CN103580530B - 基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器 - Google Patents

基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器 Download PDF

Info

Publication number
CN103580530B
CN103580530B CN201310508572.6A CN201310508572A CN103580530B CN 103580530 B CN103580530 B CN 103580530B CN 201310508572 A CN201310508572 A CN 201310508572A CN 103580530 B CN103580530 B CN 103580530B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frictional layer
slide block
induction electrode
insulating barrier
electrostatic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310508572.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103580530A (zh
Inventor
王晓红
卢滢先
伍晓明
秦瑾
吕若辰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201310508572.6A priority Critical patent/CN103580530B/zh
Publication of CN103580530A publication Critical patent/CN103580530A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103580530B publication Critical patent/CN103580530B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明公开了属于微能源和微机械加工技术领域的一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。此能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上依次设置绝缘层、摩擦层，摩擦层上具有滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。本发明的运动能量收集器采用非谐振的结构以获得宽响应频带，覆盖了低频响应区。通过插入绝缘层在两感应电极间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。

Description

基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器
技术领域
本发明属于微能源和微机械加工技术领域，具体涉及一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。
技术背景
机械能量收集器（Mechanical Energy Harvester）是一种可将环境机械能转换为电能的器件，传统的机械能量收集器按照能量转换的工作原理可划分为电磁式、压电式，及静电式机械能量收集器。其中静电式机械能量收集器中一个电极材料中存储有静电荷，当对电极在外力作用下起振时，两电极极板间电容值发生变化，导致感应电荷量变化，向外电路输出交变电流，典型代表为，A MEMSelectret generator withelectrostatic levitation forvibration-drivenenergy-harvestingapplications，中所述静电式机械能量收集。传统的静电式机械能量收集器通常以驻极体材料作为电荷存储材料作为静电感应源，部分驻极体材料具有较强的电荷存储能力，但其加工工艺通常包含了恒温驻极工艺，耗时长效率低，难以实现流水化，且驻极性能优良的材料通常难以实现微加工工艺，成为该技术推广的瓶颈。传统机械能量收集器普遍存在的另一显著问题是输出功率非常有限，与实际应用尚有一定距离。
近年来Z.L.Wang等人（“Nanoscale Triboelectric-Effect-Enabled EnergyConversion for Sustainably Powering Portable Electronics”、“Toward Large-ScaleEnergy Harvesting by a Nanoparticle-Enhanced Triboelectric Nanogenerator”）提出了一种新型的静电式能量收集器，以摩擦起电的原理替代传统静电式机械能量收集器的驻极体作为静电感应源，这类器件的加工过程较传统的含有驻极体材料的器件相比，一方面在工艺方面省去了驻极工艺而得到简化；另一方面器件的输出性能优于传统器件，输出电压可以达到200V以上，输出峰值功率密度可达313W/m2，足以点亮一串LED灯。但是现存的摩擦静电式能量收集器仅可从外部压力等直接作用力中获取能量，因此其应用受限于较窄的范围。摩擦静电式能量收集器的感应电荷源产生于器件工作中的摩擦，因此其加工工艺相较于基于驻极体材料的静电式能量收集器，避开了恒温驻极工艺的技术难点，更易实现加工的流水化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。此运动能量收集器通过惯性作用引发滑块运动，收集摆动运动能量，通过滑块重力诱发摩擦起电机制，通过静电感应输出电能。
一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器，此能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上设置绝缘层，绝缘层上设置摩擦层，在摩擦层上放置滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。
所述感应电极的个数为2个，所述感应电极之间具有绝缘层。
所述绝缘层为绝缘塑料；
所述摩擦层的材料为聚合物材料。
所述聚合物材料为PDMS、Kapton、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料、聚苯乙烯或聚氯乙烯。
所述滑块的材料为磨砂玻璃。
上述运动能量收集器，可以在人体摆臂、跨步或机器中的摆动等机械能供体的带动下，将摆动的机械能转化为电能输出，为电路供电。
在外力带动下外壳运动，而内部的滑块依靠自身惯性作用与固定于外壳结构上的摩擦层之间产生相对运动。通过内部滑块的重力诱发摩擦力，触发摩擦生电的过程，利用静电感应原理在感应电极收集电荷。
本发明的有益效果为：本发明的运动能量收集器依靠外力带动外壳运动，而内部的滑块依靠自身惯性作用与固定于外壳结构上的摩擦结构之间产生相对运动，可收集摆动运动能量。采用非谐振的结构以获得宽响应频带，覆盖了低频响应区。通过插入绝缘层在两感应电极间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。
附图说明
图1为基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器结构示意图；图1a为收集器的俯视图（不含顶盖），图1b为收集器（不含顶盖）的横截面示意图；
其中：1为外壳底座；2为感应电极；3为绝缘层；4为摩擦层；5为滑块。
图2为制备PDMS摩擦结构的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明。
本发明利用摩擦起电及静电感应的原理设计了一个用于收集摆动运动能量的收集器，基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器，其结构示意图如图1所示，所示能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极2、绝缘层3、摩擦层4和滑块5；在感应电极2上设置绝缘层3，绝缘层3上设置摩擦层4，摩擦层4上具有滑块5，滑块5与摩擦层4的接触面表面粗糙；感应电极2固定在外壳底部1上，在外力的带动下使外壳运动，内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。
图1中未示出的顶盖，用于形成限制滑块运动的腔。在外部摆动下自由滑块5在外壳内腔体中往复运动，与摩擦层4摩擦富集电荷，同时在感应电极2处产生往复变化的感应电荷，向外电路输出电流。通过插入绝缘层3在两感应电极2间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。
本发明的，基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器的制备方法为：
在外壳底座上固定感应电极，在感应电极上覆盖绝缘层，在绝缘层上覆盖摩擦层，将滑块放置于摩擦层上方，并使用外壳顶盖与底座封装形成完整器件，封装后应保证滑块在腔体内可自由滑动。其中摩擦层制备如图2所示，具体方法如下：
（a）在硅片上通过LPCVD（低压力化学气相沉积）的方法生长100-400nm的氮化硅（Si3N4）或氧化硅-氮化硅（SiO2-Si3N4）作为掩蔽层，通过光刻并利用干法刻蚀（如RIE）Si3N4或SiO2-Si3N4得到方孔阵列图形；
（b）通过湿法（40-50%KOH溶液恒温65-90℃）刻蚀硅衬底，形成具有方锥孔阵列的硅模板；
（c）在硅模板上旋涂PDMS，在50-100℃下恒温固化6-8小时，或室温固化12小时以上；
（d）在30%HF溶液中超声处理20-40分钟将PDMS脱模。
滑块的制备方法为：以磨砂玻璃作为原料，制备方法如下：将磨砂玻璃在10-30%的HF溶液中进行10-40分钟超声处理，可在毛面获得密布于表面、特征尺寸为10-50μm的凹陷结构。
采用了硅刻蚀模板技术制作摩擦材料PDMS结构的模板，并采用HF刻蚀法处理磨砂玻璃，控制摩擦结构尺度，达到尺寸匹配，获得了较大的摩擦系数，优化了起电效果。

Claims (5)

1.一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，此能量收集器由外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上设置绝缘层，绝缘层上设置摩擦层，在摩擦层上放置滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；外壳的顶盖与摩擦层形成一个限制滑块运动的腔，感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量；
所述感应电极的个数为2个，所述感应电极之间具有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述绝缘层为绝缘塑料。
3.根据权利要求1所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述摩擦层的材料为聚合物材料。
4.根据权利要求3所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述聚合物材料为PDMS、Kapton、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料、聚苯乙烯或聚氯乙烯。
5.根据权利要求1所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述滑块的材料为磨砂玻璃。
CN201310508572.6A 2013-10-24 2013-10-24 基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器 Active CN103580530B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310508572.6A CN103580530B (zh) 2013-10-24 2013-10-24 基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310508572.6A CN103580530B (zh) 2013-10-24 2013-10-24 基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103580530A CN103580530A (zh) 2014-02-12
CN103580530B true CN103580530B (zh) 2015-08-19

Family

ID=50051632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310508572.6A Active CN103580530B (zh) 2013-10-24 2013-10-24 基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103580530B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105091913B (zh) * 2014-04-18 2018-02-16 北京纳米能源与系统研究所 基于静电感应的传感器和传感方法
CN103904932B (zh) * 2014-04-23 2015-12-30 东南大学 一种静电式振动能量收集器及其制作方法
CN105515436B (zh) * 2014-09-22 2018-01-02 北京纳米能源与系统研究所 平面滑动摩擦纳米发电机、光束方向调节器和光衰减器组
CN106033942B (zh) * 2015-03-12 2019-05-31 北京纳米能源与系统研究所 基于非对称介电层的发电机和发电方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8120231B2 (en) * 2008-06-05 2012-02-21 Olympus Corporation Inertial drive actuator
CN102640411A (zh) * 2010-01-14 2012-08-15 欧姆龙株式会社 静电感应型发电装置
CN102710166A (zh) * 2012-04-13 2012-10-03 纳米新能源（唐山）有限责任公司 一种摩擦发电机

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5434305B2 (ja) * 2009-06-30 2014-03-05 トヨタ紡織株式会社 発電マット
CN103368449B (zh) * 2013-01-28 2015-07-15 北京纳米能源与系统研究所 一种滑动摩擦纳米发电机

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8120231B2 (en) * 2008-06-05 2012-02-21 Olympus Corporation Inertial drive actuator
CN102640411A (zh) * 2010-01-14 2012-08-15 欧姆龙株式会社 静电感应型发电装置
CN102710166A (zh) * 2012-04-13 2012-10-03 纳米新能源（唐山）有限责任公司 一种摩擦发电机

Also Published As

Publication number Publication date
CN103580530A (zh) 2014-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103580530B (zh) 基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器
Bowen et al. Piezoelectric and ferroelectric materials and structures for energy harvesting applications
CN104953785B (zh) 一种能量采集器
CN104836472B (zh) 利用声音能量的发电机和声音传感器
Bai et al. Hybrid, multi-source, and integrated energy harvesters
CN103166504B (zh) 一种碰撞式微型能量采集阵列结构
CN103346696A (zh) 阵列式复合能量采集器
CN103532426A (zh) 一种自供电的无线传感网络节点
CN105846641B (zh) 磁铁悬浮型振动驱动电磁式能量采集器
CN106655886A (zh) 一种双稳态双模式的振动能量采集器
CN103532427A (zh) 利用压电振动发电供能的物联网节点
CN104506086A (zh) 一种微型压电和电容复合振动能量采集器
Ding et al. Vibration energy harvesting and its application for nano-and microrobotics
CN107147329A (zh) 一种声能回收装置
Qiu et al. A cubic triboelectric generator as a self-powered orientation sensor
Zhang et al. Magnetically levitated/piezoelectric/triboelectric hybrid generator as a power supply for the temperature sensor
Han et al. Investigation and characterization of an arc-shaped piezoelectric generator
CN202634234U (zh) 磁电式振动换能装置
CN106100447B (zh) 一种基于mems振动能量采集器的无线传感器微电源
CN206790375U (zh) 一种声能回收装置
CN1728526B (zh) 芯片自发式微电发生器的制作方法
CN206878724U (zh) 压电梁‑集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器
CN102627251A (zh) 基于工艺残余应力的微型二维振动能采集器
CN203416191U (zh) 一种阵列式复合能量采集器
CN206922667U (zh) 一种微振动压电俘能电池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant