CN105871245B - 一种悬臂梁式复合型纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂梁式复合型纳米发电机，所述纳米发电机包括：第一悬臂梁，能够弹性振动；第一悬臂梁包括第一摩擦发电组件；第二悬臂梁，能够弹性振动，用于在静止时，与第一悬臂梁水平接触；第二悬臂梁包括第二摩擦发电组件，用于在振动过程中，与第一摩擦发电组件接触或者分离，且在接触和分离的过程中，第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件之间产生摩擦电势差；以及压电发电组件(50)，设置于第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于在振动过程中，产生拉伸和/或压缩形变，所述压电发电组件中形成压电电势差。本发明悬臂梁式复合型纳米发电机通过第一悬臂梁和第二悬臂梁之间的振动，产生摩擦电信号和压电电信号，可提高能量的转化效率。

Description

一种悬臂梁式复合型纳米发电机

技术领域

本发明涉及纳米发电机，具体地，涉及一种悬臂梁式复合型纳米发电机。

背景技术

随着传统化石燃料日益消耗殆尽，能源问题已成为限制人类社会发展的桎梏。国内外研究人员纷纷把目光投向可再生新型能源，其中，为解决微纳器件及系统供能而提出的纳米发电机日益成为引领微纳米能源发展的主导。基于压电效应、热电效应、摩擦效应、磁电效应的纳米发电机已有较多报道。

然而单一形式的纳米发电装置能源转换效率不高，使其实际应用受到限制。如何最大限度的提高能量转化效率已成为微纳能源研究的核心，为此复合型纳米发电机应运而生。例如，中国专利“压电和摩擦电混合纳米发电机”(CN201210185780.2)，中国专利“基于压电-摩擦效应的高电学性能纳米发电机的制备方法”(CN201300376298.1)，中国专利“一种复合式纳米发电机及其制备方法”(CN201210455400.6)等，虽然采用了多种效应耦合，但装置均仅限于低频机械能转换，转换能量较低。例如，中国专利“一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机”(CN201300099750.4)，由于采用径向磁场发电机使得体积较大，不利于微型化集成于微纳系统，且能量的转化效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬臂梁式复合型纳米发电机，该纳米发电机可提高能量的转化效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种悬臂梁式复合型纳米发电机，所述纳米发电机包括：第一悬臂梁，能够弹性振动；所述第一悬臂梁包括第一摩擦发电组件；第二悬臂梁，能够弹性振动，用于在静止时，与所述第一悬臂梁水平接触；所述第二悬臂梁包括第二摩擦发电组件，用于在振动过程中，与所述第一摩擦发电组件接触或者分离，且在接触和分离的过程中，所述第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件之间产生摩擦电势差；以及压电发电组件，设置于所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于在振动过程中，产生拉伸和/或压缩形变，所述压电发电组件中形成压电电势差。

优选地，所述纳米发电机还包括：磁电发电组件，用于在振动过程中，产生磁电电势差；其中，所述磁电发电组件包括：磁体，设置于所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于跟随所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁振动，并在振动过程中产生交变磁场；以及线圈，对应所述磁体设置，用于相对切割交变磁场中的磁感线，所述线圈中产生交变电流，形成磁电电势差。

优选地，所述磁体固定在所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁的首端。

优选地，所述磁体的长度为所述压电发电组件长度的1/5至1/3。

优选地，所述线圈为平面线圈。

优选地，所述线圈为单相或同心式绕组环形线圈。

优选地，所述线圈的匝数≥500。

优选地，所述第一悬臂梁还包括：第一弹性支撑板，用于带动所述第一摩擦发电组件往复振动。

优选地，所述第一摩擦发电组件包括：第一电极层，设置于所述第一弹性支撑板的下表面；以及第一摩擦层，设置于所述第一电极层的下表面。

优选地，所述第一悬臂梁还包括：质量块，设置于所述第一弹性支撑板的上表面，用于使所述第一弹性支撑板弹性振动。

优选地，所述质量块设置于所述第一弹性支撑板的首端。

优选地，所述第二悬臂梁还包括：第二弹性支撑板，用于带动所述第二摩擦发电组件往复振动。

优选地，所述第二摩擦发电组件包括：第二电极层，设置于所述第二弹性支撑板的上表面；以及第二摩擦层，设置于所述第二电极层的上表面。

优选地，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异。

优选地，所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层具有微纳米结构层。

优选地，所述纳米发电机还包括：支架，用于固定所述第一悬臂梁与第二悬臂梁的末端，使所述第一悬臂梁与第二悬臂梁垂直对应且悬空设置。

优选地，所述第一悬臂梁与第二悬臂梁的振幅为5至15mm。

优选地，所述压电发电组件为压电陶瓷晶片。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机通过第一悬臂梁和第二悬臂梁之间的振动，产生摩擦电信号和压电电信号，可提高能量的转化效率；结构简单，可减少器件的占用空间。

本发明的其它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

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明悬臂梁式复合型纳米发电机的结构示意图；

图2a-图2b是本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中摩擦发电组件输出性能示意图；

图3a-图3b是本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中压电发电组件输出的电信号图；

图4a-图4b是本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中磁电发电组件输出的电信号图。

附图标记说明

10 底座 20 支架

30 第一弹性支撑板 31 第一电极层

32 第一摩擦层 33 质量块

40 第二弹性支撑板 41 第二电极层

42 第二摩擦层 50 压电发电组件

60 磁体 61 线圈

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明中提到的方向用语，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。

如图1所示，本发明悬臂梁式复合型纳米发电机包括：第一悬臂梁，能够弹性振动；所述第一悬臂梁包括第一摩擦发电组件；第二悬臂梁，能够弹性振动，用于在静止时，与所述第一悬臂梁水平接触；所述第二悬臂梁包括第二摩擦发电组件，用于在振动过程中，与所述第一摩擦发电组件接触或者分离，且在接触和分离的过程中，所述第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件之间产生摩擦电势差；以及压电发电组件50，设置于所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于在振动过程中，产生拉伸和/或压缩形变，所述压电发电组件中形成压电电势差。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机可通过第一悬臂梁和第二悬臂梁之间的振动，产生摩擦电信号和压电电信号，可提高能量的转化效率；结构简单，可减少器件的占用空间。

在本实施例中，所述压电发电组件50为压电陶瓷晶片，材料较为普遍，可降低生产成本。其中，所述压电陶瓷晶片的长为36mm，宽为15mm，厚度为0.8mm，但并不以此为限。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机还包括支架20，用于固定所述第一悬臂梁与第二悬臂梁的末端，使所述第一悬臂梁与第二悬臂梁垂直对应且悬空设置；以及底座10，用于固定所述支架20。由于所述第一悬臂梁与第二悬臂梁的首端均悬空设置，便于第一悬臂梁与第二悬臂梁的弹性振动。其中，所述第一悬臂梁与第二悬臂梁的振幅为5至15mm，可确保所述压电发电组件50的形变量最大，同时可避免由于形变导致所述压电发电组件50折断。

如图1所示，所述第一悬臂梁还包括第一弹性支撑板30，用于带动所述第一摩擦发电组件往复振动，以及质量块33，设置于所述第一弹性支撑板30的上表面，用于使所述第一弹性支撑板30弹性振动。所述第一摩擦发电组件包括第一电极层31，设置于所述第一弹性支撑板30的下表面；以及第一摩擦层32，设置于所述第一电极层31的下表面。

优选地，所述质量块33设置于所述第一弹性支撑板30的首端，以增加所述第一弹性支撑板30的振动幅度，使所述第一摩擦发电组件能够与所述第二摩擦发电组件充分接触。

如图1所示，所述第二悬臂梁还包括：第二弹性支撑板40，用于带动所述第二摩擦发电组件往复振动。所述第二摩擦发电组件包括：第二电极层41，设置于所述第二弹性支撑板40的上表面；以及第二摩擦层42，设置于所述第二电极层41的上表面。

所述第一摩擦层32和第二摩擦层42的材料存在摩擦电极序差异。其中，所述第一摩擦层32和第二摩擦层42的材料可为绝缘体材料、半导体材料或导体材料。所述绝缘体材料可为聚酰胺、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚烯醇、聚氯醚、聚氨酯、聚丙烯腈中的一种或几种。其中，所述第一摩擦层32完全覆盖所述第一弹性支撑板30，所述第二摩擦层42完全覆盖所述第二弹性支撑板40，以确保摩擦接触面最大。且所述第一摩擦层32和/或第二摩擦层42具有微/纳米结构层，以增加摩擦接触面积。其中，所述微/纳米结构层可为零维结构、一维结构、二维结构或者上述结构形成的多级结构。其中，所述微/纳米结构层可采用静电纺织、磁控溅射、硅模板法等方法中的任意一者或组合制备。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中摩擦发电的工作过程为：第一悬臂梁与第二悬臂梁发生垂直振动，并在该过程中发生相对运动并不断接触分离。振动过程中，第一摩擦层32和第二摩擦层42相互接触，并分别聚集正负电荷，这些电荷在一定时间内保持在二者的表面，几乎不会发生流动或者衰减。然而在两个电极层不断交替接触和分离过程中，感应电势差发生周期性变化，从而吸引电极回路中所带的异号电荷在第一电极层31和第二电极层41之间移动，从而形成摩擦电势差，可通过外电路输出电流。

在本实施例中，所述压电陶瓷晶片设置于所述第二悬臂梁上，进一步的，所述压电陶瓷晶片设置于所述第二弹性支撑板40与第二电极层41之间，但并不以此为限，所述压电陶瓷晶片还可设置于所述第二弹性支撑板40的下表面。所述压电陶瓷晶片紧密贴合在所述第二弹性支撑板40上，以确保所述压电陶瓷晶片与所述第二弹性支撑板40同步振动，提高压电陶瓷晶片的韧性；可避免在振动过程中导致所述压电陶瓷晶片折断，从而延长压电陶瓷晶片的使用寿命。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中压电发电组件的工作过程为：在第一悬臂梁和第二悬臂梁振动的过程中，所述压电陶瓷晶片上下反复弯曲，当向上弯曲时，所述压电陶瓷晶片的上表面产生压缩，下表面产生拉伸效应；当向下弯曲时，压电陶瓷晶片的上表面拉伸而下表面压缩，这种形变导致压电陶瓷晶片内部发生晶格畸变，在压电陶瓷晶片两侧产生压电电势差，进而通过外电路输出电信号。

如图1所示，本发明悬臂梁式复合型纳米发电机还包括：磁电发电组件，用于在振动过程中，产生磁电电势差；其中，所述磁电发电组件包括：磁体60，设置于所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于跟随所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁振动，并在振动过程中产生交变磁场；以及线圈61，对应所述磁体60设置，用于相对切割交变磁场中的磁感线，所述线圈61中产生交变电流，形成磁电电势差。在本实施例中，所述线圈61固定于所述底座10中，可避免降低其他信号对电磁信号的干扰。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机将摩擦发电、压电效应以及磁电效应相耦合，可通过振动，同时获取三种电信号，极大的提高了能量的转化效率，同时可减少器件的体积，减少占用空间。

所述磁体60固定在所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁的首端，可增大变化的距离，增强交变磁场的强度。所述磁体60和线圈61对应设置，可增加切割磁感线的数量，增强交变电流的强度。在本实施例中，所述磁体60固定在所述第二悬臂梁的首端，进一步的，所述磁体60固定在所述第二支撑板40下表面的首端。

其中，所述磁体60可以为钕铁硼、铝镍钴、钐钴、铁氧体等磁铁，优选地，所述磁体60为钕铁硼磁铁。其中，所述磁体60的长度为所述压电发电组件50长度的1/5至1/3。如果所述磁体60的长度大于所述压电发电组件50长度的1/3，则会导致所述压电发电组件50的振动幅度减小，进而影响压电信号；如果小于1/5，则会导致所述第一摩擦发电组件与第二摩擦发电组件的摩擦接触面，进而影响摩擦电信号。

其中，所述线圈61为平面线圈。所述线圈61可以为单相或同心式绕组环形线圈。且所述述线圈61为高匝数线圈，其中，匝数≥500，以保证足够的磁通量。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中磁电发电组件的工作过程为：所述磁体60随着第二悬臂梁的振动，产生变化的磁场，使穿过线圈61的磁感线不断变化，使得所述线圈61中产生交变电流。

在43Hz的振动频率下，对本发明悬臂梁式复合型纳米发电机的电信号的输出性能进行测试。通过使用Stanford Research System生产的SR570电流表和Keithely生产的6514静电计测量测试所述第一电极层31和第二电极层41间输出性能：如图2a所示，输出电流约为80μA；如图2b所示，输出电压约为25V。所述压电发电组件的输出性能：如图3a所示，输出电流大于3mA；如图3b所示，输出电压约为25V。通过使用Keithely生产的6514静电计分别测量磁电发电组件的电流和电压输出：如图4a所示，输出电流大于200μA：如图4b所示，输出电压约为0.7V。

本发明悬臂梁式复合型纳米发电机可将摩擦发电、压电效应以及磁电效应相耦合，用于收集自然环境中的振动能，通过一种机械运动同时产生了三种电信号，极大的提高了纳米发电机的输出性能和能量转化效率，同时减小了器件体积。

此外，本发明悬臂梁式复合型纳米发电机中的压电发电组件中的压电陶瓷晶片、磁电发电组件中的磁体和线圈部件均为常见部件，摩擦发电组件中的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层所用材料均为常规材料，价格低廉。本发明悬臂梁式复合型纳米发电机结构简单，生产成本较低，有利于在利用振动能转化为电能方面实际应用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (16)

1.一种悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述纳米发电机包括：

第一悬臂梁，能够弹性振动；所述第一悬臂梁包括第一摩擦发电组件；

第二悬臂梁，能够弹性振动，用于在静止时，与所述第一悬臂梁水平接触；所述第二悬臂梁包括第二摩擦发电组件，用于在振动过程中，与所述第一摩擦发电组件接触或者分离，且在接触和分离的过程中，所述第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件之间产生摩擦电势差；以及

压电发电组件(50)，设置于所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于在振动过程中，产生拉伸和/或压缩形变，所述压电发电组件中形成压电电势差；

所述纳米发电机还包括：

磁电发电组件，用于在振动过程中，产生磁电电势差；其中，所述磁电发电组件包括：

磁体(60)，设置于所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上，用于跟随所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁振动，并在振动过程中产生交变磁场；以及

线圈(61)，对应所述磁体(60)设置，用于相对切割交变磁场中的磁感线，所述线圈(61)中产生交变电流，形成磁电电势差，

其中，所述磁体(60)的长度为所述压电发电组件(50)长度的1/5至1/3。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述磁体(60)固定在所述第一悬臂梁和/或第二悬臂梁的首端。

3.根据权利要求1或2所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述线圈(61)为平面线圈。

4.根据权利要求3所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述线圈(61)为单相或同心式绕组环形线圈。

5.根据权利要求3所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述线圈(61)的匝数≥500。

6.根据权利要求1所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一悬臂梁还包括：

第一弹性支撑板(30)，用于带动所述第一摩擦发电组件往复振动。

7.根据权利要求6所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦发电组件包括：

第一电极层(31)，设置于所述第一弹性支撑板(30)的下表面；以及

第一摩擦层(32)，设置于所述第一电极层(31)的下表面。

8.根据权利要求7所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一悬臂梁还包括：

质量块(33)，设置于所述第一弹性支撑板(30)的上表面，用于使所述第一弹性支撑板(30)弹性振动。

9.根据权利要求8所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述质量块(33)设置于所述第一弹性支撑板(30)的首端。

10.根据权利要求9所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第二悬臂梁还包括：

第二弹性支撑板(40)，用于带动所述第二摩擦发电组件往复振动。

11.根据权利要求10所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电组件包括：

第二电极层(41)，设置于所述第二弹性支撑板(30)的上表面；以及

第二摩擦层(42)，设置与所述第二电极层(41)的上表面。

12.根据权利要求11所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(32)和所述第二摩擦层(42)的材料存在摩擦电极序差异。

13.根据权利要求12所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(32)和/或所述第二摩擦层(42)具有微纳米结构层。

14.根据权利要求1所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述纳米发电机还包括：

支架(20)，用于固定所述第一悬臂梁(30)与第二悬臂梁(40)的末端，使所述第一悬臂梁(30)与第二悬臂梁(40)垂直对应且悬空设置。

15.根据权利要求14所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一悬臂梁(30)与第二悬臂梁(40)的振幅为5至15mm。

16.根据权利要求1所述的悬臂梁式复合型纳米发电机，其特征在于，所述压电发电组件(50)为压电陶瓷晶片。