CN106253747B - 一种集成式柔性发电薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成式柔性发电薄膜,包括有上薄膜外层、下薄膜外层以及之间设有夹心层,夹心层由沉积于所述下薄膜外层上的下电极,沉积于所述下电极上的中夹心层,以及沉积于所述中夹心层上的上电极组成,夹心层的一侧设有一层柔性电路板和一层片状柔性电容,柔性电路板和柔性电容与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接并夹在上薄膜外层与下薄膜外层中间位置,夹心层上下表面的上电极与下电极通过导线与柔性电路板的输入端相连,柔性电路板的输出端通过导线与柔性电容相接。本发明改善了硬性压电能量收集装置的缺陷,利用柔性电路板和柔性电容改进了现有柔性压电能量收集装置的不足,提高了柔性压电能量收集装置集成度和能量收集的效率。

Description

一种集成式柔性发电薄膜
技术领域:
本发明涉及发电电源以及能量回收领域,尤其涉及振动能量回收以及柔性发电电源,主要涉及一种集成式柔性发电薄膜。
背景技术:
随着无线技术及微机电技术的日益发展,小尺寸、低能耗的微电子设备的研发取得了巨大进展,以半导体为主要材料的芯片实现了微型化和低功耗,而以化学电池为主的供能方式由于化学电池尺寸大、寿命有限和需要更换等缺点的弊端日渐显露。化学电池为主的供能方式在一些微电子产品中的应用受到了限制,这些产品跟换电池会产生很大的成本,在一些应用情况下甚至无法跟换电池,这种缺陷将表现得更加明显。尽管可以运用微机电系统工艺研制了相应的微能源器件,比如微太阳能电池、微锂电池及燃料电池等,但受天气、应用场合以及自身的能量密度较低等情况所限,并不能解决能量自供给的难题。
另一方面,振动作为自然界常见的现象,由于其几乎无处不在且具有较高的能量密度,通过收集振动产生的能量并转换为可用电能可以实现小尺寸、低能耗的微电子设备和以半导体为主要材料的微型芯片的自供电。通过具有压电效应的材料可以将振动产生的能量转换为电能,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。
传统的压电能量收集装置都是硬性压电能量收集装置,其收集振动能量的压电材料采用压电陶瓷材料,压电陶瓷材料脆性大,在使用过程中不能承受较大的应变且易碎,限制了压电能量收集装置的工作效率,降低了压电能量收集装置输出的电能密度,如专利一种自发电手电筒(申请号:2014203225939)利用压电能量收集装置收集手的揉捏激励压电材料振动和变形产生的电能。这种压电能量收集装置结构简单,但压电能量收集装置中的压电材料采用压电陶瓷材料,属于硬性压电能量收集装置,能量收集的效率较低,产生的电能有限。传统的硬性压电能量收集装置只适合收集单方向、频率稳定的外界激励产生的振动能量。当外界激励的频率发生较大范围的变化或外界激励的方向发生变化时,传统的硬性压电能量收集装置的工作效率下降明显,甚至无法输出可用电能。近年来,我国己有人员改进硬性压电能量收集装置结构,出现了如专利蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置(申请号:201010601354.3)为代表的宽频带压电能量收集结构以及多方向压电能量收集装置。但目前硬性压电能量收集装置普遍缺陷是压电材料不能承受较大的应变,能量收集效率和输出电能密度较低。
现有的柔性压电能量收集装置的专利中,能量处理电路采用硬性PCB板材料制作,这种硬性PCB板材料由于自身脆性较大不能集成于柔性压电能量收集装置中,使能量收集装置的集成性下降,造成能量收集装置难以微型化与实用化,如专利一种柔性发电电源及其柔性显示屏(申请号 201410234428.2),该专利中能量收集装置使用的材料都是柔性材料,属于柔性压电能量收集装置。该柔性能量收集装置没有集成能量处理电路,而是通过在柔性基板上外置充电电池,存储工作过程中压电材料产生的电能,降低了能量收集的效率,外置充电电池无法集成在柔性压电能量收集装置内部,降低了该柔性压电能量收集装置的集成度,不利于该柔性压电能量收集装置的微型化。
发明内容:
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种集成式柔性发电薄膜,该柔性压电能量收集装置具有可卷曲、轻薄、可贴合运动物体等优点从而更有效地收集能源。改进现有柔性压电能量收集装置的不足,将能量处理电路板由传统硬质PCB板更换为柔性电路板,并增加柔性电容作为储能元件,使压电能量收集装置更易集成化与微型化,适合与新型的柔性电子器件相集成,并为其提供能源。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种集成式柔性发电薄膜,其特征在于:包括有上薄膜外层、下薄膜外层,所述上薄膜外层、下薄膜外层之间设有夹心层,所述夹心层为三层结构,由沉积于所述下薄膜外层上的下电极,沉积于所述下电极上的中夹心层,以及沉积于所述中夹心层上的上电极组成,所述夹心层的一侧设有一层柔性电路板和一层片状柔性电容,所述柔性电路板和柔性电容与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接并夹在上薄膜外层与下薄膜外层中间位置,所述夹心层上下表面的上电极与下电极通过导线与柔性电路板的输入端相连,所述柔性电路板的输出端通过导线与柔性电容相接。
所述的上薄膜外层和下薄膜外层采用柔性材料,所述柔性材料为高分子有机塑料或高分子有机硅化物。
所述的中夹心层采用柔性压电材料为聚偏氟乙烯。
所述夹心层中的上电极由镁、铝和银中的一种材料组成;所述夹心层中的下电极由铅、银、铝和铜中的一种材料组成。
所述柔性电路板采用柔性高分子材料。
所述柔性电容采用柔性材料。
所述夹心层与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接;所述夹心层处于上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述薄膜外层完全包含夹心层或夹心层伸出薄膜外层。
所述柔性电路板与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接;所述柔性电路板处上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述薄膜外层完全包含柔性电路板或柔性电路板伸出薄膜外层。
所述柔性电容与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接;所述柔性电容处于上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述薄膜外层完全包含柔性电或柔性电容伸出薄膜外层。
所述夹心层、柔性电路板和柔性电容夹在上薄膜外层与下薄膜外层中间位置,所述夹心层、柔性电路板和柔性电容处于上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述夹心层上表面、柔性电路板上表面和柔性电容上表面处于同一平面或处于不同平面。
本发明的优点是:
1.本发明属于柔性压电能量收集装置,易与新型的柔性电子器件相集成,并为其提供能源。
2.本发明通过采用柔性压电能量收集装置设计改善了硬性压电能量收集装置的缺陷,利用柔性电路板和柔性电容改进了现有柔性压电能量收集装置的不足,提高了柔性压电能量收集装置集成度和能量收集的效率。
3.该发明全部采用柔性材料制作,压电能量收集装置具有可卷曲、轻薄、便于贴合运动物体。
4.该发明采用柔性电路板并将其埋入柔性压电能量收集装置中,提高了柔性压电能量收集系统的可靠性和集成性。
5.该发明设计结构紧凑,节省空间,同时结构简单,可以广泛应用于机械结构,建筑结构等的振动能量收集。
附图说明:
图 1 为本发明集成式柔性发电薄膜其中一种结构的主剖视图。
图2为本发明集成式柔性发电薄膜其中一种结构的俯视图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中 :
1为上薄膜外层,2为上电极,3为柔性电路板,4为中夹心层,5为下电极,6位柔性电容,7为下薄膜外层
具体实施方式:
参见附图。
为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。 应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
图 1 是按照本发明集成式柔性发电薄膜的其中一种结构的主剖视图。如图 1 中所示,按照本发明集成式柔性发电薄膜主要包括上薄膜外层1;上电极2;柔性电路板3;中夹心层4;下电极5;柔性电容6和下薄膜外层7。所述上薄膜外层1和下薄膜外层7为柔性薄膜(其材质可直接取PDMS即聚二甲基硅氧烷);所述上电极2由镁、铝和银中的一种材料组成,所述下电极5由铅、银、铝和铜中的一种材料组成;所述中夹心层4采用柔性压电材料,柔性压电材料可取聚偏氟乙烯;所述柔性电路板3材料采用铜箔;粘接剂和柔性绝缘基材;所述柔性电容6材料选用柔性材料。
所述夹心层、柔性电路板3和柔性电容6夹在上薄膜外层1与下薄膜外层2的中间位置,呈三明治结构。所述夹心层与上薄膜外1和下薄膜外层2之间弹性粘接,所述上薄膜外层1与下薄膜外层2完全包含夹心层。所述柔性电路板3与上薄膜外层1和下薄膜外层2之间弹性粘接,所述上薄膜外层1与下薄膜外层2完全包含柔性电路板3。所述柔性电容6与上薄膜外层1和下薄膜外层2之间弹性粘接,所述上薄膜外层1与下薄膜外层2完全包含柔性电容6。所述夹心层上表面;柔性电路板3上表面和柔性电容6上表面处于同一平面内。当使用该集成式柔性发电薄膜时,所述上薄膜外层1与下薄膜外层2直接感受外界振动,将振动中包含的能量传递到所述夹心层。所述夹心层中的柔性压电材料,用于将收集的振动能量转换为电能,产生表面电荷。所述夹心层表面上电极2与下电极5通过导线将压电材料表面电荷输入到柔性电路板中处理并转换成可用电能。所述柔性电路板的输出端通过导线与柔性电容相接,将转换的电能存储在柔性电容中。
下面将具体描述按照本发明用于制造集成式柔性发电薄膜装置的工艺流程。
首先,将选自柔性高分子材料的薄膜块切割成所需尺寸以及形状结构,形成上下柔性薄膜。接着,将柔性压电材料PVDF切割成所需尺寸的片状结构并通过磁控溅射、热蒸镀或者其他方法沉积形成上下电极,然后通过粘接银胶等方法将适长的柔性导线粘贴在上下电极处并做引线处理。高温烘干后根据所设计的能量处理电路制作柔性电路板和柔性电容,将引出的导线接入柔性电路板输入端,柔性电路板的输出端通过导线与柔性电容相接。最后,上下薄膜外层;夹心层;柔性电路板和柔性电容组装处理。将夹心层;柔性电路板和柔性电容外侧边缘相接,由此完成了集成式柔性发电薄膜装置的制造过程。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成式柔性发电薄膜,其特征在于:包括有上薄膜外层、下薄膜外层,所述上薄膜外层、下薄膜外层之间设有夹心层,所述夹心层为三层结构,由沉积于所述下薄膜外层上的下电极,沉积于所述下电极上的中夹心层,以及沉积于所述中夹心层上的上电极组成,所述夹心层的一侧设有一层柔性电路板和一层片状柔性电容,所述柔性电路板和柔性电容与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接并夹在上薄膜外层与下薄膜外层中间位置,所述夹心层上下表面的上电极与下电极通过导线与柔性电路板的输入端相连,所述柔性电路板的输出端通过导线与柔性电容相接。
2.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述的上薄膜外层和下薄膜外层采用柔性材料,所述柔性材料为高分子有机塑料或高分子有机硅化物。
3.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述的中夹心层采用柔性压电材料为聚偏氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述夹心层中的上电极由镁、铝和银中的一种材料组成;所述夹心层中的下电极由铅、银、铝和铜中的一种材料组成。
5.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述柔性电路板采用柔性高分子材料。
6.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述柔性电容采用柔性材料。
7.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述夹心层与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接;所述夹心层处于上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述薄膜外层完全包含夹心层或夹心层伸出薄膜外层。
8.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述柔性电路板与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接;所述柔性电路板处上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述薄膜外层完全包含柔性电路板或柔性电路板伸出薄膜外层。
9.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述柔性电容与上薄膜外层和下薄膜外层弹性粘接;所述柔性电容处于上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述薄膜外层完全包含柔性电或柔性电容伸出薄膜外层。
10.根据权利要求1所述的集成式柔性发电薄膜,其特征在于:所述夹心层、柔性电路板和柔性电容夹在上薄膜外层与下薄膜外层中间位置,所述夹心层、柔性电路板和柔性电容处于上薄膜外层和下薄膜外层中间,所述夹心层上表面、柔性电路板上表面和柔性电容上表面处于同一平面或处于不同平面。
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