CN109818520A - 腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统 - Google Patents

Abstract

一种腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统，腔式多层膜驻极体发电机结构，包括：弹性矩形腔体，外部为一长方体结构，内部形成一空腔；压力承接板，位于该弹性矩形腔体上表面；以及驻极体多层膜结构，位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层及静电绝缘外封层，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。该发电机结构兼具良好的环境适应性和较高的单次能量收集效率。该发电机结构的电学输出经过整流模块和降压模块处理后进行供能，具有高稳定性和安全性。

Description

腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统

技术领域

本公开属于新能源技术领域，涉及一种腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统。

背景技术

在锂电池供电成为便携移动电器主流供能方式的今天，传统电池对充电环境的依赖无疑成为一大限制，此外，废弃的电池也会给环境带来危害。人体运动可以产生大量能量，人类的许多运动，比如行走、跳舞、穿衣等方式都与转化能量联系在了一起，一般人在通常情况下的连续功率是70W左右，训练有素的运动员、武警、公安、军人、保镖等的瞬时突发功率最高可达3kW。在比较剧烈的运动中，例如打篮球时，人消耗的功率约为700W。在更加剧烈的运动情况下，例如在百米赛跑中，一个优秀运动员消耗的功率可达到千瓦(kW)级别。如果可以把这些多余的能量收集起来给电子设备供电，是一个具有巨大发展前景的课题。正因为如此，设计一个利用人体运动产生的剩余能量给电子设备供电，无疑具有很大研究价值和运用前景。

驻极体是一种用途广泛的储电功能电介质，随着科学技术的发展，已经逐渐显示出它作为一种重要用途电子材料的潜力，在环境净化、能源、电子工程以及生物医药上都有重要的应用。随着有机化学的进步，更多性能优异的有机高分子材料被科学家合成出来，这其中有很多材料都具有优异的驻极体性质。例如，聚四氟乙烯(PTFE)是一种性能良好的驻极体材料。

近年来有很多科学家试图利用电荷感应效应来制作微型驻极体发电机。目前的驻极体发电机结构普遍存在着功率低，体电荷衰减严重，工作环境要求高等问题。

另外，尽管有的微型驻极体发电机具有较好的环境适应性，但是还存在能量收集效率较低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种腔式多层膜驻极体发电机结构，包括：弹性矩形腔体101，外部为一长方体结构，内部形成一空腔；压力承接板107，位于该弹性矩形腔体上表面；以及驻极体多层膜结构，位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层105；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层104及静电绝缘外封层103，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。

在本公开的一些实施例中，驻极体多层膜结构通过媒介层102贴附于弹性矩形腔体101的内部底面之上；其中，该媒介层的材料为具有低玻璃化转变温度的高分子材料，包括如下材料的一种或几种：乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、聚酯、环氧、聚氨酯、聚丁二烯酸、有机硅、聚酯亚胺及聚酰亚胺；和/或，该媒介层的厚度介于0.01μm～100μm之间；和/或，该媒介层与弹性矩形腔体的底面面积相同。

在本公开的一些实施例中，弹性矩形腔体的材料为具有弹性的绝缘材料，包括如下材料的一种或几种：硅橡胶、天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶以及聚硫橡胶；和/或，弹性矩形腔体的形状为双端封闭、单端封闭或两端开口的长方体结构，空腔内部尺寸介于5mm×5mm×0.5mm～1000mm×1000mm×100mm之间；所述弹性矩形腔体的上下层厚度介于0.05mm～10mm之间；其左右侧面厚度介于0.5mm～100mm之间；在单端封闭或双端封闭的情形下，封闭端面的厚度介于0.5mm～100mm之间；和/或，矩形腔内部表面为光滑表面。

在本公开的一些实施例中，压力承接板的材料包括如下柔性绝缘材料的一种或几种：硅橡胶、天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶以及聚硫橡胶；和/或，压力承接板的厚度介于0.05mm～10mm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间；和/或，压力承接板单独制作，或者与弹性矩形腔体一体化加工；和/或，压力承接板用于承接压力的一面加工成带有凸纹的图案结构。

在本公开的一些实施例中，静电绝缘外封层的材料包括如下绝缘材料的一种或几种：四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃以及树脂；和/或，静电绝缘外封层的厚度介于0.01μm～500μm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间。

在本公开的一些实施例中，驻极体内芯层的材料为具有压电性和驻极体特性的薄膜材料，该驻极体内芯层以单层或多层的形式包覆在电极层的外围；和/或，驻极体内芯层的厚度介于0.05mm～10mm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间。

在本公开的一些实施例中，电极层的材料包括如下导电材料的一种或几种：金属单质、合金材料、复合金属以及特殊功能导电材料，特殊功能导电材料包括如下形式的材料：导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、结构型高分子导电材料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜；和/或，电极层的形状为网状、曲面状或平面状；和/或，电极层与驻极体内芯层接触的面带有图案；和/或，弹性矩形腔体单端封闭或两端开口，其内部空间106暴露于空气中，或者所述弹性矩形腔体双端封闭，其内部空间处于真空状态或由如下气体的一种或几种进行填充：干燥的空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气以及氙气。

根据本公开的另一个方面，提供了一种腔式多层膜驻极体发电机结构的制备方法，该制备方法包括：制备一弹性矩形腔体101，该弹性矩形腔体外部为一长方体结构，内部形成一空腔；在该弹性矩形腔体上表面形成压力承接板107；制备驻极体多层膜结构，使该驻极体多层膜结构位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层105；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层104及静电绝缘外封层103，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。

根据本公开的又一个方面，提供了一种供能系统，包含本公开提及的任一种腔式多层膜驻极体发电机结构。

在本公开的一些实施例中，腔式多层膜驻极体发电机结构中的电极层与能量收集电路111相连，二者之间设置有屏蔽层110，该能量收集电路包括：整流模块和降压模块，其中，整流模块的交流输入端与该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出端连接，降压模块设置于整流模块的直流输出端；该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出经过整流模块和降压模块处理后给一负载供电或者输入到电能存储装置中；

优选的，该供能系统中，存在多组腔式多层膜驻极体发电机结构及其对应的能量收集电路，多组腔式多层膜驻极体发电机结构进行串并联连接；

可选的，屏蔽层的结构为：复合屏蔽结构，包括：由内及外为金属导线-绝缘物质-金属屏蔽网-绝缘物质，或者为绝缘物质构成的屏蔽结构；屏蔽层的厚度介于0.01mm～10mm之间；

可选的，能量收集电路以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该供能系统的内部或外部；

可选的，负载为如下用电器、储能元件、敏感元件及传感器中的一种或几种：电容、电感、二极管、三极管、led屏幕、1cd屏幕、微型电机以及锂电池；

可选的，该供能系统为一可穿戴器件。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统，具有以下有益效果：

1、将驻极体多层膜结构贴附于弹性矩形腔体中，当弹性矩形腔体的上表面受到挤压时，与静电绝缘外封层的上表面相接触，摩擦产生电荷，基于静电感应效应，电极层上的感应电荷随着接触面积的改变而改变，从而输出电脉冲，驻极体多层膜结构能够自我补充表面电荷及空间电荷，不必担心驻极体电荷流失，有助于提高单次的能量收集效率，另外，一方面，弹性矩形腔体提供相对封闭式的模块化结构，能适应更加恶劣的环境，维护措施也更加便捷；另一方面，弹性矩形腔体上表面的压力承接板的设置增大了压力接触面，整体上使得该结构能获得瞬时大功率脉冲，发电电压高，可达5000V以上，可以为较高功率的器件提供电能；该发电机结构能够收集利用人体运动产生的多余能量转化成电能给器件供电。全封闭式结构，可以避免和外界的环境相接触，保证发电机工作稳定。弹性矩形腔和压力承接板的结构体系可以有效承接外部压力，提升单次接触-分离的能量收集效率，是一种清洁的生物能源，兼具良好的环境适应性和较高的单次能量收集效率，具有非常广泛研究和应用前景。

2、将该腔式多层膜驻极体发电机结构与能量收集电路相连，能量收集电路包括：整流模块和降压模块，其中，整流模块的交流输入端与该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出端连接，降压模块设置于整流模块的直流输出端；该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出经过整流模块和降压模块处理后给一负载供电或者输入到电能存储装置中，提升了该发电机的输出脉冲时间和脉冲宽度，降低并将输出电压稳定在一定的范围之内，具有高稳定性和安全性，适合智能穿戴或者常见的供能需要。

3、在一些实施例中，在该驻极体发电机形成的供能系统中，进行串并联没置，可以利用并联的方式降低内阻，增大输出电流的脉宽和占空比；即便是有整流模块存在，单个发电机的输出模式依然是直流脉冲。多个发电机同步或异步并联工作可以提升直流输出的电流。同理，对于发电机进行串联仍然可以增大系统的输出电压。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的含有腔式多层膜驻极体发电机结构的供能系统的示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的供能系统的示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的供能系统中进行串并联设置的示意图。

【符号说明】

1-腔式多层膜驻极体发电机结构；

101-弹性矩形腔体； 102-媒介层；

103-静电绝缘外封层；

103a-静电绝缘外封层下表面； 103b-静电绝缘外封层上表面；

104-驻极体内芯层；

104a-驻极体内芯层下表面； 104b-驻极体内芯层上表面；

105-电极层；

106-内部空间； 107-压力承接板；

108-焊点； 109-导线；

110-屏蔽层； 111-能量收集电路；

21-整流模块； 22-降压模块；

23-负载。

具体实施方式

本公开提供了一种腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统，将驻极体多层膜结构贴附于弹性矩形腔体中，当弹性矩形腔体的上表面受到挤压时，与静电绝缘外封层的上表面相接触，摩擦产生电荷，基于静电感应效应，电极层上的感应电荷随着接触面积的改变而改变，从而输出电脉冲，驻极体多层膜结构能够自我补充表面电荷及空间电荷，不必担心驻极体电荷流失，有助于提高单次的能量收集效率，该发电机结构能获得瞬时大功率脉冲，发电电压高，可达5000V以上，可以为较高功率的器件提供电能。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。术语“介于之间”包含端点值。术语“串并联连接”的含义是：串联和/或并联，可以是只进行串联，可以是只进行并联，也可以同时存在部分串联，部分并联。

第一实施例

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种腔室多层膜驻极体发电机结构，以及包含腔式多层膜驻极体发电机结构的供能系统。

图1为根据本公开一实施例所示的含有腔式多层膜驻极体发电机结构的供能系统的示意图。

参照图1所示，本公开的腔式多层膜驻极体发电机结构包括：弹性矩形腔体101，外部为一长方体结构，内部形成一空腔；压力承接板107，位于该弹性矩形腔体上表面；以及驻极体多层膜结构，位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层105；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层104及静电绝缘外封层103，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。

参照图1所示，本实施例的供能系统中，腔式多层膜驻极体发电机结构中的电极层105与能量收集电路111相连接，二者之间设置有屏蔽层110。

可选的，屏蔽层的结构为：复合屏蔽结构，包括：由内及外为金属导线-绝缘物质-金属屏蔽网-绝缘物质，或者为绝缘物质构成的屏蔽结构；屏蔽层的厚度介于0.01mm～10mm之间。

可选的，能量收集电路以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该供能系统的内部或外部。

在一实例中，该连接通过在电极层105上的一焊点108引出导线109实现，在导线109的外围包裹有绝缘材料作为屏蔽层110。

图2为根据本公开一实施例所示的供能系统的示意图。

参照图2所示，该能量收集电路111包括：整流模块21和降压模块22，其中，整流模块21的交流输入端与该腔式多层膜驻极体发电机结构1的电学输出端连接，降压模块22设置于整流模块21的直流输出端；该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出经过整流模块21和降压模块22处理后给一负载23供电或者输入到电能存储装置中。如图2所示，在一实例中，整流模块21为桥式整流电路，其中一个交流输入端与该腔式多层膜驻极体发电机结构1的电学输出端连接，这里的电学输出为直流脉冲，另一个交流输入端接地。

可选的，负载为如下用电器、储能元件、敏感元件及传感器中的一种或几种：电容、电感、二极管、三极管、led屏幕、lcd屏幕、微型电机以及锂电池。

在一实例中，弹性矩形腔体采用硅橡胶制作，整体尺寸5cm×5cm×1cm，静电绝缘外封层103和驻极体内芯层104采用厚度为100微米的聚四氟乙烯材料，均匀包覆于电极层105上。导电电极层采用高分子柔性导电纺织物，当弹性矩形腔体的上表面受到挤压时，例如在手按压的情况下，弹性矩形腔体的上表面与驻极体多层膜结构中的静电绝缘外封层/静电屏蔽层相接触，摩擦产生电荷，基于静电感应效应，金属电极上的感应电荷随着接触面积的改变而改变，从而输出电脉冲。经过外部整流和降压电路后可以给负载供电或者输入到电能存储装置中

本实施例中，将该腔式多层膜驻极体发电机结构与能量收集电路相连，能量收集电路包括：整流模块和降压模块，其中，整流模块的交流输入端与该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出端连接，降压模块设置于整流模块的直流输出端；该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出经过整流模块和降压模块处理后给一负载供电或者输入到电能存储装置中，提升了该发电机的输出脉冲时间和脉冲宽度，降低并将输出电压稳定在一定的范围之内，具有高稳定性和安全性，适合智能穿戴或者常见的供能需要。

下面主要介绍本实施例中的腔式多层膜驻极体发电机结构。

本实施例中，驻极体多层膜结构通过媒介层102贴附于弹性矩形腔体101的内部底面之上；其中，该媒介层的材料为具有低玻璃化转变温度的高分子材料，包括如下材料的一种或几种：乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、聚酯、环氧、聚氨酯、聚丁二烯酸、有机硅、聚酯亚胺及聚酰亚胺；和/或，该媒介层的厚度介于0.01μm～100μm之间；和/或，该媒介层与弹性矩形腔体的底面面积相同。

本实施例中，弹性矩形腔体101，外部为一长方体结构，内部形成一空腔。弹性矩形腔体101的材料为具有弹性的绝缘材料，包括如下材料的一种或几种：硅橡胶、天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶以及聚硫橡胶；和/或，弹性矩形腔体的形状为双端封闭、单端封闭或两端开口的长方体结构，空腔内部尺寸介于5mm×5mm×0.5mm～1000mm×1000mm×100mm之间；弹性矩形腔体的上下层厚度介于0.05mm～10mm之间；其左右侧面厚度介于0.5mm～100mm之间；在单端封闭或双端封闭的情形下，封闭端面的厚度介于0.5mm～100mm之间；和/或，矩形腔内部表面为光滑表面。

本实施例中，压力承接板107的材料包括如下柔性绝缘材料的一种或几种：硅橡胶、天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶以及聚硫橡胶；和/或，压力承接板的厚度介于0.05mm～10mm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间；和/或，压力承接板单独制作，或者与弹性矩形腔体一体化加工；和/或，压力承接板用于承接压力的一面加工成带有凸纹的图案结构。

本实施例中，驻极体多层膜结构，位于该弹性矩形腔体101的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙。该驻极体多层膜结构包含：电极层105；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层104及静电绝缘外封层103，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。参照图1所示，驻极体内芯层下表面104a、驻极体内芯层上表面104b均与电极层105紧密贴附，与电极层贴附的表面不含有表面电荷；静电绝缘外封层下表面103b、静电绝缘外封层上表面103a分别与驻极体内芯层下表面104a、驻极体内芯层上表面104b对应贴附，与静电绝缘外封层贴附一侧带有表面电荷。

本实施例中，静电绝缘外封层103的材料包括如下绝缘材料的一种或几种：四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃以及树脂；和/或，静电绝缘外封层的厚度介于0.01μm～500μm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间。

本实施例中，驻极体内芯层104的材料为具有压电性和驻极体特性的薄膜材料，该驻极体内芯层以单层或多层的形式包覆在电极层的外围；和/或，驻极体内芯层的厚度介于0.05mm～10mm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间。

本实施例中，电极层105的材料包括如下导电材料的一种或几种：金属单质、合金材料、复合金属以及特殊功能导电材料，特殊功能导电材料包括如下形式的材料：导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、结构型高分子导电材料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜；和/或，电极层的形状为网状、曲面状或平面状；和/或，电极层与驻极体内芯层接触的面带有图案；和/或，弹性矩形腔体单端封闭或两端开口，其内部空间106暴露于空气中，或者所述弹性矩形腔体双端封闭，其内部空间处于真空状态或由如下气体的一种或几种进行填充：干燥的空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气以及氙气。

将驻极体多层膜结构贴附于弹性矩形腔体中，当弹性矩形腔体的上表面受到挤压时，与静电绝缘外封层的上表面相接触，摩擦产生电荷，基于静电感应效应，电极层上的感应电荷随着接触面积的改变而改变，从而输出电脉冲，驻极体多层膜结构能够自我补充表面电荷及空间电荷，不必担心驻极体电荷流失，有助于提高单次的能量收集效率，另外一方面，弹性矩形腔体提供相对封闭式的模块化结构，能适应更加恶劣的环境，维护措施也更加便捷；另一方面，弹性矩形腔体上表面的压力承接板的设置增大了压力接触面，整体上使得该结构能获得瞬时大功率脉冲，发电电压高，可达5000V以上，可以为较高功率的器件提供电能；该发电机结构能够收集利用人体运动产生的多余能量转化成电能给器件供电，是一种清洁的生物能源，作为可穿戴器件或者其他自供能器件具有非常广泛研究和应用前景。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种包含腔式多层膜驻极体发电机结构的供能系统。

本实施例中，以第一个实施例中的腔式多层膜驻极体发电机结构作为独立的发电单元结构，该供能系统包含n个独立的单元结构，n为正整数，图3中分别为M0、M1、M2……进行示意微型发电机，每个独立的单元结构包含：发电系统和整流系统，其中发电系统包含微型发电机，该微型发电机为腔式多层膜驻极体发电机结构，其用于将人体运动产生的机械能转化为电能；整流系统包含整流模块，该整流模块的交流输入端与微型发电机的输出端相连，用于将微型发电机的电能形式由交流脉冲转化为直流脉冲；其中，在n个独立的单元结构的输出电路上设有降压模块/降压装置，该降压模块为一火花间隙或放电管，将发电系统与整流系统相互隔离，并调控输出电路的输出电压和电流。

上述方案中，该能量收集电路为负载提供能量的方式包括：n个独立的单元结构分别单独为对应负载提供能量，每个独立的单元结构对应一个降压装置，每个负载与对应提供能量的单元结构中的降压装置串联；或者n个独立的单元结构通过串联和/或并联的方式进行组合之后作为整体为某一负载提供能量，n个独立的单元结构共用一个降压装置，该负载与该共用的降压装置串联；或者部分单元结构通过串联和/或并联的方式进行组合之后为某一负载提供能量，部分单元结构单独为其他对应负载提供能量。

例如图3中示意的进行并联的形式，将n个单元结构进行并联，每个独立的单元结构中，腔式多层膜驻极体发电机结构1的电学输出端与整流模块21的交流输入端串联，n个独立的单元结构共用一个降压装置22，整流模块21的直流输出端正极与降压装置22连接，负载23的一端与降压装置22串联，另一端连接整流模块的直流输出端负极。

在本公开的一些实施例中，火花间隙或放电管的外部由绝缘材料密闭封装，内部为真空环境或由干燥的空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气之中的一种或几种混合进行填充，火花间隙或放电管内部的放电针包含两个贴近的金属电极，金属电极在击穿时对应产生电弧进行放电；和/或，降压装置包含如下放电管中的一种或其组合：玻璃放电管、气体放电管以及半导体放电管，组合连接的方式包括串联和并联；和/或，降压装置的放电范围介于50V-3500V之间。

在本公开的一些实施例中，绝缘材料包含如下材料的一种或几种：玻璃、陶瓷以及有机高分子材料；和/或，金属电极的形状包含如下形状的一种或几种：圆锥形、圆柱形、圆台形；和/或，两个金属电极的间隙介于1nm到1cm之间。

在该驻极体发电机形成的供能系统中，进行多个单元结构的串并联设置，可以利用并联的方式降低内阻，增大输出电流的脉宽和占空比；即便是有整流模块存在，单个发电机的输出模式依然是直流脉冲。多个发电机同步或异步并联工作可以提升直流输出的电流。同理，对于发电机进行串联仍然可以增大系统的输出电压。

第三实施例

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种腔式多层膜驻极体发电机结构的制备方法。

本实施例中，该制备方法包括：制备一弹性矩形腔体101，该弹性矩形腔体外部为一长方体结构，内部形成一空腔；在该弹性矩形腔体上表面形成压力承接板107；制备驻极体多层膜结构，使该驻极体多层膜结构位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层105；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层104及静电绝缘外封层103，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。

其中，压力承接板107进行单独制作，或者与弹性矩形腔体一体化加工，优选的，压力承接板用于承接压力的一面加工成带有凸纹的图案结构，提高承接压力时的摩擦力。

优选的，电极层105与驻极体内芯层表面104a、104b相接触的面带有图案以增大摩擦力，提高接触面积。

当然，任何能够形成上述腔式多层膜驻极体发电机结构的制备方法均在本公开的保护范围之内。

综上所述，本公开提供了一种腔式多层膜驻极体发电机结构及其制备方法、供能系统，将驻极体多层膜结构贴附于弹性矩形腔体中，驻极体多层膜结构能够自我补充表面电荷及空间电荷，不必担心驻极体电荷流失，有助于提高单次的能量收集效率，另外，一方面，弹性矩形腔体提供相对封闭式的模块化结构，能适应更加恶劣的环境，维护措施也更加便捷；另一方面，弹性矩形腔体上表面的压力承接板的设置增大了压力接触面，整体上使得该结构能获得瞬时大功率脉冲，发电电压高，可达5000V以上，可以为较高功率的器件提供电能；该发电机结构能够收集利用人体运动产生的多余能量转化成电能给器件供电，是一种清洁的生物能源，具有非常广泛研究和应用前景。通过将该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出经过整流模块和降压模块处理后给一负载供电或者输入到电能存储装置中，提升了该发电机的输出脉冲时间和脉冲宽度，降低并将输出电压稳定在一定的范围之内，具有高稳定性和安全性，适合智能穿戴或者常见的供能需要。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及下面的权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“电连接”至该另一元件。

还需要说明的是，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，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

并且，为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明如下所公开的内容据以调整，于此先进行声明。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，包括：

弹性矩形腔体(101)，外部为一长方体结构，内部形成一空腔；

压力承接板(107)，位于该弹性矩形腔体上表面；以及

驻极体多层膜结构，位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层(105)；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层(104)及静电绝缘外封层(103)，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。

2.根据权利要求1所述的腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，

所述驻极体多层膜结构通过媒介层(102)贴附于弹性矩形腔体(101)的内部底面之上；

其中，该媒介层的材料为具有低玻璃化转变温度的高分子材料，包括如下材料的一种或几种：乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚酯、环氧、聚氨酯、聚丁二烯酸、有机硅、聚酯亚胺及聚酰亚胺；和/或，

该媒介层的厚度介于0.01μm～100μm之间；和/或，

该媒介层与弹性矩形腔体的底面面积相同。

3.根据权利要求1所述的腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，

所述弹性矩形腔体的材料为具有弹性的绝缘材料，包括如下材料的一种或几种：硅橡胶、天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶以及聚硫橡胶；和/或，

所述弹性矩形腔体的形状为双端封闭、单端封闭或两端开口的长方体结构，空腔内部尺寸介于5mm×5mm×0.5mm～1000mm×1000mm×100mm之间；所述弹性矩形腔体的上下层厚度介于0.05mm～10mm之间；其左右侧面厚度介于0.5mm～100mm之间；在单端封闭或双端封闭的情形下，封闭端面的厚度介于0.5mm～100mm之间；和/或，

所述矩形腔内部表面为光滑表面。

4.根据权利要求1所述的腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，

所述压力承接板的材料包括如下柔性绝缘材料的一种或几种：硅橡胶、天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶以及聚硫橡胶；和/或，

所述压力承接板的厚度介于0.05mm～10mm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间；和/或，

所述压力承接板单独制作，或者与弹性矩形腔体一体化加工；和/或，

所述压力承接板用于承接压力的一面加工成带有凸纹的图案结构。

5.根据权利要求1所述的腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，

所述静电绝缘外封层的材料包括如下绝缘材料的一种或几种：四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、有机玻璃以及树脂；和/或，

所述静电绝缘外封层的厚度介于0.01μm～500μm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间。

6.根据权利要求1所述的腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，

所述驻极体内芯层的材料为具有压电性和驻极体特性的薄膜材料，该驻极体内芯层以单层或多层的形式包覆在电极层的外围；和/或，

所述驻极体内芯层的厚度介于0.05mm～10mm之间；长×宽尺寸介于5mm×5mm～1000mm×1000mm之间。

7.根据权利要求1所述的腔式多层膜驻极体发电机结构，其特征在于，

所述电极层的材料包括如下导电材料的一种或几种：金属单质、合金材料、复合金属以及特殊功能导电材料，特殊功能导电材料包括如下形式的材料：导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、结构型高分子导电材料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜；和/或，

所述电极层的形状为网状、曲面状或平面状；和/或，

所述电极层与驻极体内芯层接触的面带有图案；和/或，

所述弹性矩形腔体单端封闭或两端开口，其内部空间(106)暴露于空气中，或者所述弹性矩形腔体双端封闭，其内部空间处于真空状态或由如下气体的一种或几种进行填充：干燥的空气、氧气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫、氦气、氖气、氩气、氪气以及氙气。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的腔式多层膜驻极体发电机结构的制备方法，其特征在于，包括：

制备一弹性矩形腔体(101)，该弹性矩形腔体外部为一长方体结构，内部形成一空腔；

在该弹性矩形腔体上表面形成压力承接板(107)；

制备驻极体多层膜结构，使该驻极体多层膜结构位于该弹性矩形腔体的空腔中并贴附于内部底面之上，与内部上壁之间存在间隙；该驻极体多层膜结构包含：电极层(105)；高分子绝缘复合膜，包覆于电极层的外围，该高分子绝缘复合膜由内而外分别为：驻极体内芯层(104)及静电绝缘外封层(103)，该静电绝缘外封层与驻极体内芯层的带表面电荷面贴附。

9.一种供能系统，其特征在于，包含权利要求1至7中任一项所述的腔式多层膜驻极体发电机结构。

10.根据权利要求9所述的供能系统，其特征在于，所述腔式多层膜驻极体发电机结构中的电极层与能量收集电路(111)相连，二者之间设置有屏蔽层(110)，该能量收集电路包括：整流模块和降压模块，其中，整流模块的交流输入端与该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出端连接，降压模块设置于整流模块的直流输出端；该腔式多层膜驻极体发电机结构的电学输出经过整流模块和降压模块处理后给一负载供电或者输入到电能存储装置中；

优选的，该供能系统中，存在多组腔式多层膜驻极体发电机结构及其对应的能量收集电路，多组腔式多层膜驻极体发电机结构进行串并联连接；

可选的，所述屏蔽层的结构为：复合屏蔽结构，包括：由内及外为金属导线-绝缘物质-金属屏蔽网-绝缘物质，或者为绝缘物质构成的屏蔽结构；屏蔽层的厚度介于0.01mm～10mm之间；

可选的，所述能量收集电路以宏观电路、薄膜印刷电路或集成电路的方式附着在该供能系统的内部或外部；

可选的，负载为如下用电器、储能元件、敏感元件及传感器中的一种或几种：电容、电感、二极管、三极管、led屏幕、lcd屏幕、微型电机以及锂电池；

可选的，该供能系统为一可穿戴器件。