CN104682767A - 基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器，该旋转式摩擦电纳米发电机包括转动体和导电部件，所述转动体由基体和设置在所述基体上的若干个摩擦件组成，所述导电部件通过负载或者测试设备连接至等电位，当基体连续转动或者滚动，若干个表面带有电荷或者不带电荷的摩擦件依次与导电部件接触后分离或者靠近后远离，在导电部件与地电位之间产生交变的电流或电压信号。相应的，本发明还提供利用所述发电机的流体流速的传感器，无需外部电源驱动，即可对流体流速进行检测。采用本发明的发电机，能够方便的将机械能转变为电能，而且运动的转动体上无电极，可以方便的进行电路连接，有利于在工业上的推广和应用。

Description

基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器

技术领域

本发明涉及摩擦发电技术领域，尤其涉及一种将机械能转变为电能的旋转式摩擦电纳米发电机，以及应用该发电机的流体流速传感器。

背景技术

随着人类社会的快速发展，能源短缺越来越严峻。我们的日常生活、工业生产中大量存在着各种机械能，收集这些浪费掉的机械能并将其转换成电能是一条解决能源危机非常有希望的、行之有效的途径。目前将机械能转换为电能的发电机主要有静电式、磁电式以及压电式。但是这三种发电机，成本高，技术要求高，无法收集环境中任何时间、任何地点都存在的机械能。

从2012年开始，基于摩擦电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种具有前景的途径。但是，基于现有的摩擦电纳米发电机中，两个相互运动的摩擦层均附着有电极，并通过导线与负载连接，这种结构设计很大程度地限制了摩擦电纳米发电机的应用，使其无法有效收集环境中任意的自由运动物体的机械能，特别是无法收集不计其数的汽车的轮胎转动的机械能。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是现有摩擦电纳米发电机结构中需要有两个电极，并且电极随着摩擦层的运动而运动，限制了发电机的应用范围。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，利用导电材料的导电部件既作为电极层也提供一个摩擦表面，将附着在转动基体上的若干个摩擦件依次与导电部件接触摩擦，由于摩擦件表面与导电部件表面的接触产生摩擦电荷并且整体为电中性，摩擦件与电极层互相分离后，由于导电部件带有的电荷在导电部件与地电位之间重新分配，因此在导电部件与地电位之间形成电信号。多个摩擦件依次与导电部件形成接触分开，在导电部件与地电位之间会形成脉冲电信号，可以将环境中随时、随处存在的机械能转变为电能。

本发明提供一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，包括转动体和导电部件，其中，

导电部件电连接至等电位；所述转动体由基体和若干个设置在所述基体上的摩擦件组成；

所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个所述摩擦件依次与所述导电部件滑动摩擦，在导电部件与等电位之间产生电信号；

或者，所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个表面带有电荷的所述摩擦件依次靠近和/或远离所述导电部件，在导电部件与等电位之间产生电信号。

优选的，所述等电位为地电位或者等电位电路。

优选的，所述基体为柱体，若干个所述摩擦件设置在所述基体的外侧面上。

优选的，所述基体为筒状结构，若干个所述摩擦件设置在所述基体的内侧面上；所述导电部件设置在所述基体内侧面围成的空间内。

优选的，所述基体为绕转轴转动的悬臂结构，所述悬臂的个数与摩擦件的个数相同；每个悬臂上设置一个摩擦件；基体的转轴垂直于或者平行于导电部件与摩擦件接触的表面。

优选的，所述基体为轴对称结构，若干个所述摩擦件在基体转动或者滚动方向上均匀或非均匀分布。

优选的，所述轴对称结构为圆柱形、圆筒形、棱柱形、锥形或锥台形。

优选的，所述摩擦件与导电部件接触的表面的材料为绝缘体或者半导体。

优选的，所述绝缘体为下列绝缘体材料中的一种或多种：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯；

所述半导体材料为下列材料中的一种或多种：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、半导体氧化物。

优选的，所述摩擦件的下表面和/或导电部件的上表面部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层；所述微结构为下列结构中的一种或几种：纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。

优选的，所述摩擦件为多层结构，或者为组分均匀的一体结构。

优选的，所述导电部件的个数为1个。

优选的，所述导电部件的上表面材料为金属或铟锡氧化物，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金中的一种或者几种。

优选的，所述导电部件为块状、薄片状、薄膜，或者为在基材外表面形成导电层的非均匀结构。

优选的，所述摩擦件的下表面与导电部件的上表面的形状互补。

优选的，还包括衬底，所述导电部件设置在所述衬底上。

优选的，所述摩擦件、导电部件和/或衬底优选为柔性材料。

优选的，在所述基体转动或者滚动过程中，所述导电部件最多只与一个摩擦件接触。

优选的，所述摩擦件的个数为1、2、4、6、7或8。

相应的，本发明还提供一种流体流速传感器，包括上述任一项所述的发电机，所述基体上固定有施力装置，所述施力装置，用于接受外力的作用带动所述基体转动和/或滚动。

优选的，所述施力装置为风杯或者扇叶。

与现有技术相比，本发明的发电机具有下列优点：

1、本发明提供的发电机，只需要一个导电部件即可对外输出电信号，在运动或者旋转的转动体的摩擦件上无需设置电极，不仅简化了器件结构和制备工艺，降低了生产成本，而且避免了电极随着摩擦件运动的缺陷，可以方便的进行电路连接，有利于在工业上的推广和应用。

2、本发明的发电机可以应用在收集车轮转动的机械能，或者收集流体例如风能、水流能等的流动的能量，发电机与全桥整流器结合输出的电能既可以直接驱动一些电子器件，也可以储存在锂离子电池中，对商业电池充电。

3、根据本发明提供发电机的输出信号的强度与转动体中基体的转动速度成线性关系，可以设计流体流速的传感器，提供了一种无需外部电源驱动的流体流速传感器，可以在收集利用流体流动能量的同时，灵敏的探测流速。这种无需电源驱动的传感器可以应用在气候恶劣或者偏远的地方，进行环境或者洋流监测。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

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，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1和图2为本发明基于独立摩擦层的纳米发电机的结构示意图；

图3为摩擦件表面带有摩擦电荷后在基体转动带动下与导电部件靠近时的结构示意图；

图4为转动体中摩擦件非对称分布的发电机结构示意图；

图5中a和b为转动体中基体为绕轴转动的悬臂结构的发电机结构示意图；

图6为导电部件位于筒状基体内表面围成空间内的发电机结构示意图；

图7为转动体在导电部件上滚动时发电机的结构示意图。

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。

本发明提供的基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机的典型结构包括转动体和导电部件，所述转动体由基体和设置在所述基体上的若干个摩擦件组成，所述导电部件通过测试设备或者负载连接至地，当基体转动或者滚动带动摩擦件与导电部件接触，在二者互相接触的表面产生摩擦电荷，二者分离后，为了平衡导电部件所带的电荷，导电部件与等电位之间产生电荷流动形成电流；当基体连续转动或者滚动，若干个表面带有电荷或者不带电荷的摩擦件依次与导电部件接触后分离或者靠近后远离，在导电部件与地电位之间能够产生电信号。所述电信号为交变的电流或电压信号。本发明提供的基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，外力的机械能带动基体转动使发电机发电，能够方便的将机械能转变为电能。

本发明的基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机利用了具有不同摩擦电极序的导电部件与摩擦件接触时发生表面电荷转移的原理。这里所述的“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，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。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。本发明中所述的“摩擦电荷”或“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。

下面结合附图详细介绍本发明的具体实施例。

图1为本实施例中基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机的结构示意图，如图所示，包括转动体10和导电部件20，其中，导电部件20为平板状导体，电连接至地电位30；转动体10由圆柱形基体101和4个互相分离的摩擦件102组成，4个长条状摩擦件102均匀设置在基体101外表面上，每个摩擦件102的长度方向与基体的轴线方向相同，当基体101围绕转轴P转动时，可以带动4个摩擦件102的下表面依次与导电部件的上表面接触后分离（即互相滑动摩擦），在导电部件20与等电位30之间产生电荷流动形成电流。

本实施例中发电机的发电过程为，一个不带电的摩擦件102的下表面与导电部件20的上表面接触时，参见图1，在互相接触的表面产生摩擦电荷，例如摩擦件102的下表面带有负电荷，导电部件20的上表面带有等量的正电荷；基体101继续转动带动二者分离，参见图2，使得导电部件20和地电位之间产生瞬态电压，为了平衡该电位，导电部件20与等电位30之间产生电荷流动形成电流，从而将转动的机械能转变为电能，实现对外的电信号输出。当基体101绕转轴P连续转动，表面带有摩擦电荷或者不带电荷的摩擦件102依次与同一个导电部件20接触后分离，在导电部件与地电位之间能够产生交变的电信号。

参见图3，对于转动体的摩擦件102的表面已经带有电荷的情况下，例如带有负电荷，摩擦件102不必与导电部件20发生接触，只要在基体101转动时带动摩擦件102靠近和/或远离导电部件20由于静电感应，摩擦件102表面带有的负电荷对导电部件20中的电子有排斥作用，因此，在导电部件与地电位之间能够产生交变的电信号。摩擦件表面带有的电荷可以是与导电部件互相接触产生的摩擦电荷，也可以为预先通过其他带电物体与摩擦件102的接触使摩擦件102的表面带有电荷。

本发明的发电机在使用时，导电部件20和地电位30之间通过导线连接到负载、测试系统或电压表31上，以构成回路。地电位30是等电位的一种，当然也可以采用其他方式实现等电位，例如等电位电路。

在本发明中，导电部件的个数优选为1个，使转动体转动或者滚动过程中，所有的摩擦件均与该导电部件接触分离，或者是接近和远离。

由于摩擦件102与导电部件102互相接触表面材料的摩擦电极序不同，二者之间存在得失电子能力的差异：如果所选的摩擦件102得电子能力强而导电部件20更容易失去电子，当摩擦件102滑过导电部件20上表面时，摩擦件102表面带上负电，而导电部件20带上正电，使得导电部件20与地电位之间形成电势差；如果所选的摩擦件102得电子能力弱而导电部件20更容易得到电子，当二者发生相对滑动时，摩擦件102带上正电，而导电部件20带上负电，也使得导电部件20与地电位之间形成电势差。所形成的电势差都会驱动电子通过电路从地电位流向导电部件或者从导电部件流向地电位，从而对外（例如负载）输出电信号。该发电机所发出的电能既可以直接用来驱动一些电子器件，也可以先将电能储存在锂离子电池中，从而实现对锂离子电池充电。

例如，摩擦件102采用高分子材料聚对二甲基硅氧烷（PDMS），导电部件20采用金属材料铝箔，当摩擦件102与导电部件20接触时，铝箔带正电即铝箔得电子能力较弱，聚对二甲基硅氧烷（PDMS）带负电即得电子能力较强。摩擦件102采用高分子材料聚甲醛，导电部件20采用，当摩擦件102与导电部件20接触时，铝带负电即铝得电子能力较强，聚甲醛带正电即得电子能力较弱。

摩擦件102的结构无特别要求，可以为多层结构，也可以为组分均匀的一体结构，只要保证摩擦件102与导电部件20互相接触的表面的材料存在摩擦电极序差异即可。优选的，在基体转动过程中，导电部件最多只与一个摩擦件接触互相滑动，可以通过调节摩擦件的尺寸达到此目的。

绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明摩擦件102的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯（PTFE），聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。摩擦件的材料可以为上述有机绝缘体材料中的一种或多种。

相对于绝缘体，半导体也具有容易失去电子的摩擦电特性，也可以作为制备摩擦件102的原料。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，因此以下列出的半导体材料均可作为本发明中的摩擦件102的材料：SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe、HgTe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件，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。

导电部件20可以采用金属，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。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的导电部件20的材料，例如铟锡氧化物ITO。导电部件20的形状不做特别限定，可以为块状或薄片状导体，也可以为制备在衬底40上的薄膜状结构。导电部件20的厚度不作特别要求，其厚度范围优选为200纳米-200微米，更优选为1微米-100微米。衬底40的设置除了可以为导电部件提供支撑外，选择绝缘材料的衬底40，还可以使导电部件20与其他部件提供绝缘材料。

由于与摩擦件102接触的仅仅是导电部件20的外表面，所以仅要求导电部件20的外表面由导电材料构成，而对其内部材料没有特殊要求。因此，导电部件20可以是组分均匀的一体结构，如单一金属或合金等，也可以是基材通过包覆、沉积或镀的方法在基材外表面形成导电层的非均匀结构。

摩擦件、导电部件和/或衬底优选为柔性材料，柔性材料的选择，并不会影响摩擦件与导电部件互相接触时产生摩擦电荷的多少，在摩擦件与导电部件互相接触和分离过程中，不会互相碰撞损坏，有助于延长发电机的寿命。

通过实验发现，当摩擦件102的材料与导电部件20的材料的得电子能力相差越大时，发电机输出的电信号越强，所以，可以根据材料的不同摩擦电性质来挑选，以获得最佳的电信号输出性能。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的可以作为摩擦件102和导电部件20的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

在本申请中，摩擦件102能够与导电部件20接触的表面称为摩擦件102的下表面，导电部件20能够与摩擦件102接触的表面称为导电部件20的上表面。这里涉及的上表面、下表面不是空间意义上的上下表面，而是互相接触的表面。

摩擦件102能够与导电部件接触的表面形状可以为圆形、四方形、曲面的形状，曲面可以为规则的弧面，也可以为不规则的弧面。摩擦件102能够与导电部件20接触的面积越大，发电机的输出信号越强，优选摩擦件102的下表面与导电部件20的上表面的形状互补，例如均为平面或者曲率相同的弧面。

在摩擦件102的下表面和/或导电部件20的上表面进行物理改性，使其部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增加摩擦件102与导电部件20之间的有效接触面积，提高二者的表面摩擦电荷密度。所述微结构可以为下列结构中的一种或几种：纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。优选为在摩擦件102的下表面、导电部件20的上表面包括上述微、纳米结构形成的阵列。上述物理改性方法可以通过光刻蚀等方法在表面制备线状、立方体、或者四棱锥形状的微结构阵列。所述微结构纳米阵列中，每个阵列单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的保护范围。摩擦件102的下表面和/或导电部件20的上表面的纳米结构可以相同也可以不同。

在本发明的所有实施例中，摩擦件与基体的固定方式有多种选择。以图1中为例，4个摩擦件102固定在可以转动的基体101的外表面，摩擦件102与基体101的固定方式有多种，可以采用粘贴的方式，或者二者采用相同的材料一体加工而成。优选的，摩擦件102为薄片状结构。薄片状摩擦件102的厚度范围可以为50纳米-500微米。

在本发明的其他实施例中，摩擦件的个数不限为四个，可以根据使用情况不同，有不同的选择，可以为一个、2个或者多个。而且多个摩擦件的分布位置也不限定为图1或图5中的对称分布或者均匀分布，也可以为如图4中所示的为非对称分布。并且，发明人在实验过程中发现，多个摩擦件102尽量靠近排列，并且覆盖圆柱形基体的底面周长约一半时，发电机的输出性能最佳。这是由于非对称分布可以回避电场的对称抵消效应，当摩擦件占圆柱基体周长一半时，非对称效应达到最大。

多个摩擦件的形状、结构和材料可以完全相同，也可以不相同，优选为完全相同。基体的材料可以与摩擦件的相同，也可以不相同，优选为绝缘材料。

圆柱形的高度可以大于或者小于底面直径，该柱体的高度远小于底面直径时为圆盘状，摩擦件设置在圆盘的侧面上。

基体也可以为其他结构，参见图5中a和b，基体111为可以绕转轴T转动的悬臂结构，根据摩擦件112的个数，基体包括相同个数的悬臂，例如4个摩擦件112和4个悬臂，每个悬臂上设置一个摩擦件，基体111绕转轴T旋转时，悬臂带动摩擦件进行旋转。所有摩擦件112的下表面可以与导电部件21的上表面在同一平面内，如图5中a图所示，基体111的转轴T垂直于导电部件21与摩擦件112接触的表面，也就是所有摩擦件都固定在悬臂的同一侧面，例如所有摩擦件都固定在悬臂的上表面或者下表面；每个摩擦件112的下表面可以在不同的平面内，如图5中b图所示，基体111的转轴T平行于导电部件21与摩擦件112接触的表面，随着基体111转动，每个摩擦件112的下表面都可以转动到与导电部件21的上表面接触，也就是每个摩擦件112设置在悬臂的延伸端，与导电部件21接触的表面远离转轴T。

参见图6，基体121也可以为筒状结构，若干个摩擦件122设置在筒状基体121的内侧面上；导电部件22设置在筒状基体内侧面围成的空间内，并与地电位电连接。当基体121以转轴M旋转时，若干个摩擦件122的下表面能够依次与导电部件的上表面接触，在导电部件22与地电位之间连接的负载31上有电流流过。基体121可以为以转轴M轴对称的筒状结构，也可以为非对称筒状结构，优选为对称结构的筒状。若干个摩擦件122在基体内表面的设置可以为对称轴对称的也可以为非轴对称的，优选为非轴对称的。

优选的，基体为可以绕其转轴匀速转动的结构，摩擦件可以周期性的与导电部件接触，发电机即可对外输出周期性的脉冲电信号。

上述的发电机中，转动体中基体围绕某一转轴转动，所述转轴可以为固定不动的，也可以为移动的，使每个摩擦件与导电部件的基本相同部位接触。在其他实施例中，转动体可以在导电部件上滚动，参见图7，转动体的基体101可以在导电部件20上方滚动，带动多个摩擦件102依次与导电部件20接触，并且相同或者不同的摩擦件102可以与导电部件20的不同位置接触。对于只有一个摩擦件的发电机，基体的滚动带动一个摩擦件与导电部件多次接触时，在导电部件20上的部位不同。例如，基体101滚动时，摩擦件102与导电部件20表面的A部位接触，随着基体的继续滚动，摩擦件102与导电部件20表面的B部位接触。

当然，在实际中，转动体的基体既可以绕着转轴转动，同时也可以在导电部件上滚动。

基体可以绕转轴旋转，又可以在导电部件上方滚动，因此，优选基体为轴对称结构，除了可以为圆柱形、圆筒形、棱柱形、悬臂形外等结构外，也可以为其他轴对称结构，例如，也可以为锥形、锥台形等结构。优选的，使若干个所述摩擦件在基体转动或者滚动方向上均匀分布或者非均匀分布。这里所谓的在基体转动或者滚动方向上均匀分布，是指基体在匀速转动或滚动时，若干个摩擦件可以先后与导电部件接触，并且间隔时间均相同。在基体转动或者滚动方向上非均匀分布，是指基体在匀速转动或滚动时，若干个摩擦件可以先后与导电部件接触，但是间隔时间不完全相同。

本实施例的基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，可以在基体上固定一个施力装置，例如风杯或者扇叶，用于接受外力的作用，施力装置在外力作用下带动基体101转动和/或滚动，方便的实现了将外力的机械能转变为电能，可以应用在风力发电（采用风杯）、水力发电（采用扇叶）等领域，也可以应用在转动的车辆上，收集车辆行驶时的机械能。

由于外力的作用力的大小于基体的转速有关，进而对摩擦件与导电部件的接触频率相关，因此，本发明的发电机，特别是基体围绕一个固定转轴旋转的发电机，优选在转轴上固定施力装置，可以作为流体流速的传感器，当流体对施力装置作用时，带动基体转动，在导电部件与等电位之间产生多个电信号，通过检测电信号的周期即可获得流体的流速。

具体实施方式一：

在自行车车架上固定一个柔软的缓冲层（海绵），然后在缓冲层上面贴上一个铝片作为导电部件，30个LED灯泡通过导线连接在导电部件与地电位之间。切割8片相同大小（6cm×2cm）的PTFE薄片，可以绕着车轮中心轴线旋转的车轮为基体，将8个摩擦件轴对称的固定车轮的外边缘，车轮在绕着中心轴线旋转时8个摩擦件刚好能够依次与铝片滑动摩擦，30个LED灯泡被点亮。随着车轮转动速度的提高，灯泡由闪烁变为常亮。在实验中检测到的最大电压输出约为29V，并且改变摩擦件的个数，最大电压输出基本不变。

本实施例说明基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机能够将转动机械能转换成电能，用来驱动负载工作。

具体实施方式二：

取7片相同的PTFE薄片作为摩擦件，类似图4，将7片PTFE紧凑设置在圆柱形塑料基体的外侧面上，但是，摩擦件之间互相不相接，基体可以随着中心转轴P的转动而转动，在中心转轴P上固定风杯。导电部件为铝片，铝片的下表面附着在海绵衬底上，LED灯泡通过导线连接在导电部件与地电位之间。风机吹动风杯带动基体转动时，7片PTFE的表面能够依次与铝片表面平完全接触。风机产生不同风速，实验中在32.6m/s的风速下，可以测量到最大23V的电压，并且最大电压与风速的关系近似为线性。

根据以上实验结果，无需提供电源，本发明提供的流体流速传感器可以用来检测风速。同样的，也可以用来检测其他流体的流速，例如水流、气流等，是一种使用范围广泛传感器，

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 (21)

1.一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，包括转动体和导电部件，其中，

导电部件电连接至等电位；所述转动体由基体和若干个设置在所述基体上的摩擦件组成；

所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个所述摩擦件依次与所述导电部件滑动摩擦，在导电部件与等电位之间产生电信号；

或者，所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个表面带有电荷的所述摩擦件依次靠近和/或远离所述导电部件，在导电部件与等电位之间产生电信号。

2.根据权利要求1所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述等电位为地电位或者等电位电路。

3.根据权利要求1或2所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为柱体，若干个所述摩擦件设置在所述基体的外侧面上。

4.根据权利要求1或2所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为筒状结构，若干个所述摩擦件设置在所述基体的内侧面上；所述导电部件设置在所述基体内侧面围成的空间内。

5.根据权利要求1或2所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为绕转轴转动的悬臂结构，所述悬臂的个数与摩擦件的个数相同；每个悬臂上设置一个摩擦件；基体的转轴垂直于或者平行于导电部件与摩擦件接触的表面。

6.根据权利要求3-5任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为轴对称结构，若干个所述摩擦件在基体转动或者滚动方向上均匀或非均匀分布。

7.根据权利要求6所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述轴对称结构为圆柱形、圆筒形、棱柱形、锥形或锥台形。

8.根据权利要求1-7任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦件与导电部件接触的表面的材料为绝缘体或者半导体。

9.根据权利要求8所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述绝缘体为下列绝缘体材料中的一种或多种：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯；

所述半导体材料为下列材料中的一种或多种：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、半导体氧化物。

10.根据权利要求1-9任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦件的下表面和/或导电部件的上表面部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层；所述微结构为下列结构中的一种或几种：纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。

11.根据权利要求1-10任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦件为多层结构，或者为组分均匀的一体结构。

12.根据权利要求1-11任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述导电部件的个数为1个。

13.根据权利要求1-12任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述导电部件的上表面材料为金属或铟锡氧化物，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金中的一种或者几种。

14.根据权利要求1-13任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述导电部件为块状、薄片状、薄膜，或者为在基材外表面形成导电层的非均匀结构。

15.根据权利要求1-13任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦件的下表面与导电部件的上表面的形状互补。

16.根据权利要求1-15任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，还包括衬底，所述导电部件设置在所述衬底上。

17.根据权利要求16所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦件、导电部件和/或衬底优选为柔性材料。

18.根据权利要求1-17任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，在所述基体转动或者滚动过程中，所述导电部件最多只与一个摩擦件接触。

19.根据权利要求1-18任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述摩擦件的个数为1、2、4、6、7或8。

20.一种流体流速传感器，包括上述权利要求1-19任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体上固定有施力装置，所述施力装置，用于接受外力的作用带动所述基体转动和/或滚动。

21.根据权利要求20所述的流体流速传感器，其特征在于，所述施力装置为风杯或者扇叶。