CN108880318B - 一种人体心脏搏动的滑动式静电俘能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种人体心脏搏动的滑动式静电俘能装置，该俘能装置应用于人体心脏搏动能量的采集，包括两个俘能部件和依附部件，俘能部件包括内层基材、外层基材，以及设置在基材表面的介电材料层；内外层基材表面的介电材料层相互接触，且极性相反；心脏搏动的动态信号通过依附部件传至俘能部件，使得内外层基材表面的介电材料层之间发生摩擦，分别产生正负电荷，形成电势能，输入至置入式电子设备。本发明具有使用寿命长、易与其他加工工艺集成、高能量转化率的优势。

Description

一种人体心脏搏动的滑动式静电俘能装置
技术领域
本发明涉及滑动式摩擦发电俘能装置，尤其涉及一种人体心脏搏动的滑动式摩擦发电俘能装置。
背景技术
当今，人体置入式电子设备在医疗领域有着广泛应用，其能耗问题备受关注，一般情况下，人体置入式电子设备的电池能源在5到7年即会耗尽，进行更换电池的手术不仅麻烦，而且价格昂贵，而心脏搏动能量的采集可能是解决这一问题的理想方法。目前对心脏能量采集方面的研究思路主要分为采集心脏搏动的能量以及采集心腔压差的能量，使用的能量传感器主要分为电磁、静电、压电，但限于材料和工艺水平、能量转换效率、生物相容性等问题，将心脏能量采集技术投入实际应用仍需进一步的研究。常用的心脏俘能技术有压电式能量采集器、压片式发电机等等。如采用压电式能量采集器，其心率使用范围较窄；如采用压片式发电机，其能量转化效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于心脏俘能的摩擦发电俘能装置，能采集心脏搏动能量并为人体置入式电子设备提供电能，该装置具有微型化、易加工、较高的能量转化率等优点，且具有较好的生物兼容性。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种人体心脏搏动的滑动式静电俘能装置，该俘能装置采集心脏搏动能量，并将给能量转换为电能，用于人体置入式电子设备的供电，包括两个俘能部件和依附部件，俘能部件包括内层基材、外层基材，以及设置在基材表面的介电材料层；内外层基材表面的介电材料层相互接触，且极性相反；依附部件包括内外两层可调节围度的绑带，内层绑带将两个内层基材串联形成环形结构，外层绑带将两个外层基材串联形成环形结构；心脏搏动的动态信号通过绑带传至俘能部件，使得内外层基材表面的介电材料层之间发生摩擦，分别产生正负电荷，形成电势能。
进一步地，介电材料层和基材之间具有电极层，俘能部件通过电极层实现电能输出。
进一步地，所述俘能部件还包括限位套，内层基材和外层基材位于限位套内，用于限制两个基材的相对运动沿心脏圆周方向，且保证两层介电材料层相互接触。
进一步地，所述限位套为一开有中心通孔的长方体形套件。
进一步地，内外两层绑带都分为弹性部分和非弹性部分，且内层绑带和外层绑带的弹性部分不在俘能部件的同侧。
进一步地，心脏收缩时，两个介电材料层之间的内表面完全接触，由于两种介电材料极性相反，两个介电材料层表面分别形成极性相反的电荷；心脏扩张时，外层基材和内层基材拉动弹性带发生相对滑动的过程中，产生电势差。
本发明的有益效果是：本发明将摩擦发电单元通过电线串联起来，内置于封装材料，包覆于心脏外表面，可以根据其力电转换特性，能够将心脏搏动的机械能转化为电能，为置入式电子设备供电。相较于现有的心脏俘能装置，本发明具有使用寿命长、易与其他加工工艺集成、高能量转化率的优势。
附图说明
图1是该心脏俘能装置整体的结构图。
图2是该心脏俘能装置介电材料在基板上的分布示意图。
图3是图1所示心脏俘能装置的横向剖面图。
图4是图1所示心脏俘能装置的纵向剖面图。
图5是该心脏俘能装置在心脏扩张时的状态示意图。
图6是该心脏俘能装置在心脏收缩时的状态示意图。
图中标号：1-1外层基材；1-2内层基材；2-1第一介电材料；2-2第二介电材料；3-1第一电极；3-2第二电极；4限位套材；5-1外侧弹性带；5-2内侧弹性带；6-1外侧非弹性带；6-2内侧非弹性带。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
如图1所示，该静电俘能装置包括两个俘能部件，分别布置在心脏两侧，俘能部件包括包括内层基材、外层基材，以及设置在基材表面的介电材料层；内外层基材表面的介电材料层相互接触，且极性相反；介电材料层和基材之间具有电极层，电极层与人体置入式电子设备的电池模块相连。图中，基材层表面的介电材料层以矩阵式布置，如图2、3、4所示，包括外层基材1-1、内层基材1-2和限位套材4，外层基材1-1的下表面呈矩阵排列分布有一系列大小相同的第一介电材料层2-1，内层基材1-2的上表面的对应位置分布有同样大小的第二介电材料层2-2，第一介电材料层2-1和第二介电材料层2-2极性相反，介电材料层2与基材1间均设有电极层3-1、3-2。限位套材4包覆于基材1外表面，使两种介电材料层2-1、2-2内表面恰好接触。作为本领域的公知常识，限位套材4内表面应当尽量光滑，外层基材1-1和内层基材1-2滑动时受限位套材4摩擦力影响较小。
两个俘能部件由内外两层绑带连接。内层绑带将两个内层基材串联形成环形结构，外层绑带将两个外层基材串联形成环形结构；内外两层绑带都分为弹性部分5和非弹性部分6，外层绑带与外层基材1-1连接，内层绑带与内层基材1-2连接，若外层绑带的弹性部分5-1与两个俘能部件的外层基材1-1的左端连接，则外层绑带的非弹性6-1部分与两个俘能部件的外层基材1-1右端连接，内层绑带的弹性部分5-2与两个俘能部件的内层基材1-2右端连接，内层绑带的非弹性部分6-2与两个俘能部件的内层基材1-2左端连接。
心脏收缩时，上基板1-1和下基板1-2的内表面第一介电材料2-1和第二介电材料2-2完全接触，在接触的过程中两种介电材料2-1、2-2产生极性相反的摩擦电荷，如图6所示。心脏扩张时，外层基材1-1和内层基材1-2拉动弹性带5-1、5-2并发生相对滑动，介电材料2-1、2-2之间形成感应电势差，为平衡感应电势差，电极层3-1、3-2通过外电路发生电荷转移，形成电势差，如图5所示，该电势差用于输入至人体置入式电子设备。
其中，对于单个滑动式摩擦发电单元，两种介电材料2-1、2-2的厚度分别为d1和d2，两者的相对介电常数分别为εr1和εr2。x(t)代表涂有两种介电材料的电极板之间的相对位移。当摩擦式发电装置工作时，x(t)从0到最大变化。当两个涂有介电材料的电极板无相对位移(即x(t)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两电极板产生相对位移时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，电压可表示为：
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，l为电极板上涂有介电材料的长度，w为电极板上涂有介电材料的宽度，ε0为真空介电常数。
其中电荷Q的表达式为
该微分方程为一阶线性齐次微分方程，可得到电荷Q的通解表达式Q(t)，代入(1)式，即可得到
V(t)即为单个滑动式摩擦发电单元的输出电压。

Claims (4)

1.一种人体心脏搏动的滑动式静电俘能装置，该俘能装置采集心脏搏动能量，其特征是，包括两个俘能部件和依附部件，俘能部件包括内层基材、外层基材，以及设置在基材表面的介电材料层；内外层基材表面的介电材料层相互接触，且极性相反；依附部件包括内外两层可调节围度的绑带，内层绑带将两个内层基材串联形成环形结构，外层绑带将两个外层基材串联形成环形结构；心脏搏动的动态信号通过绑带传至俘能部件，使得内外层基材表面的介电材料层之间发生摩擦，分别产生正负电荷，形成电势能；内外两层绑带都分为弹性部分和非弹性部分，且内层绑带和外层绑带的弹性部分不在俘能部件的同侧；心脏收缩时，两个介电材料层之间的内表面完全接触，由于两种介电材料极性相反，两个介电材料层表面分别形成极性相反的电荷；心脏扩张时，外层基材和内层基材拉动弹性带发生相对滑动的过程中，产生电势差。
2.根据权利要求1所述的电俘能装置，其特征是，介电材料层和基材之间具有电极层，俘能部件通过电极层实现电能输出。
3.根据权利要求1所述的电俘能装置，其特征是，所述俘能部件还包括限位套，内层基材和外层基材位于限位套内，用于限制两个基材的相对运动沿心脏圆周方向，且保证两层介电材料层相互接触。
4.根据权利要求3所述的电俘能装置，其特征是，所述限位套为一开有中心通孔的长方体形套件。
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