CN106602924A - 一种收集振动能量的摩擦纳米发电机和振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种收集振动能量的摩擦纳米发电机，包括：若干发电单元、振动发电膜和支撑部件，其中，所述支撑部件设置有空腔；所述振动发电膜设置在所述空腔的开口处，所述振动发电膜包括电极层，所述电极层与导电物或等电位电连接；所述若干发电单元设置在所述空腔中；在振动作用下所述振动发电膜发生振动，所述发电单元与所述振动发电膜发生碰撞，在所述电极层中感应产生电荷。这样的结构可以收集高低频率的振动能量，同时表现出优异的输出电性能，无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种可穿戴电子设备。

Description

一种收集振动能量的摩擦纳米发电机和振动传感器

技术领域

本发明涉及能量转化领域，特别涉及一种将机械振动能转化为电能的发电机和振动传感器。

背景技术

目前，随着化石能源枯竭，能源短缺问题日益严重，各种围绕新能源开发、可再生能源利用的研究正在开展，可持续绿色能源的寻求愈加迫切。与此同时，日常的电子小型电子设备的应用正在飞速发展，如可穿戴电子设备、智能制造、健康监测以及运动追踪等设备，以及特殊环境中的应用设备如水下运动的探测、通信、导航及其追踪等设备。

怎样解决目前能量系统的急需，减少功率设备、增加能量密度方面目前虽有些实质性的突破，但依然留下诸多问题，如电池寿命有限性及其更换的不便性等。

解决以上问题最具前景的一个技术就是直接从工作环境中采集能量，从而使电子设备可持续不断的工作。2006年以来，各种类型的纳米发电机不断被研制出来，摩擦发电机可直接采集周围环境中的各种机械能，如旋转、敲击、弯曲以及伸缩等；由于它的质量轻、体积小、效率高及其可选择材料范围广等优势，因此摩擦发电机正越来越受到人们重视和研究。

然而，摩擦发电机的输出特性是高电压和低电流的脉冲输出，输出功率仍有待于提高，为了驱动更大功率的可穿戴或可移动电子设备以及特殊环境的应用设备(水下运动的探测设备)，当前的解决方案是利用电源管理电路来提高其输出功率。但是，电源管理电路不仅因为自身功耗问题而需要摩擦发电机具有较高的阈值输出功率，而且会显著增加整个系统的体积和质量，不利于系统的集成、穿戴和特殊环境中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以收集高低频振动能量，同时表现出优异的输出电性能的纳米发电机。

为了实现上述目的，本发明提供一种收集振动能量的摩擦纳米发电机，包括：若干发电单元、振动发电膜和支撑部件，其中，

所述支撑部件设置有空腔；

所述振动发电膜设置在所述空腔的开口处，所述振动发电膜包括电极层，所述电极层与导电物或等电位电连接；

所述若干发电单元设置在所述空腔中；

在振动作用下所述振动发电膜发生振动，所述发电单元与所述振动发电膜发生碰撞，在所述电极层中感应产生电荷。

优选的，所述支撑部件的空腔为包括上下两个开口的通孔，两个所述振动发电膜分别设置在所述上下两个开口处。

优选的，两个所述振动发电膜的电极层互相电连接。

优选的，所述发电单元表面材料与所述振动发电膜内表面材料的电极序存在差异。

优选的，所述发电单元的表面材料为第一摩擦材料，所述第一摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。

优选的，所述振动发电膜为导电材料薄膜；

或者，所述振动发电膜为包括导电材料薄膜和弹性材料薄膜形成的层叠结构，所述导电材料薄膜为所述振动发电膜内表面；

或者，所述振动发电膜为包括第二摩擦材料层和导电电极层形成的层叠结构，所述第二摩擦材料层为所述振动发电膜内表面；所述第二摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。

优选的，所述发电单元的表面材料为导电材料；

所述振动发电膜为包括第三摩擦材料层和导电电极层形成的层叠结构，所述第三摩擦材料为所述振动发电膜内表面；所述第三摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。

优选的，所述发电单元的形状为颗粒状、球形或柱形。

优选的，所述发电单元的粒径范围在1μm-10mm。

优选的，所述支撑部件的空腔为柱形空腔，所述支撑部件的空腔的高度范围为0.1cm-100cm。

优选的，所述支撑部件的空腔的开口的尺寸为4mm至20cm。

优选的，在所述支撑部件的空腔中设置的发电单元数量为1个-10000个。

优选的，所述支撑部件包括多个所述空腔。

优选的，所述支撑部件采用绝缘材料。

优选的，所述支撑部件采用柔性材料。

优选的，所述振动发电膜密封设置在所述支撑部件的空腔开口处。

优选的，所述发电单元为聚合物颗粒，所述支撑部件为设置有所述空腔的亚克力板，所述振动发电膜为镀有铜薄膜的柔性薄膜。

相应的，本发明还提供一种振动传感器，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的技术方案是在振动作用下振动发电膜发生振动，若干发电单元与振动发电膜发生碰撞，在振动发电膜的电极层中感应产生电荷。这样的结构不仅可以收集高低频率的声波能，而且可以收集一切振动能量，同时表现出优异的输出电性能。该摩擦发电机可以直接给大功率的灯泡供电，在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后，直接收集超声波等振动能，无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种可穿戴电子设备，如电子手表、环境的温湿度仪、身体的健康监测仪等。

本发明的摩擦纳米发电机不仅可以承受较大的压力，将振动发电膜密封固定在支撑部件的开口处，还可以收集水下等特殊环境中的振动能量。

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和图2为实施例一中摩擦纳米发电机的典型结构示意图；

图3为实施例二中摩擦纳米发电机的典型结构示意图；

图4为实施例二中摩擦纳米发电机的发电原理示意图；

图5和图6为实施例三中摩擦纳米发电机的典型结构示意图；

图7为一个具体摩擦纳米发电机的输出性能测试结果。

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。

实施例一：

本实施例提供的收集振动能量的摩擦纳米发电机，其典型结构参见图1和图2，包括支撑部件1、振动发电膜3和若干发电单元4，其中，支撑部件1设置有空腔2；振动发电膜3设置在空腔2的开口处，振动发电膜3包括电极层，所述电极层与地电连接；若干发电单元4设置在空腔2中；在振动作用下振动发电膜3发生振动，发电单元4与振动发电膜3发生碰撞，在电极层中感应产生电荷，在所述电极层与地之间形成电流，可以为负载提供电源或者作为振动的传感信号。

在本实施例中，利用的是两种材料互相碰撞产生摩擦电以及静电感应的原理，优选的，发电单元4表面的材料与振动发电膜3内表面(即面向空腔2的表面)的材料的电极序存在差异。这两种材料可以从绝缘材料、导体材料或者半导体材料中选择。

发电单元4表面的材料可以为第一摩擦材料，第一摩擦材料可以为绝缘材料或者半导体材料，相应的，振动发电膜3可以为导电材料薄膜，可以为单层导电材料，例如铜膜，也可以为多层导电材料，这里不做限定。当然，振动发电膜还可以为包括导电材料薄膜和弹性材料薄膜形成的层叠结构，所述导电材料薄膜为所述振动发电膜内表面；

发电单元4表面的材料可以为第一摩擦材料时，如图2，振动发电膜3还可以为包括第二摩擦材料层31和导电电极层32形成的层叠结构，第二摩擦材料层31为振动发电膜3的内表面。

第二摩擦材料层31的材料可以为绝缘体或者半导体材料，只要与第一摩擦材料为不同的材料即可。

绝缘体材料可以为聚合物高分子材料，可以选择的聚合物高分子材料有很多，可以从下列材料中任意选择：胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、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、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、聚四氟乙烯和派瑞林。

半导体材料可以为无机半导体或者有机半导体材料，可以为下列材料中的一种或几种：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、非晶态的玻璃半导体、有机半导体，以及非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物半导体。

振动发电膜3的电极层的材料可以为金属或铟锡氧化物ITO、FTO或导电高分子材料。

在图2中，振动发电膜3的电极层32电连接至等电位地，在其他实施例中也可以与导电物或其他等电位电连接，在振动作用下振动发电膜3发生振动，发电单元4与振动发电膜3发生碰撞，由于静电感应作用，在所述电极层与导电物或其他等电位之间形成电流。

本实施例中，发电单元4的表面材料也可以为导电材料，参见图2，振动发电膜3可以为包括第三摩擦材料层和导电电极层形成的层叠结构，第三摩擦材料为所述振动发电膜内表面。

本实施例中，振动发电膜3可以为镀有铜或者其他导电薄膜的柔性透明或者不透明电极(薄膜的衬底为PET和PTFE等柔性材料)。发电单元4的为PTFE(Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)聚合物颗粒。

第三摩擦材料层的材料选择可以参考第一摩擦材料层或者第二摩擦材料层的材料选择，这里不在赘述。

为了提高发电效率，可以在振动发电膜3的内表面的部分或者全部表面分布有微米或次微米量级的微结构。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，只要不影响振动发电膜3的机械强度，具体微结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。

同样，在若干发电单元4的外表面也可以分布有上述的微米或次微米量级的微结构，进一步提高发电效率。

发电单元4的形状不做特别限定，可以为颗粒状、球形或柱形等形状。发电单元4可以为空心结构或者实心结构，可以为单一材料也可以为外层包覆第一摩擦材料的核壳结构。

发电单元4的粒径范围可以在1μm-10mm，所有发电单元4的粒径、形状、表面材料可以均相同，也可以不同。

在支撑部件1的空腔2中设置的发电单元的数量没有特别限定，可以根据器件尺寸适当选择，发电单元4的数量可以为1个-10000个。

支撑部件1的材料有选为绝缘材料，可以为柔性材料，也可以为刚性材料。例如可以选择亚克力板作为支撑部件1。

支撑部件1的空腔2的开口方向可以根据发电机的应用环境设置，优选朝下。支撑部件1的空腔2的开口的尺寸可以为4mm-20cm。这里开口的尺寸指圆形的直径、正方形的边长、长方形的边长或者多边形的边长。

支撑部件1的空腔2可以为任意形状，优选为柱形空腔，空腔的高度范围不做特别限定，只要保证若干发电单元4在空腔中可以往复振动即可，可以根据发电机的实际使用环境设定，可以为0.1cm-100cm。

本实施例的摩擦纳米发电机，可以收集高低频率的振动能转变为电能，包括机械振动、声波振动、气体振动和液体振动等振动能量,大大提高了发电机能量转换效率,发电机的输出电流和输出功率均得到很大的提高。

实施例二：

本实施例提供的收集振动能量的摩擦纳米发电机，其典型结构参见图3，包括支撑部件1、两个振动发电膜3和5，以及若干发电单元4，其中，支撑部件1设置有空腔2，空腔2为包括上下两个开口的通孔；振动发电膜3和5分别设置在所述上下两个开口处，振动发电膜3和5均包括电极层，两个振动发电膜3和5的电极层互相电连接；若干发电单元4设置在空腔2中；在振动作用下振动发电膜3和/或5发生振动，发电单元4与振动发电膜3和/或5发生碰撞，在静电感应作用下，在所述两个电极层之间形成电流，可以为负载提供电源，或者作为振动的传感信号。

本实施例中，除了两个振动发电膜3和5的电极层电连接外，也可以参照实施例一中的情况，振动发电膜3和5的电极层3各自单独与导电物或者等电位电连接。

本实施例中支撑部件1、两个振动发电膜3和5、若干发电单元4的材料选择、尺寸、结构等均可以与实施例一种相同，在这里不再赘述。

本实施例与实施例一的区别在于，支撑部件1的空腔2为包括上下两个开口的通孔，在上下两个开口处分别设置振动发电膜3和5，设置在空腔中的发电单元4可以与振动发电膜3和5碰撞。本实施例中的一个振动发电膜可以认为是实施例一中的导电物，将两个振动发电膜的电极层电连接就是振动发电膜的电极层与导电物电连接。

两种具有不同电极序的材料互相接触时，可以在两种材料的表面分别形成极性相反的表面电荷，两种材料互相分离时，表面电荷将被保留。本发明所述的摩擦纳米发电机即是基于此设计的，以两个振动发电膜采用单层的导电膜作为上下电极、发电单元4为PTFE颗粒、支撑部件采用带有通孔的亚克力板为例，说明本实施方式所述的摩擦纳米发电机的工作原理。

参照图4中(a)至(d)图,初始时两个振动发电膜3和5(上电极和下电极)之间无电流，在超声振动作用下下电极(振动发电膜3)发生振动，发电单元4表面上产生大量摩擦静电荷(负电荷)；下电极与若干发电单元4相互碰撞摩擦，产生等量的正电荷。由于上下两个电极之间用导线连接，当表面带电的发电单元接近远离下电极时，由于静电感应，电子从上电极向下电极流动，形成电流。发电单元与上电极接近时，上电极带有正电荷，达到平衡时上下电极之间无电流。发电单元与上电极碰撞后向下电极靠近时，形成反向电流。由于振动发电膜(上下电极)可以在声波下振动，发电单元可以在两个振动发电膜之间形成往复振动，导致电荷在上下两个电极间通过不断往复流动，从而对负载供电。由于发电单元数量大，因此可以在上下电极之间形成较大的电流。

实施例一中的摩擦纳米发电机的发电原理与图4中的相同，在这里不再复述。可以将每个振动发电膜分别与负载相连，负载可以与等电位(例如地电位)或者导电体相连，为负载提供电能。

实施例三：

本实施例的收集振动能量的摩擦纳米发电机的典型结构参见图5和图6，包括支撑部件1、振动发电膜3和若干发电单元4。与实施例一和二的区别仅在于支撑部件1包括多个空腔2。

图6为发电单元4在支撑部件1的空腔中的典型结构三维示意图。

多个空腔2可以阵列式分布在支撑部件中，优选多个空腔为柱状通孔，特别是圆柱状通孔，每个空腔的高度范围为可以为0.1cm-100cm。每个空腔的直径在4mm-20cm。

通常摩擦纳米发电机的电压较高电流较低，本实施例这种结构将实施例一和二中的多个发电机进行了并联，可以有效提高摩擦纳米发电机的输出电流和输出功率。

以一个具体发电机为例，说明本实施例的摩擦纳米发电机的发电效果。

首先将一定厚度1.27cm的亚克力板切割成长宽均为5cm的尺寸，并在亚克力板上切割出3行3列共9个孔，将镀有铜薄膜的柔性PTE薄膜作为振动发电膜，分别放在亚克力板的上下两端，然后在形成的每个空腔中放置10个直径2.38mm的PTFE小球。将振动发电膜固定在亚克力板的两侧，铜电极层朝亚克力板，并将两个铜电极层连接。该发电机在不同的频率和功率下的输出优异：测试结果见图7中(a)和(b)图，在输入功率分别为2.45W/cm²、1.38W/cm²和0.27W/cm²时，其输出的电压分别为：24V、80V和150V，输出的电流分别为：0.001A、0.003A和0.01A。当每个空腔中放置12个PTFE小球时,在同频率不同功率下的输出功率参数如图7中(c)图(频率为80kHz)和(d)图(频率为100kHz)所示，其中最大的输出功率均可达0.5W/cm²。

上述测试结果表明发电机可以直接给大功率的灯泡供电，在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后，直接收集超声波等振动能，无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种可穿戴电子设备，如电子手表、环境的温湿度仪、身体的健康监测仪等。本发明的上述实施例中，可以将振动发电膜3密封设置在支撑部件1的空腔开口处，将若干发电单元4密封在支撑部件的空腔中。

封装的时候,先用与柔性振动发电膜的材料相匹配的具有柔性的可拉伸的薄膜固定振动发电膜，然后用防水胶将振动发电膜固定在支撑部件的开口处。这样进行封装能保证微弱的振动能量收集，特别是在介质中能量衰减较快的情况下振动能量的收集。封装后发电单元4被密封在支撑部件1的空腔中，振动发电膜3类似鼓膜一样，可以在振动能作用下发生振动。

目前水下能源收集非常非常难，并且由于水中介质常数大于空气，所以能源传播的损耗很大，收集水下振动能非常困难。本发明经过密封的摩擦纳米发电机可以实现水下声波能源的收集。此外，还可以实现真空环境等特殊环境中的应用，收集超声等振动能量。

实施例四：

本实施例提供一种振动传感器，采用上述实施例一至三中的摩擦纳米发电机，振动能量使摩擦纳米发电机产生电信号，通过采集、记录和分析该电信号，可以对振动的位置、频率、强度、持续时间等信息进行传感，特别是水下振动的传感。

本发明的摩擦纳米发电机可以实现承受水压，并且同时实现不同强度不同频率介质中的声波震动能量的收集。应用该摩擦纳米发电机的振动传感器，不需要其他电源，能无源探测声波的位置、频率、强度、持续时间等信息。

本实施例的振动传感器经过密封后可以应用在水下、真空等特殊环境中。

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。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

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 (18)

1.一种收集振动能量的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：若干发电单元、振动发电膜和支撑部件，其中，

所述支撑部件设置有空腔；

所述振动发电膜设置在所述空腔的开口处，所述振动发电膜包括电极层，所述电极层与导电物或等电位电连接；

所述若干发电单元设置在所述空腔中；

在振动作用下所述振动发电膜发生振动，所述发电单元与所述振动发电膜发生碰撞，在所述电极层中感应产生电荷。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑部件的空腔为包括上下两个开口的通孔，两个所述振动发电膜分别设置在所述上下两个开口处。

3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，两个所述振动发电膜的电极层互相电连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元表面材料与所述振动发电膜内表面材料的电极序存在差异。

5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元的表面材料为第一摩擦材料，所述第一摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。

6.根据权利要求5所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述振动发电膜为导电材料薄膜；

或者，所述振动发电膜为包括导电材料薄膜和弹性材料薄膜形成的层叠结构，所述导电材料薄膜为所述振动发电膜内表面；

或者，所述振动发电膜为包括第二摩擦材料层和导电电极层形成的层叠结构，所述第二摩擦材料层为所述振动发电膜内表面；所述第二摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。

7.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元的表面材料为导电材料；

所述振动发电膜为包括第三摩擦材料层和导电电极层形成的层叠结构，所述第三摩擦材料为所述振动发电膜内表面；所述第三摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。

8.根据权利要求1-7任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元的形状为颗粒状、球形或柱形。

9.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元的粒径范围在1μm-10mm。

10.根据权利要求8或9所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑部件的空腔为柱形空腔，所述支撑部件的空腔的高度范围为0.1cm-100cm。

11.根据权利要求1-10任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑部件的空腔的开口的尺寸为4mm至20cm。

12.根据权利要求1-11任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，在所述支撑部件的空腔中设置的发电单元数量为1个-10000个。

13.根据权利要求1-12任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑部件包括多个所述空腔。

14.根据权利要求1-12任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑部件采用绝缘材料。

15.根据权利要求1-14任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑部件采用柔性材料。

16.根据权利要求1-15任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述振动发电膜密封设置在所述支撑部件的空腔开口处。

17.根据权利要求1-16任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元为聚合物颗粒，所述支撑部件为设置有所述空腔的亚克力板，所述振动发电膜为镀有铜薄膜的柔性薄膜。

18.一种振动传感器，其特征在于，包括权利要求1-17任一项所述的摩擦纳米发电机。