CN104135186A - 悬臂梁结构式摩擦发电机和发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂梁结构式摩擦发电机和具有其的发电机组，所述悬臂梁结构式摩擦发电机包括：固定端；悬臂梁所述悬臂梁的第一端与所述固定端的侧面相连且所述悬臂梁的第二端远离所述固定端并沿所述固定端的侧面的垂直方向延伸；质量块；第一高分子聚合物绝缘层；和第一电极。根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机，通过将摩擦发电机与悬臂梁结构相结合，借助悬臂梁结构收集外部环境振动等产生的能量，解决了摩擦发电机需要不停按压且很难收集高频能量的问题，并且摩擦发电机在高频机械振动下输出电信号的能力提高数倍，所以极大地扩宽了摩擦发电机的应用范围，提高了能量收集效率。

Description

悬臂梁结构式摩擦发电机和发电机组

技术领域

本发明涉及一种发电装置，更具体地，涉及一种悬臂梁结构式摩擦发电机和具有其的悬臂梁结构式摩擦发电机组。

背景技术

机械能是环境里最为广泛的能源之一，收集环境中的机械能将其转换为电能从而实现对传感器的供电是无线传感器网络发展的主要趋势。现有换能器的核心部件大都为基于压电材料的悬臂梁式结构，当外界机械振动带动悬臂梁振动后，利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能。压电材料的制备较为复杂，价格昂贵，为此我们提出的一种基于摩擦发电机的悬臂梁式换能器。

现有实验表明，随工作频率的增大，摩擦发电机的输出功率在一定范围能增加。而摩擦发电机的现有应用往往是用于收集与人体运动相关的低频振动（几个赫兹），没能最大限度的发挥其优势。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种结构简单、使用方便、能量收集效率高的悬臂梁结构式摩擦发电机。

本发明的另一个目的在于提出一种具有上述的悬臂梁结构式摩擦发电机的悬臂梁结构式摩擦发电机组。

根据本发明第一方面实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机，包括：固定端；悬臂梁，所述悬臂梁的第一端与所述固定端的侧面相连且所述悬臂梁的第二端远离所述固定端并沿所述固定端的侧面的垂直方向延伸；质量块，所述质量块设在所述悬臂梁的第二端且与所述悬臂梁的上表面相连；第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层设在所述悬臂梁的上侧表面且位于所述质量块和所述固定端之间，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面以及所述悬臂梁的上表面的至少一个面上设有微纳凹凸结构，所述第一高分子聚合物绝缘层的第一端与所述固定端的侧面相连；和第一电极，所述第一电极设在所述质量块和所述固定端之间，所述第一电极的下表面与所述第一高分子聚合物绝缘层的上表面相连，所述第一电极的第一端与所述固定端的侧面相连。

根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机，通过将摩擦发电机与悬臂梁结构相结合，借助悬臂梁结构收集外部环境振动等产生的能量，解决了摩擦发电机需要不停按压且很难收集高频能量的问题，并且摩擦发电机在高频机械振动下输出电信号的能力提高数倍，所以极大地扩宽了摩擦发电机的应用范围，提高了能量收集效率。

另外，根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述悬臂梁为所述发电机的第二电极，所述悬臂梁第一电极、第一高分子聚合物绝缘层构成为通过弯曲或变形能够产生摩擦起电的平板结构。

根据本发明的一个实施例，所述悬臂梁为磷青铜片。

根据本发明的一个实施例，所述质量块为钨合金。

根据本发明的一个实施例，所述质量块通过胶水与所述悬臂梁相连。

根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面和/或所述悬臂梁的上表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。根据本发明的一个实施例，还包括：第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层设在所述悬臂梁的下表面上，所述第二高分子聚合物绝缘层的下表面以及所述悬臂梁的下表面的至少一个面上设有微纳凹凸结构，所述第二高分子聚合物绝缘层的第一端与所述固定端的侧面相连；和第三电极，所述第三电极的上表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的下表面相连，所述第三电极的第一端与所述固定端的侧面相连。

根据本发明的一个实施例，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述第三电极与所述第一高分子聚合物绝缘层和第一电极相对于所述悬臂梁对称。

根据本发明的一个实施例，所述悬臂梁为输出电极分别与所述第一电极和第三电极配合。

根据本发明的一个实施例，所述第一电极与所述第三电极相连形成第二输出电极，所述悬臂梁为第一输出电极与所述第二输出电极配合。根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

根据本发明的一个实施例，所述悬臂梁为第三高分子聚合物绝缘层，且所述悬臂梁结构式摩擦发电机还包括第四电极，所述第四电极的上表面与所述悬臂梁的下表面相连，所述第四电极的第一端与所述固定端的侧面相连。

根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面和/或所述悬臂梁的上表面设有微纳凹凸结构，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层分别为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。

根据本发明的一个实施例，所述悬臂梁结构式摩擦发电机还包括第四高分子聚合物绝缘层，所述第四高分子聚合物绝缘层设在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述悬臂梁之间且所述第四高分子聚合物绝缘层的下表面与所述悬臂梁的上表面相连，所述第四高分子聚合物绝缘层的第一端与所述固定端的侧面相连。

根据本发明的一个实施例，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面和/或所述第四高分子聚合物绝缘层的上表面设有微纳凹凸结构，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

根据本发明的一个实施例，所述第四高分子聚合物绝缘层为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

根据本发明第二方面实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机组，包括多个串联或并联连接的悬臂梁结构式摩擦发电机，其中所述悬臂梁结构式摩擦发电机为根据上述实施例中所述的悬臂梁结构式摩擦发电机。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机的侧视图；

图2是根据图1中悬臂梁结构式摩擦发电机的立体结构示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机的侧视图；

图4是根据图3中悬臂梁结构式摩擦发电机的立体结构示意图；

图5是根据本发明再一个实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机的侧视图；

图6是根据图5中悬臂梁结构式摩擦发电机的立体结构示意图；

图7是根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机的工作原理示意图；

图8是根据本发明又一个实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机的侧视图；

图9是根据图8中悬臂梁结构式摩擦发电机的立体结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面首先结合附图具体描述根据本发明第一方面实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机。

如图1至图6所示，根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机包括：固定端10、悬臂梁20、质量块30、第一高分子聚合物绝缘层40和第一电极50。

具体地，如图1和图2所示，悬臂梁20为发电机的第二电极，悬臂梁20的第一端21与固定端10的侧面相连且悬臂梁20的第二端22远离固定端10并沿固定端10的侧面的垂直方向延伸。质量块30设在悬臂梁20的第二端22且与悬臂梁20的上表面相连。

第一高分子聚合物绝缘层40设在悬臂梁20的上侧表面且位于质量块30和固定端10之间，第一高分子聚合物绝缘层40的下表面以及悬臂梁20的上表面的至少一个面上设有微纳凹凸结构，第一高分子聚合物绝缘层40的第一端与固定端10的侧面相连。

第一电极50设在质量块30和固定端10之间，第一电极50的下表面与第一高分子聚合物绝缘层40的上表面相连，第一电极50的第一端与固定端10的侧面相连。其中上述的悬臂梁20和第一电极50构成悬臂梁结构式摩擦发电机的两个输出端。

其中，第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20可以贴合在一起，例如可以采用胶布将第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20相连。第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20也可以采用间隙设置，即第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20之间间隔有一定距离。以下实施例中所述的高分子聚合物绝缘层与悬臂梁20的配合结构可以采用贴合相连，也可以采用间隙设置，其结构与本实施例中所述的配合结构类似，因此不再赘述。

由此，根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机，通过将摩擦发电机与悬臂梁结构相结合，借助悬臂梁结构收集外部环境振动等产生的能量，解决了摩擦发电机需要不停按压且很难收集高频能量的问题，并且摩擦发电机在高频机械振动下输出电信号的能力提高数倍，所以极大地扩宽了摩擦发电机的应用范围，提高了能量收集效率。其中，对于摩擦纳米发电机，工作频率越大，其电压和电流越大，具体的提高倍数，要看频率的比较、摩擦方式和材料的选择。

下面参照图7具体描述根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机的工作原理。

如图7所示，悬臂梁20为发电机的第二电极，第一高分子聚合物绝缘层40与第一电极50层叠设置，第一高分子聚合物绝缘层40的上表面与第一电极50相连，第一高分子聚合物绝缘层40的下表面与悬臂梁20的上表面接触摩擦并在悬臂梁20和第一电极50处感应出电荷，悬臂梁20和第一电极50为摩擦发电机的电压和电流输出电极，第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20的相对设置的两个面中的至少一个上设有微纳凹凸结构41。其中，图7中所示的微纳凹凸结构41设在第一高分子聚合物绝缘层40上。

该悬臂梁结构式摩擦发电机在工作时，悬臂梁20发生振动而上下摆动，悬臂梁20的上表面与第一高分子聚合物绝缘层40的下表面接触摩擦，并且悬臂梁20的上下摆动会带动第一高分子聚合物绝缘层40和第一电极50向上或向下弯曲。当第一高分子聚合物绝缘层40和第一电极50向上弯曲时，纳米摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20的表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第二电极和第一电极50之间的电容发生改变，也就是悬臂梁20和第一电极50之间的电容发生改变，从而导致第二电极和第一电极50之间出现电势差。由于第二电极和第一电极50之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该纳米摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第二电极和第一电极50之间的闪电势消失，此时已平衡的第二电极和第一电极50之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号，从而实现对振动产生的能量的收集。

根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机，将悬臂梁20作为摩擦发电机的第二电极，在质量块30的配合下，不仅可以对周围环境中的振动频率进行收集和传递，而且该振动频率能够带动悬臂梁20发生振动，从而悬臂梁20与第一电极50配合形成周期性的交流电信号，实现对振动产生的能量的收集。其中，振动频率的大小没有特殊限制，可以为手动按压产生的低频率，也可以为机械振动产生的高频率，而由于摩擦发电机在相对高频率的情况下机械能转化为电能的效率会有所提高，所以根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机可以适用于收集周围环境中频率相对较高的能量。

根据本发明的一个实施例，如图7所示，第一高分子聚合物绝缘层40的下表面和/或悬臂梁20的上表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。优选地，微纳凹凸结构大小为50nm-300nm。由此，纳米凹凸结构摩擦接触面积大，能够提高摩擦起电效率。

考虑到悬臂梁20需要能够上下摆动并与第一高分子聚合物绝缘层40发生摩擦才能实现振动频率的收集，优选地，根据本发明的一个实施例，悬臂梁20为通过任意弯曲或变形能够产生摩擦起电的平板结构。由此，该结构的悬臂梁20不仅能够实现振动频率的收集，而且任意弯曲或变形的结构使得悬臂梁20具有更广泛的使用范围。它通过任意弯曲、变形引起所述电极摩擦起电。平板结构能够扩大摩擦发电机的应用环境，收集和转换不规则的动能，如人体肌肉部分的运动及无序的风能等。

根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，采用金属电极与高分子聚合物摩擦能提高能量输出。因此，悬臂梁20的制备材料可以和压电悬臂梁结构的材料和参数要求一致。进一步地，根据本发明的一个实施例，悬臂梁20可以使用刚性比较好的材料制备而成，即悬臂梁20为磷青铜片。具体地，悬臂梁20采用厚度为0.3mm左右的磷青铜片。由此，通过悬臂梁20与第一高分子聚合物绝缘层40之间的摩擦来产生电信号，主要利用了金属容易失去电子的特性，使第一电极与第一高分子聚合物绝缘层40之间形成感应电场，从而产生电压或电流。

质量块30作为悬臂梁20的辅助部分，主要作用是配合悬臂梁20的振动，因此，质量块30需要具有一定的质量。优选地，根据本发明的一个实施例，质量块30为钨合金。具体地，钨合金可以是质量密度为16.7g/cm3左右的钨合金，进一步地，钨合金是以金属钨为基体元素同时加入合金元素镍、铁或镍、铜液相烧结成的合金。

关于质量块30与悬臂梁20的连接方式则没有特殊限制，只要能将其固定在悬臂梁20的第二端22上即可。可选地，根据本发明的一个实施例，质量块30通过胶水与悬臂梁20相连。具体地，该胶水可以为粘合锌合金的专业胶水，该胶水对于本领域普通技术人员来说，是可以理解的，因此不再赘述。

第一电极50为摩擦发电机的电极，如果直接选用刚性比较好的金属薄片，则可以省去用衬底的过程，直接用金属薄片粘接聚合物或甩聚合物胶体后，做成膜处理即可。可选地，第一电极50所用材料可以为铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金；其中，金属为选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒中的一种。合金可以为选自铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金中的一种。

关于第一高分子聚合物绝缘层40，需要理解的是，第一高分子聚合物绝缘层40采用聚合物材料制备而成，要求具有一定的刚度或硬度，当刚度或硬度不够时，可以加150-300um的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等材料作为衬底材料，放在第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20之间。具体地，可以在镀有电极的聚合物上粘接衬底材料，直接在镀有铟锡氧化物（ITO）导电薄膜的PET上粘接或甩上聚合物材料，并将ITO作为电极层。

优选地，根据本发明的一个实施例，第一高分子聚合物绝缘层40为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。由此，该材料的第一高分子聚合物绝缘层40与悬臂梁20摩擦能提高能量输出。

为了进一步收集周围环境中的振动频率，根据本发明的一个实施例，如图3和图4所示，该悬臂梁结构式摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层60和第三电极70。

具体地，第二高分子聚合物绝缘层60设在悬臂梁20远离所述第一高分子聚合物的下表面的一侧面，第二高分子聚合物绝缘层60的下表面以及悬臂梁20的下表面的至少一个面上设有微纳凹凸结构，第二高分子聚合物绝缘层60的第一端与固定端10的侧面相连。第三电极70的上表面与第二高分子聚合物绝缘层60的下表面相连，第三电极70的第一端与固定端10的侧面相连。

其中，根据本发明的一个实施例，悬臂梁20为第一输出电极分别与第一电极50和第三电极70配合。也就是说，悬臂梁20在向上摆动时，可以作为与第一电极50配合的第一电极；悬臂梁20在向下摆动时，可以作为与第三电极70配合的第一电极。

在悬臂梁20向上摆动时，其工作原理与本发明上述实施例中所述的悬臂梁结构式摩擦发电机的工作原理相同，因此不再赘述。

当悬臂梁20向下摆动时，悬臂梁20的下表面与第二高分子聚合物绝缘层60的上表面接触摩擦，并且悬臂梁20的摆动会带动第二高分子聚合物绝缘层60和第三电极70向上或向下弯曲。当第二高分子聚合物绝缘层60和第三电极70向下弯曲时，纳米摩擦发电机中的第二高分子聚合物绝缘层60和悬臂梁20的表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第二电极和第三电极70之间的电容发生改变，也就是悬臂梁20和第三电极70之间的电容发生改变，从而导致第二电极和第三电极70之间出现电势差。由于第二电极和第三电极70之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该纳米摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第二电极和第三电极70之间的闪电势消失，此时已平衡的第二电极和第三电极70之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号，从而实现对振动产生的能量的收集。

由此，无论悬臂梁20向上或向下摆动，均能实现对振动能量的收集，从而大大提高了该摩擦发电机的能量收集效率。

优选地，根据本发明的一个实施例，第二高分子聚合物绝缘层60和第三电极70与第一高分子聚合物绝缘层40和第一电极50相对于悬臂梁20对称。由此，互相对称的结构使悬臂梁20上下摆动的幅度能够一致，进一步提高能量收集的效率。

根据本发明的另一个实施例，第一电极50与第三电极70相连形成第二输出电极，悬臂梁20为第一输出电极与第二输出电极配合。也就是说，将悬臂梁20、第一高分子聚合物绝缘层40、第一电极50、第二高分子聚合物绝缘层60和第三电极70作为一个五层的纳米发电机整体，在该情况下，当悬臂梁20向上振动，第一高分子聚合物绝缘层40与悬臂梁20接触摩擦，会分别在悬臂梁20和第一电极50上产生感应电荷；而当悬臂梁20向下振动，第二高分子聚合物绝缘层60会与悬臂梁20接触摩擦，会分别在悬臂梁20和第三电极70上产生感应电荷。由于此种结构采用的是聚合物与金属摩擦，故可以将第一电极50与第三电极70相连作为纳米摩擦发电机的一个输出电极，悬臂梁20作为纳米摩擦发电机的另一输出电极。

关于第二高分子聚合物绝缘层60的制备材料可以与第一高分子聚合物绝缘层40的制备材料相同，也可以不同。可选地，根据本发明的一个实施例，第一高分子聚合物绝缘层40和第二高分子聚合物绝缘层60分别为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

考虑到高分子聚合物绝缘层与高分子聚合物绝缘层之间摩擦也会使电极之间感应出电荷，根据本发明的一个实施例，如图5和图6所示，悬臂梁20为第三高分子聚合物绝缘层，且悬臂梁结构式摩擦发电机还包括第四电极80，第四电极80的上表面与悬臂梁20的下表面相连，第四电极80的第一端与固定端10的侧面相连。第一高分子聚合物绝缘层40的下表面和/或悬臂梁20的上表面设有微纳凹凸结构，具体地，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。第三高分子聚合物绝缘层在向上摆动时可以与第一高分子聚合物绝缘层40产生摩擦，该结构不仅节约了一个高分子聚合物绝缘层，而且在悬臂梁20直接为高分子聚合物绝缘层，结构更为简单，制备更为方便，并且保证了能量收集的效率。

相应地，第一高分子聚合物绝缘层40和第三高分子聚合物绝缘层的制备材料也没有特殊限制，可选地，根据本发明的一个实施例，第一高分子聚合物绝缘层40和第三高分子聚合物绝缘层分别为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

由于两层高分子聚合物绝缘层的材质相同时，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此，优选地，根据本发明的一个实施例，第一高分子聚合物绝缘层40和第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。另外，考虑到悬臂梁20需要具有一定的强度，因此，优选地，第三高分子聚合物绝缘层的制备材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其厚度为150-300um。

如图8和图9所示，根据本发明的一个实施例，悬臂梁结构式摩擦发电机还包括第四高分子聚合物绝缘层90，第四高分子聚合物绝缘层90设在第一高分子聚合物绝缘层40和悬臂梁20之间且第四高分子聚合物绝缘层90的下表面与悬臂梁20的上表面相连，第四高分子聚合物绝缘层90的第一端与固定端10的侧面相连，第一高分子聚合物绝缘层40的下表面和/或第四高分子聚合物绝缘层90的上表面设有微纳凹凸结构，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

其中，该结构的悬臂梁结构式摩擦发电机为第四高分子聚合物绝缘层90与第一高分子聚合物绝缘层40摩擦产生电荷，其工作原理与上述实施例中第三高分子聚合物绝缘层与第一高分子聚合物绝缘层40摩擦产生电荷的工作原理类似，因此不再赘述。

根据本发明的一个实施例，第四高分子聚合物绝缘层为选自以下材料中的一种：聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

由于两层高分子聚合物绝缘层的材质相同时，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此，优选地，根据本发明的一个实施例，第一高分子聚合物绝缘层40和第四高分子聚合物绝缘层的材质不同。相应地，考虑到悬臂梁20需要具有一定的强度，因此，优选地，第四高分子聚合物绝缘层的制备材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其厚度为150-300um。根据本发明第二方面实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机组，包括多个串联或并联连接的悬臂梁结构式摩擦发电机，其中所述悬臂梁结构式摩擦发电机为根据上述实施例中所述的悬臂梁结构式摩擦发电机。由于根据本发明上述实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机具有上述技术效果，因此，根据本发明实施例的悬臂梁结构式摩擦发电机组也具有相应的技术效果。并且本发明的摩擦发电机满足基本电路连接的线性叠加原理，即无论正向或反向连接到测量装置时，总的输出电流能够以并联器件的方式被增强（相同方向）或者减少（相反的方向）。因而能够利用平行并联多个摩擦电发电机的方式，并且利用摩擦电发电机薄的面板结构能够同时装配多层发电机，由此来增大输出电流。通过串联或并联多个单体摩擦发电机来组成多个摩擦发电机组，可以提高单位面积的输出功率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (20)

1.一种悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，包括：

固定端；

悬臂梁，所述悬臂梁的第一端与所述固定端的侧面相连且所述悬臂梁的第二端远离所述固定端并沿所述固定端的侧面的垂直方向延伸；

质量块，所述质量块设在所述悬臂梁的第二端且与所述悬臂梁的上表面相连；

第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层设在所述悬臂梁的上侧表面且位于所述质量块和所述固定端之间，所述第一高分子聚合物绝缘层的第一端与所述固定端的侧面相连；和

第一电极，所述第一电极设在所述质量块和所述固定端之间，所述第一电极的下表面与所述第一高分子聚合物绝缘层的上表面相连，所述第一电极的第一端与所述固定端的侧面相连。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述悬臂梁为所述发电机的第二电极，所述悬臂梁、第一电极、第一高分子聚合物绝缘层构成为通过弯曲或变形能够产生摩擦起电的平板结构。

3.根据权利要求2所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述悬臂梁为磷青铜片。

4.根据权利要求1所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述质量块为钨合金。

5.根据权利要求4所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述质量块通过胶水与所述悬臂梁相连。

6.根据权利要求1所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层为选自以下材料中的一种：

聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

7.根据权利要求1所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面和/或所述悬臂梁的上表面设有微纳凹凸结构，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

8.根据权利要求1或7所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，还包括：

第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层设在所述悬臂梁远离所述第一高分子聚合物的下表面的一侧面，所述第二高分子聚合物绝缘层的下表面以及所述悬臂梁的下表面的至少一个面上设有微纳凹凸结构，所述第二高分子聚合物绝缘层的第一端与所述固定端的侧面相连；和

第三电极，所述第三电极的上表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的下表面相连，所述第三电极的第一端与所述固定端的侧面相连。

9.根据权利要求8所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述第三电极与所述第一高分子聚合物绝缘层和第一电极相对于所述悬臂梁对称。

10.根据权利要求8所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述悬臂梁为输出电极分别与所述第一电极和第三电极配合。

11.根据权利要求8所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极与所述第三电极相连形成第二输出电极，所述悬臂梁为第一输出电极与所述第二输出电极配合。

12.根据权利要求8所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别为选自以下材料中的一种：

聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

13.根据权利要求1所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述悬臂梁为第三高分子聚合物绝缘层，且所述悬臂梁结构式摩擦发电机还包括第四电极，所述第四电极的上表面与所述悬臂梁的下表面相连，所述第四电极的第一端与所述固定端的侧面相连。

14.根据权利要求13所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面和/或所述悬臂梁的上表面设有微纳凹凸结构，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

15.根据权利要求14所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层分别为选自以下材料中的一种：

聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

16.根据权利要求15所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。

17.根据权利要求2所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述悬臂梁结构式摩擦发电机还包括第四高分子聚合物绝缘层，所述第四高分子聚合物绝缘层设在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述悬臂梁之间且所述第四高分子聚合物绝缘层的下表面与所述悬臂梁的上表面相连，所述第四高分子聚合物绝缘层的第一端与所述固定端的侧面相连。

18.根据权利要求17所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层的下表面和/或所述第四高分子聚合物绝缘层的上表面设有微纳凹凸结构，所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

19.根据权利要求18所述的悬臂梁结构式摩擦发电机，其特征在于，所述第四高分子聚合物绝缘层为选自以下材料中的一种：

聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜。

20.一种悬臂梁结构式摩擦发电机组，其特征在于，包括多个串联或并联连接的悬臂梁结构式摩擦发电机，其中所述悬臂梁结构式摩擦发电机为根据权利要求1-19中任一项所述的悬臂梁结构式摩擦发电机。