CN103391020A - 一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明结合弹性元件和纳米材料构建出基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置。弹性元件本身具有1维、2维和多维的振动特性，当外界多自由度振动存在时，弹性元件拾取该振动能量，使发电机中不同摩擦电材料发生接触或/和相对位移变化，从而产生电信号输出，可以对小型的电子设备进行充电，具有成本低、便携和结构简单等特点。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置

技术领域

本发明涉及一种能量采集装置，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的多自由度振动能量采集装置。

背景技术

随着无线传感技术以及微型集成电子电路的不断发展，无线通信、传感器等微型电子器件目前已大规模应用到航空、航天、航海、军事和工业等各个领域。其中，电源是无线传感器件正常和持久工作的重要保障，目前主要的供电方式是电池，与通讯、存储以及数据处理等技术相比，电池技术在过去的十多年里进步缓慢。虽然电池可以持续产生较大的电流，但其寿命有限，长则一年短则几个月就需要更换，从而使得维护工作及成本大大提高；另外，在一些非常恶劣的工作环境，例如有辐射、有毒等，更换电池不太现实。

能量采集器是将环境中的能量转换为电能，从而可为无线电子器件提供持续的电能，构成自维护、自供电的无线电子器件。由于环境中振动能量无处不在，存在范围广泛，目前是研究重点，研究者们从以下各个方面展开相应的工作，1）研究不同的换能方式，如压电式、静电式、电磁式，并提出了相应的结构，如中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1547312A）研究具有宽频带响应的换能结构，包括采用非线性磁力、多悬臂梁结构等等。

但以上的采集器均只能响应环境中一个方向的振动能量，当外界振动具有多个方向，或者振动方向随时间不断变化时，在这种情况下，其他方面的振动不能被拾取，采集器的转换效率不高。

发明内容

为了克服上述现有振动发电装置技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于纳米发电机的多自由度能量采集装置，其特征在于包括：第一部件、第二部件、重物和弹性元件，其中所述第一部件包括第一摩擦层和贴合在所述第一摩擦层下表面的第一导电层；所述第二部件包括第二摩擦层和贴合在所述第二摩擦层上表面的第二导电层；所述重物与所述第二部件的上表面固定绝缘连接，使得所述第一摩擦层和所述第二摩擦层面对面并紧密接触；所述弹性元件的一端为固定端，另一端为自由端与所述重物相连；所述第一部件与所述弹性元件的固定端之间的相对位置保持不变；在外力作用下，所述重物和所述弹性元件带动所述第二部件发生位移，使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层之间形成相对滑动摩擦，或者，使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层之间形成接触-分离循环，同时通过所述第一导电层和所述第二导电层向外电路输出电信号；

优选地，构成所述第一摩擦层的摩擦材料和构成所述第二摩擦层的摩擦材料之间存在摩擦电极序差异；

优选地，所述弹性元件能够在一维、二维和/或三维方向上发生弹性形变；

优选地，所述弹性元件的弹性系数为4×10²Kg/mm²-12×10⁴Kg/mm²,优选8×10³Kg/mm²。

优选地，包含1个所述弹性元件；

优选地，包含2个以上所述弹性元件，并且各弹性元件物理尺寸及弹性参数相同或不同；

优选地，在无外力施加时，所述弹性元件的固定端和自由端间的中心线与所述第一摩擦层和第二摩擦层接触的摩擦表面平行或垂直；

优选地，所述弹性元件为弹簧或弹性悬臂梁；

优选地，所述弹簧选自螺旋状弹簧、盘状弹簧、异型弹簧或锥形弹簧等；

优选地，所述重物的重量为第二导电层和第二摩擦层总重量的2倍以上；

优选地，所述重物直接固定在所述第二导电层的上表面，并且与所述第二导电层具有相同或相近的尺寸和与第二导电层平行的横截面形状；

优选地，还包括支撑部件用于支撑和固定所述第一部件；

优选地，所述支撑部件还用于固定连接所述弹性元件的固定端；

优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，并选自绝缘体、半导体和导体。

优选地，所述绝缘体选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯；所述半导体选自硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体；所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金、铟锡氧化物ITO、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩。

优选地，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面，和/或，所述第二摩擦层面向第一摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构；

优选地，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列；

优选地，所述第一摩擦层或第二摩擦层为导电材料；

优选地，所述第一导电层的上表面即为第一摩擦层，或，第二导电层的下表面即为第二摩擦层；

优选地，所述第一导电层或第二导电层为导电薄膜；

优选地，通过沉积方法使所述第一导电层与第一摩擦层，和/或，所述第二导电层与第二摩擦层紧密结合在一起；

优选地，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面，和，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面，是由摩擦部位和非摩擦部位构成的图形化结构；

优选地，所述摩擦部位由摩擦材料构成，所述非摩擦部位为在摩擦过程中不产生接触电荷的材料、空白或高度低于摩擦部位的绝缘材料；

优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层上的图形化结构一致；

优选地，所述图形化结构为规则均匀排布的周期性结构或非均匀排布的不规则结构；

优选地，所述周期性结构为棋盘状或等间隔的条状或环状阵列。

本发明还提供一种组合的多自由度能量采集装置，其特征在于包括：2个以上前述任一款能量采集装置作为能量采集单元，所有能量采集单元共用一个所述重物，并均通过所述第二部件与所述重物固定；

优选地，所述重物为柱体，并具有与所述能量采集单元数目相等的侧面，使得每个能量采集单元的第二部件能够分别与所述重物的一个侧面固定。

与现有技术相比，本发明的摩擦电纳米多自由度发电机具有下列优点：

1）将具有多自由度振动特性的弹性元件应用到振动能量采集中，不同自由度对应不同的外界振动方向，当存在某一个方向振动时，弹性元件在对应的自由度产生运动，使不同摩擦电材料发生接触、相对位移发生变化，产生电输出。并且，弹性元件在某一个时刻，既可响应一个自由度的振动，也可以同时响应两个及以上的振动，产生电输出。可以充分将环境中多自由度的振动能量转换为电能，提高装置的转换效率，扩展其应用范围。

2）该纳米发电机在多自由度下，可实现两种及以上摩擦形式的发电。在外界振动激励下，弹性元件可使摩擦材料间产生多种形式的发电，包括往复面摩擦、面旋转摩擦，以及接触分离摩擦等多种形式，充分结合多自由度振动特性和各种摩擦形式，提高发电机应用的灵活性。

3）将纳米材料融合在多自由度振动中，利用纳米材料的优良机械或者电特性，使装置具有高的机械能到电能的转换效率；另外，通过灵活、合理设计纳米材料在宏观空间的排布配置，不但可以提高输出，并且可以使发电机展现出更广泛的用途，如传感探测应用。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1本发明多自由度能量采集装置的典型结构示意图；

图2本发明多自由度能量采集装置通过滑动摩擦进行发电的工作原理图；

图3本发明多自由度能量采集装置通过接触摩擦进行发电的工作原理图；

图4本发明实施例一单弹性平行结构多自由度能量采集装置结构示意图；

图5本发明实施例二组合式单弹性元件多自由度多能量采集装置结构示意图；

图6本发明实施例三单弹性垂直结构多自由度能量采集装置结构示意图；

图7本发明实施例三另一种典型结构示意图；

图8本发明实施例四多弹性平行结构多自由度能量采集装置结构示意图；

图9本发明实施例五组合式多弹性元件多自由度能量采集装置结构示意图；

图10本发明实施例六多弹性垂直结构多自由度能量采集装置结构示意图；

图11本发明实施例七摩擦表面规则的图形化结构示意图；

图12本发明实施例七摩擦表面不规则的图形化结构示意图；

图13本发明实施例七摩擦部位和非摩擦部位的相对高度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

首先，参照图1来描述本发明多自由度能量采集装置的基本结构。该装置至少包括能够相对滑动和/或纵向分离的第一部件和第二部件、重物和弹性元件，第一部件和第二部件均包括摩擦层和导电层，摩擦层与导电层的一个表面贴合，且两个部件的摩擦层相互对置并在重物的作用下紧密接触。

如图1所示，第一部件10包括第一摩擦层101和贴合在第一摩擦层101下表面的第一导电层102；第二部件包括第二摩擦层201和贴合在第二摩擦层201上表面的第二导电层202；重物30与第二部件20的上表面固定绝缘连接，使得第一摩擦层101和第二摩擦层201面对面并紧密接触；弹性元件40的一端为固定端，另一端为自由端与重物30相连；第一部件10与弹性元件40的固定端之间的相对位置保持不变；在外力作用下，重物30和弹性元件40带动第二部件20发生位移，使第二摩擦层201与第一摩擦层101之间形成相对滑动摩擦，或者，使第二部件20的第二摩擦层201与第一部件10的第一摩擦层101之间形成接触-分离循环，同时通过第一导电层102和第二导电层202向外电路60输出电信号；第一摩擦层101由第一摩擦材料构成，第二摩擦层201由第二摩擦材料构成，两种摩擦材料具有不同的摩擦电极序。

在此，“摩擦电极序”是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。两种摩擦电极序极性存在差异的材料接触摩擦并分离后，其表面所带有的电荷称为“接触电荷”。一般认为，接触电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

在有外力作用在能量收集装置上时，会有一部分分力F通过对重物30和弹性元件40的作用，使第一摩擦层101与第二摩擦层201发生相对滑动摩擦或接触-分离循环，由于第一摩擦层101的第一摩擦材料与第二摩擦层201的第二摩擦材料在摩擦电极序中存在差异，在滑动和接触的过程中引发表面电荷转移，从而在第一摩擦层101和第二摩擦层201上分别形成带正电的表面电荷和带负电的表面电荷（参见图2-a和图3-B）。当第一摩擦层101和第二摩擦层201分离或继续滑动并发生接触面积的变化时，为了屏蔽由于分离错位的第一摩擦层101和第二摩擦层201中表面电荷所形成的电场，电子就会通过外电路在第一导电层102和第二导电层202之间发生转移，从而产生一外电流（参见图2-b和图3-C）。当反方向施加外力时，第一摩擦层101和第二摩擦层201因为滑动或分离而形成的电荷错位消失，两导电层间由于分离摩擦电荷产生的感应电势随之消失，使得第二导电层202中的屏蔽电子流回第一导电层102，从而给出一相反方向的外电流（参见图2-c和图3-D）。如此往复，本发明的能量采集装置就能将外部的机械能收集并转换为电信号，从而实现能量收集的作用。

第一摩擦层101和第二摩擦层201的摩擦材料可以是下面一些常用的绝缘材料：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。

相对于绝缘体，半导体和导体均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和导体也可以作为制备两种摩擦材料。常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦材料，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的导体包括金属、某些氧化物、掺杂的半导体和导电有机物，其中金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；氧化物常见的是铟锡氧化物ITO；导电有机物一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

根据本发明，第一摩擦层101和第二摩擦层201优选具有较大的得电子能力差异，即优选分别由摩擦电极序的差异较大的两种摩擦材料来制备，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF₄；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

上述摩擦材料的表面可以进行物理改性，使第一摩擦层101面向第二摩擦层201的表面，和/或，第二摩擦层201面向第一101的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。参照图1，可以对第一摩擦层11上表面和/或第二摩擦层21的下表面进行物理改性，以增加第一摩擦层11与第二摩擦层21之间的接触面积和摩擦效果，从而增大接触电荷量。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。所述微结构选自微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。优选所述微结构具有10nm～50μm的平均尺寸，更优选平均尺寸为50nm～10μm，更优选100nm～800nm。

也可以对摩擦材料的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互接触的摩擦材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团），都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性为正的摩擦材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在PDMS摩擦材料表面利用水解-缩合（英文简写为sol-gel）的方法修饰上正硅酸乙酯（英文简写为TEOS），而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦材料变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

所述第一摩擦层101和第二摩擦层201的厚度对本发明的实施效果没有显著影响，本发明优选的摩擦层为薄膜，厚度为100nm～1mm，优选1μm～1mm，更优选10μm～800μm，最优选20μm～500μm，这些厚度对本发明所有的技术方案都适用。

第一导电层102和第二导电层202是两个导电元件，作为能量采集装置的两个电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等；常用的导电氧化物包括铟锡氧化物ITO、离子掺杂型的半导体和导电有机物。导电层最好与相应的摩擦层的表面紧密接触，以保证电荷的传输效率，较好的方式是将导电材料通过沉积的方式在相应摩擦层的表面成薄膜，厚度可以为10nm-1mm，优选为100nm-500μm；具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀。

根据本发明，第一摩擦层101或第二摩擦201也可设计为导电材料，即其可以同时用作导电层，即第一导电层102的上表面即为第一摩擦层101，或者第二导电元件202的下表面即为第二摩擦层201。当第一摩擦层101作为导电层时，可与原有导电层102成为一体；当第二摩擦层201作为导电层时，可与原有导电层202成为一体。

重物30有两方面作用，一方面决定整个系统工作的频率范围，二方面要保证两个摩擦面间能够紧密接触。一般而言，摩擦纳米发电机的摩擦层和导电层都比较薄，重量比较轻，仅仅依靠二者自身的重量很难使两个摩擦层之间实现充分的接触。因此，本发明的能量采集装置中引入了重物30，该重物30与摩擦层和导电层相比具有较大的重量，将其置于第二部件20的上表面，由其重量而带来的压力能够使第一摩擦层101和第二摩擦层201之间紧密接触，两个摩擦表面上的微结构也充分接触，从而增加了有效摩擦的面积，改善电信号输出性能。但是重物30的重量也不能过大，避免摩擦层之间的摩擦阻力过大，能量采集装置的灵敏度不足。因此，重物30的质量可以根据需要采集的机械能的大小进行选择，重物重量通常要在第二摩擦层和第二导电层总重量的2倍以上，优选5倍以上，更优选10倍以上。

另一方面，重物30还能够决定整个系统工作的频率范围，原因是重物与弹性元件共同构成器件弹性部分，重物重量与弹性元件的弹性系数决定器件的频率响应特性，当弹性元件的弹性系数不变时，重物重量越重，器件响应频率越低，反之响应频率越高；当重物重量保持不变时，弹性元件弹性系数越大，器件响应频率越高，反之响应频率越低。

重物30可以直接固定在第二部件20的上表面，例如用胶粘合，也可以用外加的固定件固定，例如夹紧件，当然还可以采用本领域其他常规的固定方法。其固定的部位是整个第二部件20的上表面，如果第二部件20仅由第二摩擦层201和其上表面的第二导电层202构成，那么重物30则直接固定在第二导电层202的上表面。但是，为了不影响第二导电层202的电荷传导功能，最好确保重物30与第二导电层202之间为绝缘接触。为此，可以选择有机绝缘材料来制备重物30，例如塑料、有机玻璃、橡胶、聚酯等等，或者这些材料制成的重物中加入密度更大的物体，以保证较小体积具有大的重量。对重物30的尺寸和形状没有特殊限定，可以是柱体、多面体或球体，优选具有与第二导电层202相同或相近的尺寸和横截面形状（该横截面与第二导电层202平行）。

弹性元件40的作用是获取外部机械能量，并使该机械能驱使重物30产生运动，该作用是通过其一端固定、而另一个非固定端与重物30相连来实现的：在初始状态或平衡状态下，弹性元件40的形态保持固定不变；当有外部机械能存在时，重物30会在弹性元件40的弹性力作用下在某一方向上发生移动，在外力撤销后该弹性形变为恢复原状又带动重物30发生反方向的位移，从而形成一个类似弹簧振子的受迫振动模式，使得重物30在外力撤销后仍能在一段时间内发生方向周期性反转的往复运动，成为能量采集装置的持续动力源。由于重物30的移动会带动第一摩擦层101和第二摩擦层201的摩擦而消耗部分能量，因此重物30往复运动的振幅呈逐渐减小的趋势。该弹性元件40可以采用本领域常用的弹簧或弹性悬臂梁来充当，其中弹簧可以是螺旋状、盘状、异型弹簧或锥形弹簧等常规形状。

弹性元件40的性质，特别是弹性对能量采集装置的灵敏度和工作频率有重要的影响，这是因为重物30与弹性元件40共同构成器件弹性部分，重物重量与弹性元件的弹性系数决定器件的频率响应特性，当弹性元件的弹性系数不变时，重物重量越重，器件响应频率越低，反之响应频率越高；当重物重量保持不变时，弹性元件弹性系数越大，器件响应频率越高，反之响应频率越低。因此，选择弹性元件的弹性系数时要根据外界所要采集能量的频率响应范围，结合所选择重物30的重量共同决定。所述弹性元件的弹性系数为4×10²Kg/mm²-12×10⁴Kg/mm²,优选4×10²Kg/mm²-12×10³Kg/mm²，优选4×10³Kg/mm²-12×10³Kg/mm²，更优选8×10³Kg/mm²。

弹性元件40具有多维运动的特性，在外力的作用下弹性元件40能够在一维、二维甚至是三维的方向上发生弹性形变。因此，在弹性元件40的帮助下，重物30不仅能够在与两摩擦面接触相平行的平面上往复运动，还能在与该平面垂直方向上下移动，从而实现多自由度的能量采集。该功能的调整主要通过控制弹性元件40的种类和其自由端与重物30的连接位置来实现。弹性元件40的非固定端可以连接在重物30的任何表面，在实际使用时，需要与外力的施加方向配合。例如施加的外力主要集中在与摩擦表面相平行的平面上，那么为了收集这部分外力，则需要第一部件和第二部件最好在该力的方向上进行相对移动，所以在无外力施加的状态下，弹性元件40的固定端和其自由端之间的连线最好与摩擦表面呈平行状态，这样才能避免不必要的能量损失；而如果施加的外力主要集中在与摩擦表面相垂直的平面上，那么弹性元件40最好连接在重物30与摩擦表面（第一摩擦层101和第二摩擦层201接触的表面）相平行的上表面上，使其固定端和自由端之间的连线与摩擦表面垂直，才能将这部分外力有效的转化为重物30和第二部件20的竖直往复运动。弹性元件40的数量和排布方式没有特别限定，可以只有一个，也可以有2个以上。一般而言，弹性元件40的数量越多，对重物30的限位作用越好，具体可以根据实际需要进行选择。对于含有多个弹性元件40的情况，各弹性元件可以相同也可以不同，具体可以参见后面的实施例。

弹性元件40的固定端501应该保持与第一部件10的相对位置不变，以使得其自由端在带动重物30往复运动时，第一部件10和第二部件20之间能够形成滑动或接触摩擦。该固定端501可以是能量采集装置之外的部件，例如放置能量采集装置的环境中包含的某一元件；也可以是能量采集装置本身就有的支撑部件，具体结构可以参见后面的具体实施例。而该固定端501与第一部件10的相对位置保持不变的方式，既可以是将第一部件10同时固定在该固定端501上，也可以是第一部件10的支撑部件502与弹性元件40的固定端501保持相对固定。

第一部件10的支撑部件502不是本发明必须的部件，但是如果包含该部件，则可以将整个能量采集装置集成在该支撑部件之上，使整个装置具备更好的便携性，组装和使用也更为简单。支撑部件502最重要的是要为第一部件10的固定提供支撑表面，因此可以是平板、框架、箱体等各种常规能够提供一定表面的结构。如果该支撑部件502同时还用于固定连接弹性元件40的固定端，那么还需要在其上形成相应的固定表面，可以是结合在支撑部件502表面上的柱体（参见图4）、框架（参见图7），也可以将整个支撑部件502设置成具有多个固定表面的结构，例如框架（参见图5）、箱体（参见图6）等。

支撑部件502最好是刚性的，以提供较好的支撑和固定功能，可以用本领域常规的塑料、聚酯等材料制备。

以上参照图1至图3说明了本发明能量采集装置将外力转化为电能的工作原理、基本结构以及各组成部件的功能、结构和材料选择。以下将结合具体的实施例，并参照附图对本发明的各种实施方式作进一步的详细说明，以使公众对本发明能量采集装置的结构变形方式有更为明确的了解。因为这些实施例都是在图1所示基本结构的基础上进行适当变形得到的，除另有说明外，各组成部件均可直接采用上述提到的设置。

实施例一：

图4所示的为单弹性平行结构多自由度能量采集装置。所述能量采集装置从上至下依次包括重物30、由第二导电层202和第二摩擦层201构成的第二部件、由第一导电层102构成的第一部件和第一部件的支撑部件502，其中，弹性元件40的一端与重物30相连，另一端固定在固定端501上，并且弹性元件40的固定端501和第一部件均被固定在其支撑部件502的上表面。

本实施例中，第一导电层102同时起到导电层和摩擦层2个作用。由于导电材料与绝缘材料和半导体材料之间的摩擦电极序相差较大，因此由导电材料作为一个摩擦层，能够明显增加两个摩擦层接触后产生的表面电荷密度，增大两个导电层之间产生的电势差，从而提高本发明的输出功率。

第一导电层102由导电金属薄膜构成，具有良好的导电性，其与第二摩擦层201接触的表面上可以设置纳米结构，例如纳米孔洞、纳米颗粒、纳米棒等。第二摩擦层201由容易得到电子的材料构成，可以是前面所列出的高分子材料或半导体，优选聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚丙烯；第二导电层202与第二摩擦层201通过金属沉积方法使两者结合在一起；弹性元件40优选由一根弹簧构成，并且弹性元件40将重物30的侧面和固定端501连接在一起。

重物30、第二导电层202、第二摩擦层201和第一导电层102在x-y平面上的横截面具有相同的尺寸和形状，虽然本实施例附图中示出的该横截面是椭圆形，但是显然采取其他各种规则和不规则图形也完全可以，这都是可以根据实际需要进行设计的。

本实施例的发电机发电具体过程为：当存在外界任意方向激励时，外界加速度会分解到x-y平面内相应方向激励，或者z轴上激励，当x-y平面加速度占优时，所述重物30和第二导电层202将在弹性元件40带动下，与支撑部件502在x-y平面产生相对位移，第一导电层102和第二摩擦层201将产生相对滑动摩擦。在弹性元件40带动重物30和第二导电层202偏离平衡位置过程中，由于第一导电层102和第二摩擦层201各自表面上极性相反的接触电荷存在，两种材料之间发生分离时，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第二导电层202和第一导电层102上存在电势差异，在有外加负载的情况下，该电势差造成自由电子在第二导电层202和第一导电层102间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的电流；当外界加速度使重物30和第二导电层202回复平衡位置过程中，由于第二摩擦层201和所述第一导电层102之间的相对位移再次被改变（减小），第二导电层202和所述第一导电层102间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的电流。在负载接入的情况下，第二摩擦层201和第一导电层102之间在相对位移增加和减小过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的电流流向相反。

当z平面加速度占优时，重物30和第二导电层202将在弹性元件40带动下，与支撑部件502在z平面产生相对分离。在弹性元件40带动重物30和第一导电层102分离过程中，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第二导电层202和第一导电层102上存在电势差异，在有外加负载的情况下，该电势差造成自由电子在第二导电层202和第一导电层102间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的电流；当外界加速度使重物30和第二导电层202回复接触位置过程中，由于第二摩擦层201和第一导电层102之间的相对位移减小，第二导电层202和第一导电层102间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的电流。

实施例二：

图5是组合式单弹性元件多自由度能量采集装置的一种典型结构，包括2个能量采集单元，二者共用一个重物30、一个弹性元件40和一个支撑部件502；每个能量采集单元都由一个第一摩擦层101、第一导电层102和一个第二导电层202构成，并且2个第二导电层202分别与重物30的上下表面固定；支撑部件502同时作为弹性元件40的固定端。这种结构的优势在于重物30在被外力触动后，能够同时带动2个能量采集单元工作，可以向外输出2组电信号，对外力的利用效率更高。

这两个能量采集单元中摩擦层和导电层的材料可以一致，也可以不同，具体可以根据外电路的供电需要来选择。

支撑部件502用于同时对上下2个第一部件和1个弹性元件40提供支撑，因此至少具有上表面、下表面和一个端面，能够满足该条件的结构均可以用于作为支撑部件502。需要注意的是，上下表面之间的距离要足够，以保证2个第二导电层202和第一摩擦层101均充分接触；同时又不能太小，阻碍了重物30的移动。

本实施例的发电机发电具体过程为：当存在外界x-y平面内任意方向激励时，重物30和2个第二导电层202将在弹性元件40带动下，与支撑部件502在x-y平面产生相对位移，上下2个第二导电层202分别与相应的第一摩擦层101产生相对滑动摩擦。在弹性元件40带动重物30和第二导电层202偏离平衡位置过程中，由于第二导电层202和第一摩擦层101各自表面上极性相反的接触电荷存在，当发生分离时，第一导电层102和第二导电层202上存在电势差异。在第一导电层102和第二导电层202上外加负载情况下，该电势差将造成自由电子在第一导电层102和第二导电层202之间流动以平衡相应的电势差，从而在每个第一导电层102和第二导电层202间形成通过各自负载的电流；当外界加速度使重物30和第二导电层202回复平衡位置过程中，由于第二导电层202和第一摩擦层101之间的相对位移减小，第一导电层102和第二导电层202之间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过各自外加负载的电流。

需要说明的是，当2个能量采集单元的各部分材料均相同时，2个第一导电层102和第二导电层202间产生电压和电流，具有相近的幅度和相位，因此，如果将两个能量采集单元并联，即用导线连接2个第二导电层202，那么在2个第一导电层102之间的电压与未连接前单个第一导电层102和第二导电层202间的电压一致，而相应电流增加一倍；如果用将两个能量采集单元串联，则电流不变而相应电压增加一倍。

虽然本实施例中仅包含2个能量采集单元，但是显然还可以包含2个以上的能量采集单元，例如3个、4个、5个、6个甚至更多，所有能量采集单元共用一个重物30，并均通过第二部件20与重物30固定。为此，可以将重物30设置成柱体，并具有与所述能量采集单元数目相等的侧面，使得每个能量采集单元的第二部件20能够分别与重物30的一个侧面固定，即可实现多个能量采集单元同时工作的效果。因此这些技术方案也包含在本发明所保护的范围内。

实施例三：

图6为单弹性垂直结构多自由度能量采集装置。所述能量采集装置包含的第一导电层102、第二摩擦层201、第二导电层202、弹性元件40和重物30均与实施例一类似，不再赘述。区别仅在于：弹性元件40的自由端连接在重物30与第二导电层202接触面相对的上表面，其固定端连接在第一部件的支撑部件502上，弹性元件40与第二导电层202呈垂直状态。

弹性元件40采用的弹簧外径尺寸选择大一些，以保证所述重物30在x-y平面内运动时能使第一导电层102和第二摩擦层201充分、大面积的接触，并且弹性系数（优选8×10³Kg/mm²）的设置要保证重物30能在x-y平面内运动，也可以z轴往复运动。

本实施例中所采用的支撑部件502需要同时具有支撑第一部件的下表面和固定弹性元件40的固定端，满足该要求的所有结构均可用于支撑部件502的制备。例如图6所示的箱体式支撑部件502和图7所示的平台-支架式支撑部件502均可以，其中箱体式的支撑部件还额外提供了限位作用，能够有效地防止外力过大时，弹性元件40被过度拉伸超出其弹性限度，或者重物30和第二导电层202因完全偏离与第一部件接触的表面并被卡住而无法恢复，使能量采集装置停止工作。需要注意的是，弹性元件40固定端的表面与支撑第一部件的表面之间应具有合适的间距，该间距与弹性元件40的长度和弹性相关，优选该间距与弹性元件40的原始长度接近或更大，更优选该间距等于弹性元件40在自由端与重物30连接后自然下垂的长度。

当存在外界任意方向激励时，外界加速度会分解到x-y平面内相应方向的激励，或者z轴上的激励，其在x-y平面以及z轴向产生电输出过程与实施例一相近，不再赘述。

实施例四：

图8为多弹性平行结构多自由度能量采集装置。其主要结构均与实施例一相同，区别仅在于设置了3个弹性元件，即第一弹性元件401、第二弹性元件402和第三弹性元件403；相应的有3个弹性元件的固定端，即第一固定端501、第二固定端501’和第三固定端501’’；每个弹性元件均与重物30相连。

3个弹性元件在x-y平面内可对称分布，即各弹性元件间以120°分开，也可以是其他任意角度分开。另外，每个弹性元件的弹性模量、长度等参数可以设置为一致，也可以存在差异。当弹性元件间的分布角度、弹性模量、弹簧长度等参数设置为相同时，发电机在x-y平面内收集任意方向的振动能量时具有相同的性能，包括频率响应带宽、转换效率等；当设置不同的分布角度，或者不同的弹簧模量和长度是，发电机在x-y平面运动体现出不同的频率和时域响应特性，这种在不同方向上具有不同响应的特性，可扩展到应用于对外界振动方向的探测上。

当存在外界任意方向激励时，外界加速度会分解到x-y平面内相应方向激励，或者z轴上激励，其在x-y平面以及z轴向产生电输出过程与实施例一相近，不再赘述。需要说明的是，这里的三个弹性元件只是参考，但是显然只是多弹性元件中的一个具体实例，还可以是两个、或者多于三个弹性元件。

实施例五：

图9为组合式多弹性元件多自由度能量采集装置，其主要结构与实施例二基本相同，区别仅在于设置了2个弹性元件，即第一弹性元件401和第二弹性元件402；相应地，为了给新增加的弹性元件提供固定端，将支撑部件502做了调整，增加了对第二弹性元件进行固定的一个表面；每个弹性元件均与重物30的侧面连接。

2个弹性元件在x-y平面内可对称分布，即2个弹性元件间呈180°对称，也可以是其他任意角度分开。各弹性元件的弹性模量、长度等参数可以设置为一致，也可以存在不同。当弹性元件间的分布角度、弹性模量、弹簧长度均设置为一致时，发电机在x-y平面内收集任意方向的振动能量时具有相同的性能，包括频率响应带宽、转换效率等。当设置不同的分布角度，或者不同的弹簧模量和长度是，发电机在x-y平面运动体现出不同的频率和时域响应特性。

当存在外界任意方向激励时，外界加速度会分解到x-y平面内相应方向激励，其产生电输出过程与实施例二相近，不再赘述。

实施例六：

图10为多弹性混合结构多自由度能量采集装置，其主要结构与实施例三基本一致，区别仅在于在x-y平面增加了2个弹性元件，即一共设置了3个弹性元件，分别为垂直的第一弹性元件401、水平的第二弹性元件402和第三弹性元件403，每个弹性元件的自由端均与重物30的侧面连接，固定端为支撑部件502的内表面。

两个水平的弹性元件在x-y平面内可对称分布，即各弹性元件间存180°分开，也可以是其他任意角度分开；二者的弹性模量、长度等参数可以设置为一致，也可以存在不同。当弹性元件间的分布角度、弹性模量、弹簧长度均设置为一致时，发电机在x-y平面内收集任意方向的振动能量时具有相同的性能，包括频率响应带宽、转换效率等。当设置不同的分布角度，或者不同的弹簧模量和长度是，发电机在x-y平面运动体现出不同的频率和时域响应特性。

当存在外界任意方向激励时，外界加速度会分解到x-y平面内相应方向激励，或者z轴上激励，其在x-y平面以及z轴向产生电输出过程与实施例三相近，不再赘述。

实施例七：

本实施例中，能量采集装置可以使用前述的任意一种实施方式，在这里不再复述。区别在于，发生摩擦的两个摩擦表面均为图形化结构，即每个摩擦表面均为由摩擦部位和非摩擦部位组合构成的图形化结构。该图形可以是规则均匀排布的周期性结构，例如棋盘状（参见图11）、等间隔的条状或环状阵列等，也可以是非均匀排布的不规则图形，例如图12所示的情况。其中摩擦部位由摩擦材料构成，可以选择前面公开的任何材料，非摩擦部位是在2个摩擦层发生接触和/或滑动摩擦过程中不发生摩擦的部位，可以由在摩擦中不产生接触电荷的材料构成，也可以是空白，还可以由高度低于摩擦部位的绝缘材料（参见图13中标记为601和602的部分）构成。不论是哪一种形式，发生摩擦的两个摩擦面上的图形化结构最好一致，使得在接触时，摩擦材料的利用率和发电效率最高。摩擦层图形化的优势在于即便两个摩擦层之间的相对位移很小，两个摩擦层接触的变化量却相对较大，更利于产生较大的输出电信号。

图11是一种典型的均匀排布的规则图形——棋盘形。以第二摩擦层为例，图中黑色的方形单元代表由第二摩擦层材料形成的摩擦部位2011，其表面也可以如前所述设置各种纳米结构，例如纳米孔洞、纳米颗粒、纳米棒等。那么与其配合使用的第一摩擦层101或第一导电层102也应该设置成相同的棋盘状的结构。其中每个摩擦部位2011的尺寸w和l根据第二摩擦层表面大小和测试输出要求设定。摩擦部位2011的形状还可以是规则或不规则多边形、圆形、椭圆形和不规则曲边形等，各摩擦部位2011之间可以部分接触，也可以完全分立。

在图12中，第一导电层102作为一个摩擦面，其表面被布置成非均匀分布的图形，其中深色方块代表由第一导电材料构成的、尺寸不同的摩擦部位1021、2022、1023和1024。这四种尺寸的摩擦部位被布置在第一导电层表面的不同位置。同样地，与其配合使用的第二摩擦层201最好也具有相同的图形化结构。在这种情况，当第一导电层102和第二摩擦层201在外界激励下，往不同方向产生相对滑动摩擦时，由于摩擦面的非均匀阵列分布，不同方向将产生具有不同幅度大小和频率的电压输出，由此可以根据获得的电信号探测外界振动的方向性，并且识别不同方向振动的一些特征信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (28)

1.一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置，其特征在于包括：

第一部件、第二部件、重物和弹性元件；

其中所述第一部件包括第一摩擦层和贴合在所述第一摩擦层下表面的第一导电层；

所述第二部件包括第二摩擦层和贴合在所述第二摩擦层上表面的第二导电层；

所述重物与所述第二部件的上表面固定绝缘连接，使得所述第一摩擦层和所述第二摩擦层面对面并紧密接触；

所述弹性元件的一端为固定端，另一端为自由端与所述重物相连；

所述第一部件与所述弹性元件的固定端之间的相对位置保持不变；在外力作用下，所述重物和所述弹性元件带动所述第二部件发生位移，使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层之间形成相对滑动摩擦，或者，使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层之间形成接触-分离循环，同时通过所述第一导电层和所述第二导电层向外电路输出电信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，构成所述第一摩擦层的摩擦材料和构成所述第二摩擦层的摩擦材料之间存在摩擦电极序差异。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弹性元件能够在一维、二维和/或三维方向上发生弹性形变。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述弹性元件的弹性系数为4×102Kg/mm²-12×104Kg/mm²。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，包含1个所述弹性元件。

6.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，包含2个以上所述弹性元件，并且各弹性元件物理尺寸及弹性参数相同或不同。

7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，在无外力施加时，所述弹性元件的固定端和自由端间的中心线与所述第一摩擦层和第二摩擦层接触的摩擦表面平行或垂直。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性元件为弹簧或弹性悬臂梁。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述弹簧选自螺旋状弹簧、盘状弹簧、异型弹簧或锥形弹簧。

10.如权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述重物的重量为第二导电层和第二摩擦层总重量的2倍以上。

11.如权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述重物直接固定在所述第二导电层的上表面，并且与所述第二导电层具有相同或相近的尺寸和与第二导电层平行的横截面形状。

12.如权利要求1-11任一项所述的装置，其特征在于，还包括支撑部件用于支撑和固定所述第一部件。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述支撑部件还用于固定连接所述弹性元件的固定端。

14.如权利要求1-13任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，并选自绝缘体、半导体和导体。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述绝缘体选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯；所述半导体选自硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体；所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金、铟锡氧化物ITO、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩。

16.如权利要求1-15任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面，和/或，所述第二摩擦层面向第一摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

18.如权利要求1-17任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层为导电材料。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第一导电层的上表面即为第一摩擦层，或，第二导电层的下表面即为第二摩擦层。

20.如权利要求1-19任一项所述的装置，其特征在于，所述第一导电层或第二导电层为导电薄膜。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，通过沉积方法使所述第一导电层与第一摩擦层，和/或，所述第二导电层与第二摩擦层紧密结合在一起。

22.如权利要求1-21任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面，和，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面，是由摩擦部位和非摩擦部位构成的图形化结构。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述摩擦部位由摩擦材料构成，所述非摩擦部位为在摩擦过程中不产生接触电荷的材料、空白或高度低于摩擦部位的绝缘材料。

24.如权利要求22或23所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层上的图形化结构一致。

25.如权利要求22-24任一项所述的装置，其特征在于，所述图形化结构为规则均匀排布的周期性结构或非均匀排布的不规则结构。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述周期性结构为棋盘状或等间隔的条状或环状阵列。

27.一种组合的多自由度能量采集装置，其特征在于包括：2个以上权利要求1-26任一项所述的能量采集装置作为能量采集单元，所有能量采集单元共用一个所述重物，并均通过所述第二部件与所述重物固定。

28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述重物为柱体，并具有与所述能量采集单元数目相等的侧面，使得每个能量采集单元的第二部件能够分别与所述重物的一个侧面固定。

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