包括第一摩擦電極15和第二摩擦電極16，二者在軸向上周期性地進行相對旋轉，形成一個周期性變化的靜電勢施加在PN結元件兩端，從而對PN結元件的結電容進行調控。整個器件的等效電容值取決于第一和第二摩擦電極之間的相對旋轉角度θ的大小。

所述第一摩擦電極可以采用金屬材料、非金屬導電材料或者背面帶有導電電極的無機薄膜或有機薄膜。所述第二摩擦電極可以采用背面帶有導電電極的無機薄膜或有機薄膜。

五、第五實施例

在本發(fā)明的第五個實施例中，提供了一種應用摩擦電子學調諧二極管的調頻電路。利用摩擦電子學調諧二極管基本單元的電容能夠被外力進行調控的特性，展示了其在模擬信號調制領域的應用。其中，摩擦電子學調諧二極管中所采用的摩擦納米發(fā)電機包含能夠提供可調靜電勢的所有類型的摩擦納米發(fā)電機或摩擦納米發(fā)電機陣列，包括但不限于滑動式摩擦納米發(fā)電機、接觸分離式摩擦納米發(fā)電機、獨立式摩擦納米發(fā)電機、旋轉式摩擦納米發(fā)電機等。

圖8為根據(jù)本發(fā)明第五實施例摩擦電子學調諧二極管在調頻電路中的應用，圖8中(a)為應用摩擦電子學調諧二極管的調頻電路示意圖，如圖8中(a)所示，該調頻電路包括摩擦電子學調諧二極管TTD、電感L、振蕩器Osillator及相應的外圍器件，其中TTD表示為一個力控可調電容。該力控可調電容與電感L組成LC并聯(lián)諧振回路，與振蕩器Osillator結合，即可輸出一個頻率可變的正弦信號f_out，其頻率由LC回路諧振頻率f₀決定。由于

因此，通過外力調控摩擦電子學調諧二極管的電容C就可以實現(xiàn)模擬信號的頻率調節(jié)。圖8中(b)是輸出信號的頻率隨PTFE薄膜滑移距離的變化，如圖8中(b)所示，隨著滑移距離的增大，輸出信號的頻率也逐漸增大(當滑移距離從0mm增大到25mm時，輸出信號的頻率也從38MHz增大到81.5MHz)。從這一結果可知，摩擦電子學調諧二極管可以有效地代替?zhèn)鹘y(tǒng)調頻電路里的可變電容，實現(xiàn)通過外力調制模擬信號的頻率。

六、第六實施例

在本發(fā)明的第六個實施例中，提供了一種應用摩擦電子學調諧二極管的等幅移相電路。其中，摩擦電子學調諧二極管中所采用的摩擦納米發(fā)電機包含能夠提供可調靜電勢的所有類型的摩擦納米發(fā)電機或摩擦納米發(fā)電機陣列，包括但不限于滑動式摩擦納米發(fā)電機、接觸分離式摩擦納米發(fā)電機、獨立式摩擦納米發(fā)電機、旋轉式摩擦納米發(fā)電機等。

圖9為根據(jù)本發(fā)明第六實施例摩擦電子學調諧二極管在等幅移相電路中的應用，圖9中(a)為應用摩擦電子學調諧二極管的等幅移相電路示意圖，如圖9中(a)所示，該等幅移相電路包括摩擦電子學調諧二極管TTD、1個運算放大器以及3個電阻(R₁，R₂，R₃)，其中把TTD表示成一個力控可調電容。由理論推導可知，當3個電阻(R₁，R₂，R₃)完全相等時，輸出信號U_out和輸入信號U_in的幅值完全相等，相位差為-2arctan(2πfR₃C，其中f為輸入信號的頻率，C為TTD的電容值。也就是說，通過外力調控摩擦電子學調諧二極管基本單元的電容就可以實現(xiàn)模擬信號的相位調節(jié)。圖9中(b)為輸出信號U_out的相移隨PTFE薄膜滑移距離的變化，如圖9中(b)所示，隨著滑移距離的增大，U_out的相移逐漸減小(從0mm時的-160.3°變化到25mm時的-66.54°)。從這一結果可知，摩擦電子學調諧二極管可以有效地代替?zhèn)鹘y(tǒng)移相電路里的可變電容，實現(xiàn)通過外力調制模擬信號的相位。

七、第七實施例

在本發(fā)明的第七個實施例中，提供了一種應用摩擦電子學調諧二極管的模擬信號RC低通濾波電路。其中，摩擦電子學調諧二極管中所采用的摩擦納米發(fā)電機包含能夠提供可調靜電勢的所有類型的摩擦納米發(fā)電機或摩擦納米發(fā)電機陣列，包括但不限于滑動式摩擦納米發(fā)電機、接觸分離式摩擦納米發(fā)電機、獨立式摩擦納米發(fā)電機、旋轉式摩擦納米發(fā)電機等。

圖10為根據(jù)本發(fā)明第七實施例摩擦電子學調諧二極管在模擬信號RC低通濾波電路中的應用，圖10中(a)為應用摩擦電子學調諧二極管的模擬信號RC低通濾波電路示意圖，如圖10中(a)所示，該模擬信號RC低通濾波電路包括摩擦電子學調諧二極管TTD以及電阻R_f，其中TTD表示為一個力控可調電容。該力控可調電容與電阻R組成RC低通濾波電路，可以允許低頻信號通過，而將高頻信號衰減，當電容變化時，該電路的濾波特性也會隨之改變。因此，通過外力調控摩擦電子學調諧二極管基本單元的電容C就可以實現(xiàn)對低通濾波電路的調節(jié)，同理也可以實現(xiàn)對高通濾波電路和帶通濾波電路的調節(jié)。圖10中(b)是滑動時的濾波效果。如圖10中(b)所示，選取一個頻率為1MHz的正弦波作為標準信號，一個頻率為15MHz的正弦波作為干擾信號。當PTFE薄膜滑移距離為25mm時，可以看到這個干擾信號明顯的疊加到標準信號上；當逐漸減小滑移距離至零時，干擾信號很大程度上被衰減掉，留下標準的1MHz正弦信號。從這一結果可知，摩擦電子學調諧二極管可以有效地代替?zhèn)鹘y(tǒng)移相電路里的可變電容，實現(xiàn)通過外力調節(jié)模擬信號的濾波效果。

綜上所述，本發(fā)明基于摩擦納米發(fā)電機和調諧二極管，提出了摩擦電子學調諧二極管的概念，可用于主動式模擬信號調制領域。區(qū)別于以往模擬信號的電控調制，本發(fā)明提供了一種外部運動調制模擬信號的設計方案，并且證明摩擦電子學調諧二極管在模擬信號頻率調制、移相和濾波中都有很好的應用前景。

至此，已經(jīng)結合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明LC諧振式傳感器檢測電路及檢測方法有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)所述動摩擦層除了采用PTFE薄膜之外，還可以用FEP、PET、PDMS等帶負電高分子材料來代替，同樣不影響本發(fā)明的實現(xiàn)；

(2)所述靜摩擦層除了采用銅膜之外，還可以采用其他金屬、導電氧化物或導電高分子材料，同樣不影響本發(fā)明的實現(xiàn)。

當然，根據(jù)實際需要，本發(fā)明LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法還包含其他的結構和步驟，由于同本發(fā)明的創(chuàng)新之處無關，此處不再贅述。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。