CN105515436A - 平面滑动摩擦纳米发电机、光束方向调节器和光衰减器组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组。该平面滑动摩擦纳米发电机包括：动摩擦块；下静摩擦层，包括两个下摩擦块，该两个下摩擦块沿第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层，包括两个上摩擦块，该两个上摩擦块沿第二方向排列并彼此相互绝缘；当动摩擦块沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层中的两个下摩擦块产生摩擦，从而在该两个下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的两个上摩擦块产生摩擦，从而在该两上摩擦块之间产生第二电势差。本发明可以将环境中的机械能转化为电能，能够取代传统蓄电池作为自驱动电源设备。

Description

平面滑动摩擦纳米发电机、光束方向调节器和光衰减器组

技术领域

本发明涉及纳米及微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术领域，尤其涉及一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组。

背景技术

近年来，王中林教授研究组发明了摩擦纳米发电机，其原理基于摩擦生电和静电感应现象，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，两种聚合物具有不同的得失电子能力，从而产生电荷分离并形成电势差，两个金属极板通过静电感应在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势的驱动下流经外电路即可形成电流。对于仅3cm²大小的单层摩擦纳米发电机，其输出电压可以高达200～1000V，输出电流为100μA，可以瞬时带动几百个LED灯、无线探测和传感系统以及为手机电池充电等。摩擦纳米发电机的特点是以柔性聚合物膜为基本结构，易加工，器件使用寿命长，容易和其他加工工艺集成，相比压电纳米发电机和其他形式的能量采集器具有更高的输出电压和功率，可以为个人电子产品、环境监控、医学科学等中的MEMS/NEMS器件提供自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力。

随着微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的发展，及其在人体健康实时监测、基础设施监测、环境监测、物联网以及军事技术上的广泛应用，解决小范围的用电问题显得格外重要。由于蓄电池技术具有供电持久性差、对环境污染严重和材料资源消耗大等局限性，无法满足传感器网络的工作环境和MEMS/NEMS技术日益发展的需求。因此，大力开发微纳级可持续性自驱动电源技术，解决MEMS/NEMS器件对可持续性自驱动电源的需求将是未来科技发展的一个重心。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组，以利用平面滑动摩擦纳米发电机输出的高电压驱动压电式和静电式的光调制器，实现对光束方向和强度的调控，解决微机械器件和MEMS器件对外电源的依赖和自驱动技术等问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机。该平面滑动摩擦纳米发电机包括：动摩擦块120；下静摩擦层110，位于动摩擦块120的下方，包括：沿第二方向延伸的两下摩擦块-第一下摩擦块111和第二下摩擦块112，该两下摩擦块111、112沿与第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层130，位于动摩擦块120的上方，包括沿第一方向延伸的两上摩擦块-第一上摩擦块131和第二上摩擦块132，该两上摩擦块131、132沿第二方向排列并彼此相互绝缘；其中，下摩擦块111、112的材料与上摩擦块131、132的材料相同或不同，且两下摩擦块111、112和两上摩擦块131、132的材料与动摩擦块120的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；当动摩擦块120沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块111和第二下摩擦块112产生摩擦，从而在该两下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的第一上摩擦块131和第二上摩擦块132产生摩擦，从而在该个两上摩擦块之间产生第二电势差。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的光束方向调节器。该光束方向调节器还包括：第一压电双晶片210；以及第二压电双晶片220，其在水平面的投影与第一压电双晶片210在水平面的投影相互垂直；其中，平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111、112分别电性连接至第二压电双晶片220的两电压输入端，用于控制该第二压电双晶片220的弯曲变形；两上摩擦块131、132分别电性连接至第一压电双晶片210的两电压输入端，用于控制该第一压电双晶片210的弯曲变形。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种利用上述光束方向调节器的光束方向调节方法。该光束方向调节方法中，光源的出射光束依次经过第二压电双晶片220和第一压电双晶片210末端的两次反射后出射；平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111、112输出的电势差用于驱动第二压电双晶片220产生弯曲变形，从而使得出射光束在上下方向产生位移；平面滑动摩擦纳米发电机中两上摩擦块131、132输出的电势差用于驱动第一压电双晶片210产生弯曲变形，从而使得出射光束在左右方向产生位移。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的双路光衰减器组。该双路光衰减器组还包括：第一光衰减器310；以及第二光衰减器320；其中，平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块(111、112)分别电性连接至第一光衰减器310的两电压输入端，由该两上摩擦块输出的电势差来控制该第一光衰减器310的衰减率；两上摩擦块131、132电性连接至第二光衰减器320的两电压输入端，由该两下摩擦块输出的电势差来控制该第二光衰减器320的衰减率。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种利用上述双路光衰减器组的主动式光衰减方法。该主动式光衰减方法中，第一光衰减器310的前端通过光纤连接至第一激光器330，后端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两下摩擦块111、112，由该两下摩擦块输出的第一电势差控制该第一光衰减器310的衰减率，进而调节第一激光器330的输出功率；第二光衰减器320的前端通过光纤连接至第二激光器350，后端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两上摩擦块131、132，由该两上摩擦块输出的电势差控制该第二光衰减器320的衰减率，进而调节第二激光器350的输出功率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组具有以下有益效果：

(1)通过平面滑动摩擦纳米发电机将环境中的机械能转化为电能，直接用于对微执行器供电，避免了使用蓄电池技术所带来了供电持久性差、对环境污染严重等问题，具有加工能耗低、材料绿色环保等优点；

(2)能够实现宏观运动对微观运动的控制，无需外接电源和机械连接，对实现高效、节能的MEMS/NEMS器件、微/纳机器人、光开关和物联网等领域中的应用具有积极意义。

附图说明

图1为根据本发明实施例平面滑动摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在X方向运动的工作原理图；

图3为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在Y方向运动的工作原理图；

图4为根据本发明第二实施例光束方向调节器的结构示意图；

图5为图4所示光束方向调节器中压电双晶片的结构示意图；

图6为图4所示光束方向调节器中平面滑动摩擦纳米发电机中动摩擦块分别在X和Y方向运动时，光点在接收屏上位移的测试结果；

图7为根据本发明实施例双路光衰减器组的结构示意图；

图8为图7所示双路光衰减器组中光衰减器的结构示意图；

图9为图7所示双路光衰减组中平面滑动摩擦纳米发电机中动摩擦块分别在X和Y方向运动时，两路光功率衰减的测试结果。

【本发明主要元件符号说明】

100-平面滑动摩擦纳米发电机；

110-下静摩擦层；

111-第一下摩擦块；112-第二下摩擦块；

120-动摩擦块；

130-上静摩擦层；

131-第一上摩擦块；132-第二上摩擦块；

200-光束方向调节器

210-第一压电双晶片；

211-上片压电片；221-下片压电片；

220-第二压电双晶片；

230-激光器；

300-双路光衰减器组

310-第一光衰减器；

311-左固定件；312-右固定件；

313-静电式微反射镜；

320-第二光衰减器；

330-第一红外激光器；

340-第一功率计；

350-第二红外激光器；

360-第二功率计。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，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。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的保护范围。

本发明提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机，其可以将环境中的机械能转化为电能，能够取代传统蓄电池作为自驱动电源设备。由于该平面滑动平面滑动摩擦纳米发电机具有输出电压高的特点，其可以用于驱动压电式微机械器件或静电式MEMS器件工作。

一、第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机。图1为根据本发明实施例平面滑动摩擦纳米发电机的结构示意图。如图1所示，本实施例平面滑动摩擦纳米发电机100包括：动摩擦块120；下静摩擦层110，位于动摩擦块120的下方，包括两个沿第二方向延伸的下摩擦块(111、112)，该两个下摩擦块沿与上述第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层130，位于动摩擦块120的上方，包括两个沿第一方向延伸的上摩擦块(131、132)，该两个上摩擦块沿第二方向排列并彼此相互绝缘。

本实施例中，当动摩擦块120沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层中的两个下摩擦块(111、112)产生摩擦，从而在该两个下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的两个上摩擦块(131、132)产生摩擦，从而在该两个上摩擦块之间产生第二电势差，进而实现将环境中的机械能转换为电能。

以下对本实施例摩擦发电机的各个组成部件进行详细说明。

本实施例中，动摩擦块120采用正方形片状的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，简称PTFE)材料。下静摩擦层110和上静摩擦层130中的摩擦块均由铝板制备。但本发明并不以此为限，只要两下摩擦块111、112和两上摩擦块131、132的材料与动摩擦块120的材料为位于摩擦电极序不同位置的材料即可。上摩擦块和下摩擦块的材料可以相同，也可以不同。并且，即使同在上(下)静摩擦层，两上(下)摩擦块的材料可以相同，也可以不同。

这里的“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。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可。其中，上述的“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摩擦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，分布最大深度不过约为10nm。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。

在本发明优选的实施例中，动摩擦块120采用绝缘材料制备，而下静摩擦层110和上静摩擦层130中的摩擦块均采用导电材料制备。在这种情况下，摩擦块可以兼做电极。

此处列举一些常用的绝缘材料并按照摩擦电极序由正极性到负极性排序：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、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(涤纶)、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、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、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。

此外，为了进一步增加动摩擦块120与上/下摩擦块之间的接触面积，从而增大接触电荷量，还可以对动摩擦块120的上表面和/或下表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。所述微结构选自纳米线，纳米棒，纳米管，纳米锥，纳米颗粒，纳米沟槽，微米线，微米棒，微米管，微米锥，微米颗粒，微米沟槽。

此外，为了达到上述目的，还可以在动摩擦块120的上/下表面点缀或涂覆纳米材料。该纳米材料可以选自纳米颗粒，纳米管，纳米线和纳米棒。根据实际需要可以具体选择金纳米颗粒，金纳米线，金纳米棒，金纳米管，银纳米颗粒，银纳米线，银纳米棒，银纳米管，铜纳米颗粒，铜纳米线，铜纳米棒，铜纳米管，二氧化硅纳米颗粒，二氧化硅纳米线，二氧化硅纳米棒，二氧化硅纳米管，聚二甲基硅氧烷纳米颗粒，聚二甲基硅氧烷纳米线或聚二甲基硅氧烷纳米棒，聚二甲基硅氧烷纳米管，聚四氟乙烯纳米颗粒，聚四氟乙烯纳米线，聚四氟乙烯纳米棒，聚四氟乙烯纳米管。

此外，为了达到上述目的，也可以对动摩擦块120的上/下表面进行化学改性，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：一种方法是对动摩擦块120在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子基团)，或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子基团)，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。强给电子基团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子基团包括：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，从而在材料表面引入氨基。另外一种方法是在极性为正的基板材料表面引入正电荷，而在极性为负的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，可以在聚二甲基硅氧烷基板表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯，而使其带负电。也可以在金薄膜层上利用金-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，故会使整个基板变成带正电性。本领域的技术人员可以根据基板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。

相对于绝缘体，导电材料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。常用的导电材料包括金属、导电氧化物或导电高分子材料。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。导电氧化物常用的如AZO(掺铝氧化锌)、ITO(铟锡氧化物)等。

需要说明的是，如果下静摩擦层110和上静摩擦层130中的摩擦块采用非导电材料制备，则需要在其表面形成导电层以向外界输出电压。本领域技术人员应当很清楚该导电层的形成过程，此处不再详细说明。

在下文中，为了描述方便，将第一方向定义为X方向，将第二方向定义为Y方向。

本实施例中，下静摩擦层中的两下摩擦块(111、112)和上静摩擦层中的两上摩擦块(131、132)均呈长方形片状构造。下静摩擦层中两下摩擦块(111、112)的长边沿Y方向，短边沿X方向。而上摩擦层中两上摩擦块(131、132)的长边沿X方向，短边沿Y方向。

本实施例中，下静摩擦层中两个下摩擦块的短边尺寸相等，上静摩擦层中两个上摩擦块的短边尺寸相等，并且下静摩擦层中的下摩擦块短边的尺寸和上静摩擦层中上摩擦块短边的尺寸相同，即两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)的形状相同，但本发明并不以此为限，各个摩擦块在相应方向延伸的尺寸可以相等，也可以不相同，只要动摩擦块120在该方向运动过程中依次与该静摩擦层中不同的摩擦块相摩擦即可。

本实施例中，动摩擦件120呈正方形片状构造，即在X向和Y方向上延伸的尺寸相等。该正方形的边长等于下摩擦块在X方向延伸的尺寸和上摩擦块在Y方向延伸的尺寸，但本发明并不以此为限，该动摩擦件还可以为非正方形的长方形、梯形、三角形、圆形、椭圆形等各种形状。

本实施例中，不同的上(下)摩擦块之间不互相接触，采用空气绝缘，当然，本领域技术人员也可以想到其他材料，例如：绝缘胶、环氧树脂等，来实现同层两摩擦块之间的绝缘，此处不再详细说明。此外，同层两摩擦块之间间隙的大小不限，优选为远小于摩擦块的宽度。

本实施例中，动摩擦块沿第一方向运动，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块111和第二下摩擦块112产生摩擦，就可以在该两下摩擦块(111、112)之间产生的第一电势差。动摩擦块沿第二方向运动，其依次与上静摩擦层的第一上摩擦块131和第二上摩擦块132产生摩擦，就可以在该两上摩擦块(131、132)之间产生第二电势差。

以下介绍本实施例平面滑动摩擦纳米发电机的工作原理：

(1)图2为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在X方向运动的工作原理图。如图2中<i>所示，动摩擦块120位于X方向最左方，其下表面与下摩擦层中第一下摩擦块111产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，动摩擦块120的下表面带负电，第一下摩擦块111带正电，此时第一下摩擦块111与第二下摩擦块112之间没有电势差，第一电势差输出为0。如图2中<ii>所示，动摩擦块120沿X方向移动，第一下摩擦块111与第二下摩擦块112之间产生正向电势差，第一电势差输出增加。如图2中<iii>所示，动摩擦块120运动至最右方，第一下摩擦块111与第二下摩擦块112之间的正向电势差继续增大，第一电势差输出达到最大值。如图2中<iv>所示，动摩擦块120向左运动，第一下摩擦块111与第二下摩擦块112之间的正向电势差减小，第一电势差输出减小。当动摩擦块120运动至最左方，回到了如图2中<i>所示的状态。此过程中第一路输出电压与X方向的位移成正比。此过程中动摩擦块120上表面同时与上摩擦层130产生摩擦，其上表面带负电，上摩擦层130带正电，由于第一上摩擦块131与第二上摩擦块132之间的电势差没有因X方向的运动产生变化，因此第二电势差输出不变。

(2)图3为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在Y方向运动的工作原理图。如图3中<i>所示，动摩擦块120位于Y方向最左方，其上表面与第一上摩擦块131产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，动摩擦块120的上表面带负电，第一上摩擦块131带正电，此时第一上摩擦块131与第二上摩擦块132之间没有电势差，第一电势差输出为0。如图3中<ii>所示，动摩擦块120沿Y方向移动，第一上摩擦块131与第二上摩擦块132之间产生正向电势差，第二电势差输出增加。如图3中<iii>所示，动摩擦块120运动至最右方，第一上摩擦块131与第二上摩擦块132之间的正向电势差继续增大，第二电势差输出达到最大值。如图3中<iv>所示，动摩擦块120向左运动，第一上摩擦块131与第二上摩擦块132之间的正向电势差减小，第二电势差输出减小。当动摩擦块120运动至最左方，回到了如图3中<i>所示的状态。此过程中第二路输出电压与Y方向的位移成正比。此过程中动摩擦块120下表面同时与下摩擦层产生摩擦，其下表面带负电，下摩擦层带正电，由于第一下摩擦块111与第二下摩擦块112之间的电势差没有因Y方向的运动产生变化，因此第一电势差输出不变。

根据平面滑动摩擦纳米发电机的工作原理，由上摩擦层和下摩擦层的摩擦块输出的两路电势差分别外接电容量为C_load的负载电容时，加载在负载电容上的电压U_load-x和U_load-y可分别表示为：

$U_{\mathrm{load}-x}=\frac{Q\&CenterDot;L_x}{(C_0+C_{\mathrm{load}})\&CenterDot;L}---\left(1\right)$

$U_{\mathrm{load}-y}=\frac{Q\&CenterDot;L_y}{(C_0+C_{\mathrm{load}})\&CenterDot;L}---\left(2\right)$

其中，Q为动摩擦块单面摩擦产生的电荷量，L_x和L_y分别为动摩擦块在X和Y方向上的位移，L为从动摩擦块上下表面的边长，C₀为下摩擦层110中第一下摩擦块111与第二下摩擦块112之间形成的电容量。由于平面滑动摩擦纳米发电机上下金属电极结构的正交和对称性，C₀也为上摩擦层130中第一上摩擦块131与第二上摩擦块132之间形成的电容量，C₀由发电机的结构尺寸决定，在结构尺寸一定的情况下为常量。

本领域技术人员应当清楚，上述动摩擦块、静摩擦层及相应部件中的“动”和“静”只是相对而言的，本实施例中，静摩擦层静止，而动摩擦块相对于该静摩擦层运动，而在本发明的其他实施例中，也可以是动摩擦块静止，而静摩擦层相对于该动摩擦块运动，其同样应当包含在本发明的保护范围之内。

本实施例中，通过平面滑动摩擦纳米发电机将环境中的机械能转化为电能，直接用于对微执行器供电，避免了使用蓄电池技术所带来了供电持久性差、对环境污染严重等问题，具有加工能耗低、材料绿色环保等优点。以下介绍利用本实施例平面滑动摩擦纳米发电机的两种具体应用。

二、第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的光束方向调节器，可实现对光束方向的二维调制。

图4为根据本发明第二实施例光束方向调节器的结构示意图。如图4所示，本实施例光束方向调节器200包括：

上述实施例的平面滑动摩擦纳米发电机100；

第一压电双晶片210和第二压电双晶片220，两者在水平面上的投影相互垂直，其中，平面滑动摩擦纳米发电机100中下摩擦层的两下摩擦块分别电性连接至第一压电双晶片210的两电压输入端，用于控制第一压电双晶片210的弯曲变形；上摩擦层的两上摩擦块分别电性连接至第二压电双晶片220的两电压输入端，用于控制第二压电双晶片220的弯曲变形。

本实施例中，第一压电双晶片210和第二压电双晶片220为相同的压电双晶片。图5为图4所示光束方向调节器中压电双晶片的结构示意图。如图5所示，压电双晶片结构是将两片压电片(211、212)叠置后粘贴在一块，一端夹持固定，另一端自由，形成悬臂梁结构。压电片由压电陶瓷材料制备，在两上摩擦块或两下摩擦块所输出的电势差U_load的作用下，压电双晶片产生内部极化电场，上片压电片211的极化方向与极化电场相反，下片压电片212的极化方向与极化电场相同，从而导致上片压电片211伸长，下片压电片212收缩，造成整个悬臂梁结构向下弯曲。压电双晶片末端的偏转角θ可表示为：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{{3d}_{31}\&CenterDot;U_{\mathrm{load}}\&CenterDot;l}{{2h}^2}---\left(3\right)$

其中，d₃₁为压电双晶片的压电常数，l为压电双晶片的长度，h为压电双晶片中其中一片的厚度。

需要说明的是，本发明中第一压电双晶片210和第二压电双晶片的位置可以互换，并且两者的尺寸和结构也可以存在差别，本发明并不以上述实施例为限。

三、第三实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，还提供了一种基于上述的光束方向调节器的光束方向调节方法。

请参照图4，激光器230的出射光束依次经过第二压电双晶片220和第一压电双晶片210末端的两次反射后，在接收屏上显示为一个光点。平面滑动摩擦纳米发电机100中下摩擦层中两下摩擦块(111、112)输出的第一电势差用于驱动第二压电双晶片220产生弯曲变形，从而使得光点在左右方向产生位移；上摩擦层中两上摩擦块(131、132)输出的第二电势差用于驱动第一压电双晶片210产生弯曲变形，从而使得光点在上下方向产生位移。平面滑动摩擦纳米发电机的两路输出电压实现了对压电双晶片的驱动以及光束方向的调节。由于两路输出电压分别与动摩擦块120在X和Y方向的运动位移成正比，且具有独立性，因此光点在接收屏上的运动能够由动摩擦块120的平面运动所控制。

因此，接收屏上光点在左右和上下方向的运动位移S_x和S_y可表示为：

$S_x=\mathrm{tg}2{\mathrm{\&theta;}}_x\&CenterDot;D\&ap;{2\mathrm{\&theta;}}_x\&CenterDot;D=\frac{{3d}_{31}\&CenterDot;Q\&CenterDot;l\&CenterDot;D}{(C_0+C_{\mathrm{bimorph}})\&CenterDot;h^{2}L}\&CenterDot;L_x---\left(4\right)$

$S_y=\mathrm{tg}2{\mathrm{\&theta;}}_y\&CenterDot;D\&ap;{2\mathrm{\&theta;}}_y\&CenterDot;D=\frac{{3d}_{31}\&CenterDot;Q\&CenterDot;l\&CenterDot;D}{(C_0+C_{\mathrm{bimorph}})\&CenterDot;h^{2}L}\&CenterDot;L_y---\left(5\right)$

其中，D为光调制器至接收屏的距离，C_bimorph为压电双晶片的电容量。

图6为图4所示光束方向调节器中平面滑动摩擦纳米发电机中动摩擦块分别在X和Y方向运动时，光点在接收屏上位移的测试结果。由图6可知，本实施例中的光束方向调节器的确能够实现对光束方向的调节。

需要说明的是，本实施例中，采用激光作为光源，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，还可以采用氙灯或其他形式的光源。

此外，为了清楚地展示光束方向调节的效果，采用接收屏的光点进行说明。然而，在实际的光束方向调节方法中，并不用设置该接收屏，而由光路后端的压电双晶片反射后直接出射，例如向远方出射或出射至后端的光学元件。

四、第四实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种双路光衰减器组，可实现对双路光功率的调制。

图7为根据本发明实施例双路光衰减器组的结构示意图。如图7所示，本实施例双路光衰减器组300包括：

第一实施例的平面滑动摩擦纳米发电机100；

第一光衰减器310和第二光衰减器320，其中，所述平面滑动摩擦纳米发电机中下摩擦层的两下摩擦块(111、112)分别电性连接至该第一光衰减器310的两电压输入端，由该两下摩擦块输出的电势差来控制该第一光衰减器310的衰减率；所述平面滑动摩擦纳米发电机中上摩擦层的两上摩擦块(131、132)分别电性连接至第二光衰减器320的两电压输入端，由该两上摩擦块输出的电势差来控制该第二光衰减器320的衰减率。

本实施例中，该两光衰减器(310、320)均为基于静电式微反射镜的光衰减器，由第一/二电势差实现了该光衰减器的驱动以及光功率的调节。

图8为图7所示双路光衰减器组中光衰减器的结构示意图。如图8所示，该光衰减器包括：入射光纤；出射光纤；静电式微反射镜313，固定于左固定件311和右固定件312之间，由入射光纤射入的光经由该静电式微反射镜耦合至出射光纤。

其中，该静电式微反射镜313为在硅基上由MEMS工艺制作，其扭转角度由其与左/右固定件(311、312)之间的电势差决定，其中，左固定件和右固定件电性连接，具体来讲：

(1)当静电式微反射镜313与左/右固定件(311、312)之间未加电压时，静电式微反射镜313呈水平状态，由入射光纤入射的光反射后能量完全耦合进出射光纤；

(2)当静电式微反射镜313与左/右固定件(311、312)之间施加电势差U_load时，静电式微反射镜313左侧所受的静电力在垂直方向上的分量向上，右侧所受的静电力在垂直方向上的分量向下，静电式微反射镜313被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，由入射光纤入射的光反射后能量不能完全耦合进出射光纤，从而达到调节光强的目的。

五、第五实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，还提供了一种基于上述双路光衰减器组的主动式光衰减方法。

如图7所示，第一光衰减器310的前端通过光纤连接至第一红外激光器330，后端通过光纤连接至第一功率计340，其两电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机下摩擦层的两下摩擦块(111、112)。由该两下摩擦块输出的第一电势差控制该第一光衰减器310的衰减率，进而调节第一红外激光器330的输出功率。

如图7所示，第二光衰减器320的前端通过光纤连接至第二红外激光器350，后端通过光纤连接至第二功率计360，其两电压输入端分别连接至平面滑动摩擦纳米发电机上摩擦层的两上摩擦块(131、132)。由该两上摩擦块(131、132)输出的第二电势差控制该第二光衰减器320的衰减率，进而调节第二红外激光器350的输出功率。

图9为图7所示双路光衰减组中平面滑动摩擦纳米发电机中动摩擦块分别在X和Y方向运动时，两路光功率衰减的测试结果。由图9可以看出，本实施例的主动式光衰减器组确实能够实现对双路光衰减器的衰减率的可控调节。

需要说明的是，本实施例采用的两激光器是红外激光器，然而本发明并不以此为限，在实际应用时，该两激光器可以是任何类型和波段的激光器。此外，为了测试方便，两激光器的后端均连接至功率计，然而在实际应用时，该两激光器的末端均应当连接相应的光学元件，而不应当是功率计。本领域技术人员应当很清楚此些技术内容，此处不再详细说明。

至此，已经结合附图对本发明五个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)制备动摩擦块和静摩擦层中摩擦块的材料可以根据需要进行调整，而不局限于实施例中所给出的材料；

(2)静摩擦层中两摩擦块之间的绝缘可以根据需要选用相应的绝缘介质，而不限于空气绝缘。

综上所述，本发明提供的平面滑动摩擦纳米发电机具有驱动微机械器件的能力，无需外电源供电，适用于在微/纳机器人、光开关和物联网等领域中对微观结构运动的致动，对独立、持续的自驱动MEMS/NEMS器件的应用具有积极意义。基于该平面滑动摩擦纳米发电机可以制备出各种器件，并不局限于本发明中提到的光束方向调节器和双路光衰减器组。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

动摩擦块(120)；

下静摩擦层(110)，位于所述动摩擦块(120)的下方，包括：沿第二方向延伸的两下摩擦块-第一下摩擦块(111)和第二下摩擦块(112)，该两下摩擦块(111、112)沿与所述第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及

上静摩擦层(130)，位于所述动摩擦块(120)的上方，包括沿第一方向延伸的两上摩擦块-第一上摩擦块(131)和第二上摩擦块(132)，该两上摩擦块(131、132)沿第二方向排列并彼此相互绝缘；

其中，所述下摩擦块(111、112)的材料与所述上摩擦块(131、132)的材料相同或不同，且两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)的材料与动摩擦块(120)的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；

当所述动摩擦块(120)沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块(111)和第二下摩擦块(112)产生摩擦，从而在该两下摩擦块之间产生第一电势差；当所述动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的第一上摩擦块(131)和第二上摩擦块(132)产生摩擦，从而在该个两上摩擦块之间产生第二电势差。

2.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)均呈长方形片状，其中：所述两下摩擦块(111、112)的长边沿第二方向；所述两上摩擦块(131、132)的长边沿第一方向。

3.根据权利要求2所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块(111、112)的短边尺寸相等；所述两上摩擦块(131、132)的短边尺寸相等。

4.根据权利要求3所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块(111、112)和所述两上摩擦块(131、132)的形状相同。

5.根据权利要求4所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述动摩擦块(120)呈正方形片状，其边长与所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)的短边的尺寸相等。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述动摩擦块(120)的材料为绝缘材料。

7.根据权利要求6所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述绝缘材料为以下材料中至少一种构成的材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、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(涤纶)、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、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、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。

8.根据权利要求7所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述动摩擦块(120)的材料为聚四氟乙烯。

9.根据权利要求7所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，在所述动摩擦块(120)的上表面和/或下表面：

分布有微米或次微米量级的微结构阵列；

点缀或涂覆有纳米材料；和/或

进行化学改性，以提高电荷在接触瞬间的转移量。

10.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块(111、112)的材料与所述两上摩擦块(131、132)的材料为导电材料，该导电材料为：金属、导电氧化物或导电高分子。

11.根据权利要求10所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于：

所述金属为以下材料中至少一种构成的材料：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒；

所述导电氧化物为以下材料中至少一种构成的材料：掺铝氧化锌(AZO)和铟锡氧化物(ITO)。

12.根据权利要求11所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)均由铝板制备。

13.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)均由非导电材料制备；

所述两下摩擦块(111、112)的底部和所述两上摩擦块(131、132)的顶部还形成有导电层，用于将摩擦块产生的电势差向外传递。

14.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述两下摩擦块之间不互相接触，采用绝缘材料进行绝缘；两上摩擦块之间不互相接触，采用绝缘材料进行绝缘。

15.根据权利要求14所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，所述绝缘材料为空气、绝缘胶或环氧树脂。

16.一种应用权利要求1至15中任一项所述平面滑动摩擦纳米发电机的光束方向调节器，其特征在于，还包括：

第一压电双晶片(210)；以及

第二压电双晶片(220)，其在水平面的投影与所述第一压电双晶片(210)在水平面的投影相互垂直；

其中，所述平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块(111、112)分别电性连接至第二压电双晶片(220)的两电压输入端，用于控制该第二压电双晶片(220)的弯曲变形；两上摩擦块(131、132)分别电性连接至第一压电双晶片(210)的两电压输入端，用于控制该第一压电双晶片(210)的弯曲变形。

17.根据权利要求16所述的光束方向调节器，其特征在于，所述第一压电双晶片(210)和第二压电双晶片(220)为相同的压电双晶片；

该压电双晶片是将两条状压电片(211、212)叠置固定形成的悬臂梁结构，其中，该条状压电片(211、212)由压电陶瓷材料制备，两条状压电片的极化方向相反。

18.根据权利要求17所述的光束方向调节器，其特征在于：在所述两上摩擦块或两下摩擦块所输出的电压的作用下，所述压电双晶片产生内部极化电场，上片压电片(211)的极化方向与极化电场相反，下片压电片(212)的极化方向与极化电场相同，从而导致上片压电片(211)伸长，下片压电片(212)收缩，整个悬臂梁结构向下弯曲。

19.一种利用权利要求16至18中任一项所述光束方向调节器的光束方向调节方法，其特征在于：

光源的出射光束依次经过第二压电双晶片(220)和第一压电双晶片(210)末端的两次反射后出射；

平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块(111、112)输出的电势差用于驱动所述第二压电双晶片(220)产生弯曲变形，从而使得出射光束在上下方向产生位移；

平面滑动摩擦纳米发电机中两上摩擦块(131、132)输出的电势差用于驱动所述第一压电双晶片(210)产生弯曲变形，从而使得出射光束在左右方向产生位移。

20.一种应用权利要求1至15中任一项所述平面滑动摩擦纳米发电机的双路光衰减器组，其特征在于，还包括：

第一光衰减器(310)；以及

第二光衰减器(320)；

其中，所述平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块(111、112)分别电性连接至所述第一光衰减器(310)的两电压输入端，由该两上摩擦块输出的电势差来控制该第一光衰减器(310)的衰减率；两上摩擦块(131、132)电性连接至所述第二光衰减器(320)的两电压输入端，由该两下摩擦块输出的电势差来控制该第二光衰减器(320)的衰减率。

21.根据权利要求20所述的双路光衰减器组，其特征在于，所述第一光衰减器(310)和第二光衰减器(320)均为基于静电式微反射镜的光衰减器。

22.根据权利要求21所述的双路光衰减器组，其特征在于，所述光衰减器包括：

入射光纤；

出射光纤；

静电式微反射镜(313)，固定于左固定件(311)和右固定件(312)之间，由入射光纤射入的光经由该静电式微反射镜耦合至出射光纤；

其中，所述静电式微反射镜(313)为在硅基上采用MEMS工艺制作，其扭转角度由其与左/右固定件(311、312)之间的电势差决定。

23.根据权利要求22所述的双路光衰减器组，其特征在于，所述光衰减器中：

当所述静电式微反射镜(313)与左/右固定件(311、312)之间未加电压时，所述静电式微反射镜(313)呈水平状态，由入射光纤入射的光反射后能量完全耦合进出射光纤；

当所述静电式微反射镜(313)与左/右固定件(311、312)之间施加电势差时，所述静电式微反射镜(313)在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，由入射光纤入射的光反射后能量不能完全耦合进出射光纤。

24.一种利用权利要求20至23中任一项所述双路光衰减器组的主动式光衰减方法，其特征在于：

所述第一光衰减器(310)的前端通过光纤连接至第一激光器(330)，后端通过光纤输出，其电压输入端连接至所述平面滑动摩擦纳米发电机中的两下摩擦块(111、112)，由该两下摩擦块输出的第一电势差控制该第一光衰减器(310)的衰减率，进而调节第一激光器(330)的输出功率；

所述第二光衰减器(320)的前端通过光纤连接至第二激光器(350)，后端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两上摩擦块(131、132)，由该两上摩擦块输出的电势差控制该第二光衰减器(320)的衰减率，进而调节第二激光器(350)的输出功率。

25.根据权利要求24所述的主动式光衰减方法，其特征在于，所述第一激光器(330)和第二激光器(350)均为红外激光器。