CN110165925B - 高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法，通过在摩擦纳米发电机的输出端增加电荷补偿结构，可以为摩擦纳米发电机提供电荷补偿，使得摩擦纳米发电机中电极的电荷分布维持在最优状态，从而保证摩擦纳米发电机持续稳定地输出高电压，与现有技术的摩擦纳米发电机的输出电压相比，得到了大幅度的提升；并且，基于本发明实施例提供的该种高压摩擦纳米发电机可以实现高压电源，从而实现持续稳定的高电压信号的输出与供给，与现有的其它高压电源相比，本发明实施例提供的高压电源可以基于摩擦纳米发电机的优点，实现自驱动、轻量化、丰富的材料选择、简化的结构及灵活的形式，大大扩展了应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域，尤指一种高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法。
背景技术
近年来，随着微纳技术的发展，摩擦纳米发电机应运而生，且表现出了突出的性能。摩擦纳米发电机具有结构简单、易加工、制作成本低、器件使用寿命长、电压输出高、以及容易和其他加工工艺集成等特点；可以收集环境中的机械能，并将其转换为电能，从而为电子设备供电，为自驱动设备的发展提供了一种新的方向。
然而，虽然摩擦纳米发电机在理论上具有较高的输出电压，但通常在实验中测得的输出电压值却远远不及理论值，其中一个重要的原因为输出电压的高低与两个电极中的电荷分布有关，也就是说，两个电极中的电荷分布最优时，输出电压最高。而在通常情况下，摩擦纳米发电机无法保持在最优的电荷分布状态，即使是在初始状态时通过某种方法达到了最优的分布状态，但是也会在后期的工作过程中由于电荷的耗散而发生严重的衰减，从而使得输出电压降低。
基于此，如何保证摩擦纳米发电机持续输出稳定的高电压，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法，用以实现摩擦纳米发电机可以持续输出稳定的高电压。
本发明实施例提供了一种高压摩擦纳米发电机，包括：摩擦纳米发电机、以及连接于所述摩擦纳米发电机的两个输出端之间的电荷补偿结构；
所述电荷补偿结构，用于为所述摩擦纳米发电机提供电荷补偿。
从而，可以通过电荷补偿结构为摩擦纳米发电机提供电荷补偿，使得摩擦纳米发电机的电荷分布维持在最优状态，从而保证摩擦纳米发电机可以持续稳定地输出高电压。
可选地，所述电荷补偿结构为高压二极管；
所述高压二极管的反向击穿电压值高于所述摩擦纳米发电机的最大开路电压值。
从而，通过简单的结构即可实现电荷补偿结构的功能，在保证高压摩擦纳米发电机持续稳定的输出高电压的同时，还可以大大简化高压摩擦纳米发电机的结构，降低制作成本。
可选地，所述摩擦纳米发电机为垂直接触分离模式或横向滑动模式的摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机，包括：摩擦层、第一电极，以及第二电极；
所述摩擦层与所述第一电极相对而置；所述第二电极贴合于所述摩擦层远离所述第一电极一侧的表面；
所述摩擦纳米发电机为垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机；所述摩擦层与所述第一电极在外力作用下发生接触和分离；或，所述摩擦纳米发电机为横向滑动模式的摩擦纳米发电机；所述摩擦层与所述第一电极在外力作用下发生相对滑动摩擦；
所述摩擦层由强负电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的负极与所述第一电极相连；所述高压二极管的正极与所述第二电极相连；或，所述摩擦层由强正电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的正极与所述第一电极相连；所述高压二极管的负极与所述第二电极相连。
从而，在摩擦纳米发电机的模式为垂直接触分离模式或横向滑动时，增加高压二极管后，均可以使得高压摩擦纳米发电机具有高电压输出；同时，需要根据摩擦纳米发电机中的摩擦层对负电荷或正电荷的亲和能力，确定高压二极管分别与第一电极和第二电极的连接方式，以正确实现电荷补偿作用。
可选地，所述摩擦纳米发电机为独立摩擦层模式的摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机，包括：摩擦层、第一电极，以及第二电极；
所述第二电极与所述第一电极位于所述摩擦层表面的同一侧；且所述第一电极面向所述摩擦层一侧的表面，与所述第二电极面向所述摩擦层一侧的表面位于同一平面；
所述摩擦层交替地与所述第一电极和所述第二电极接触；
所述摩擦层由强负电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的负极与所述第一电极相连；所述高压二极管的正极与所述第二电极相连；或，所述摩擦层由强正电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的正极与所述第一电极相连；所述高压二极管的负极与所述第二电极相连。
从而，对于独立摩擦层模式的摩擦纳米发电机，在增加高压二极管后，同样可以使得高压摩擦纳米发电机具有高电压输出；同时，仍然需要根据摩擦纳米发电机中的摩擦层对负电荷或正电荷的亲和能力，确定高压二极管分别与第一电极和第二电极的连接方式，以正确实现电荷补偿作用。
可选地，所述摩擦纳米发电机为单电极模式的摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机，包括：相对而置的摩擦层和第一电极；
所述摩擦层与所述第一电极在外力作用下发生接触和分离；
所述摩擦层由强负电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的负极与所述第一电极相连；所述高压二极管的正极接地；或，所述摩擦层由强正电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的正极与所述第一电极相连；所述高压二极管的负极接地。
当然，针对单电极模式的摩擦纳米发电机，仍然可以在增加高压二极管后，可以使得高压摩擦纳米发电机具有高电压输出；同时，仍然需要根据摩擦纳米发电机中的摩擦层对负电荷或正电荷的亲和能力，确定高压二极管分别与第一电极和第二电极的连接方式，以正确实现电荷补偿作用。
可选地，所述摩擦层由聚合物、无机氧化物或复合材料构成；
所述第一电极和所述第二电极由金属、氧化铟锡、导电碳材料、导电聚合物构成。
另一方面，本发明实施例还提供了一种高压电源，包括：如本发明实施例提供的上述高压摩擦纳米发电机、以及高压电容；
所述高压电容包括两个电极板；且所述两个电极板分别与所述高压摩擦纳米发电机的两个输出端相连。
从而，在高压摩擦纳米发电机的输出端增加高压电容之后，可以起到稳定高压的作用，并且还可以防止高压衰减，保证高压电源输出稳定的高电压信号。
可选地，还包括：连接于所述高压摩擦纳米发电机与所述高压电容之间的整流器；
所述整流器，用于将所述高压摩擦纳米发电机提供的脉冲高电压信号进行整流后为所述高压电容充电，以使所述高压电源的输出端输出稳定的直流信号。
从而，可以对高压摩擦纳米发电机提供的脉冲高电压信号进行整流，使得高压电源输出稳定的直流信号。
可选地，所述整流器为整流桥或二极管。
从而，可以通过简单的结构即可实现整流的作用。
另一方面，本发明实施例还提供了一种自驱动吸盘，包括：如本发明实施例提供的上述高压电源、吸盘、以及开关；
所述吸盘与所述开关并联于所述高压电源的两个输出端之间；
所述吸盘，用于在所述开关断开时，利用所述高压电源提供的电压产生吸附力；在所述开关闭合时，吸附力消失。
从而，通过高压电源为吸盘供电，在开关断开时，可以使得吸盘产生吸附力，而在开关闭合时，吸盘的吸附力即刻消失；因此，在本发明实施例中，通过高压电源可以成功驱动吸盘工作；又因该高压电源是由高压摩擦纳米发电机实现的，并没有利用额外的电源，从而实现了自驱动，拓宽了摩擦纳米发电机的应用范围。
可选地，所述高压电源中的高压摩擦纳米发电机与所述吸盘为集成结构。
从而，可以减小自驱动吸盘的体积，可以实现轻便化、便携式设计。
可选地，所述吸盘包括：第三电极和第四电极；其中，所述第三电极和所述第四电极为叉指结构。
从而，一方面可以减小吸盘的体积，另一方面可以使得吸盘产生均匀的电场，进而使得吸附力均匀，在吸附应用时可以稳定地吸附被吸附物。
可选地，还包括：固定电阻；
所述固定电阻的一端与所述开关的一端相连，另一端与所述高压电源的其中一个输出端相连。
从而，可以防止开关接通时产生过大电流而对电路造成损坏。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发电方法，包括：
提供摩擦纳米发电机；
提供连接于所述摩擦纳米发电机的两个输出端之间的电荷补偿结构；其中，所述电荷补偿结构为所述摩擦纳米发电机提供电荷补偿；
施加外力使所述摩擦纳米发电机中的部件发生相对运动；
通过两个输出端向外输出脉冲式的高电压信号。
从而，通过简单的方法，即可以实现摩擦纳米发电机持续稳定地输出高电压。
可选地，在所述电荷补偿结构为高压二极管，且所述高压二极管的反向击穿电压值高于所述摩擦纳米发电机的最大开路电压值时，针对所述摩擦纳米发电机输出的每个脉冲信号，在电压值大于预设阈值时，所述高压二极管处于截止状态；在电压值不大于所述预设阈值时，所述高压二极管处于导通状态，且所述高压二极管为所述摩擦纳米发电机提供电荷补偿通道。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法，通过在摩擦纳米发电机的输出端增加电荷补偿结构，可以为摩擦纳米发电机提供电荷补偿，使得摩擦纳米发电机中电极的电荷分布维持在最优状态，从而保证摩擦纳米发电机持续稳定地输出高电压，与现有技术的摩擦纳米发电机的输出电压相比，得到了大幅度的提升；并且，基于本发明实施例提供的该种高压摩擦纳米发电机可以实现高压电源，从而实现持续稳定的高电压信号的输出与供给，与现有的其它高压电源相比，本发明实施例提供的高压电源可以基于摩擦纳米发电机的优点，实现自驱动、轻量化、丰富的材料选择、简化的结构及灵活的形式，大大扩展了应用领域。
附图说明
图1为目前技术中的摩擦纳米发电机的电压输出结果的示意图；
图2为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的结构示意图之一；
图3为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的结构示意图之二；
图4为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的电压输出结果与目前技术中的摩擦纳米发电机的电压输出结果的对比图；
图5为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的具体结构示意图之一；
图6为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的具体结构示意图之二；
图7为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的具体结构示意图之三；
图8为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的工作原理的示意图；
图9为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的具体结构示意图之四；
图10为本发明实施例中提供的高压摩擦纳米发电机的具体结构示意图之五；
图11和图12分别为本发明实施例中提供的高压电源的结构示意图；
图13为本发明实施例中提供的自驱动吸盘的结构示意图之一；
图14为本发明实施例中提供的自驱动吸盘的结构示意图之二；
图15为本发明实施例中提供的吸盘电极的结构示意图；
图16为本发明实施例中提供的自驱动吸盘的结构示意图之三；
图17为本发明实施例中提供的发电方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明人在研究中发现，在摩擦纳米发电机的工作过程中，输出开路电压与理论值有很大差距，并发现此现象与摩擦纳米发电机的电极中的电荷分布有关，且通常，电荷的分布并没有一直处于最佳状态，即使在初始处于最佳状态，由于此时的电极的电压较大，会与空气及周围环境中存在的水分等因素作用而发生电荷耗散现象，使得电极中的电荷分布发生变化而偏离最佳状态，相应开路电压也会随时间迅速下降(如图1所示的测试结果)，因此，通常情况下，摩擦纳米发电机电极中的电荷分布从输出电压的角度来说，均未处于最佳分布状态，其稳定的输出电压均远小于理论预测的最佳状态下的开路电压数值，从而限制了摩擦纳米发电机在高电压领域的应用。
基于此，本发明实施例提供了一种高压摩擦纳米发电机，用以摩擦纳米发电机电极中的电荷分布保持在最优状态，从而稳定地输出高电压。
具体地，本发明实施例提供的一种高压摩擦纳米发电机，如图2所示，可以包括：摩擦纳米发电机10、以及连接于摩擦纳米发电机10的两个输出端之间的电荷补偿结构20；
电荷补偿结构20，用于为摩擦纳米发电机10提供电荷补偿。
其中，若没有电荷补偿结构20为摩擦纳米发电机10提供电荷补偿，摩擦纳米发电机10的电荷分布会从最初的最优状态逐渐趋向于偏离这种最优状态，使得摩擦纳米发电机10的输出电压从最初的高电压逐渐降低，如图1所示，也就是说，在摩擦纳米发电机10的电荷分布维持在最优状态时，摩擦纳米发电机10可以稳定地输出高电压，在电荷分布逐渐偏离最优状态时，摩擦纳米发电机10的输出电压也开始降低。
此外，不管摩擦纳米发电机为何种模式，摩擦纳米发电机中的电荷可包括摩擦层上的静电荷及电极中的自由电荷，基于此，对于摩擦纳米发电机10的电荷分布需要维持的最优状态，可以理解为：在摩擦纳米发电机相对运动幅度一定，以及摩擦层带有的静电荷量及电性一定时，分配电极中的自由电荷，使自由电荷只位于某一电极上或者正负自由电荷中和为零，且在此种状态下，需使得在摩擦纳米发电机工作过程的单个周期中，可以实现正负电荷最大程度的分离。
因此，在本发明实施例中，为了保证摩擦纳米发电机10的电荷分布维持在最优状态，避免摩擦纳米发电机10的输出电压逐渐降低，在摩擦纳米发电机10的两个输出端之间增加了电荷补偿结构20，并通过电荷补偿结构20为摩擦纳米发电机10提供电荷补偿，使得摩擦纳米发电机10的电荷分布维持在最优状态，从而保证摩擦纳米发电机10可以持续稳定的输出高电压。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图3所示，电荷补偿结构20可以为高压二极管D；其中，高压二极管D的反向击穿电压值高于摩擦纳米发电机10的最大开路电压值。如此，可以在避免高压二极管D被反向击穿的同时，通过高压二极管D在特定状态下的正向导通，为摩擦纳米发电机10提供电荷补偿通道，使得摩擦纳米发电机10的电极中的电荷分布维持在最优状态，从而保证摩擦纳米发电机10稳定输出高电压。同时，还可以大大简化高压摩擦纳米发电机的结构，降低制作成本。
当然，需要注意的是，电荷补偿结构20并不限于为高压二极管D，还可以是其他可以实现为摩擦纳米发电机10提供电荷补偿的结构，在此并不限定。下面就以电荷补偿结构20为高压二极管D为例，对本发明实施例提供的高压摩擦纳米发电机进行介绍和说明。
参见图4所示的测试结果，左图表示本发明实施例提供的高压摩擦纳米发电机输出的电压结果，右图表示目前技术中的摩擦纳米发电机输出的电压结果，其中，左图和右图的测试结果，均采用的是垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机为例进行测试的；很明显，在增加高压二极管D后，摩擦纳米发电机10可以稳定地输出高电压(峰值约3300伏)，与目前技术中摩擦纳米发电机输出的电压值(峰值约250伏)相比增加了十多倍，体现了高压二极管D为摩擦纳米发电机10提供电荷补偿通道的效果，并且，大幅提高的输出电压可以大大拓展摩擦纳米发电机在高电压领域的应用。
需要说明的是，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机10的模式可以是本领域技术人员所熟知的任何模式，在此并不限定；下面就以常见的四种摩擦纳米发电机的模式为例进行描述。
可选地，在本发明实施例中，如图5至图7所示，摩擦纳米发电机10可以为垂直接触分离模式(如图5和图6所示)或横向滑动模式(如图7所示)的摩擦纳米发电机；摩擦纳米发电机10可以包括：摩擦层11、第一电极12，以及第二电极13；其中，摩擦层11与第一电极12相对而置；第二电极13贴合于摩擦层11远离第一电极12一侧的表面；也就是说，在摩擦纳米发电机10为垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机时，如图5和图6所示，其中，黑色填充的双向箭头表示第一电极12的移动方向；摩擦层11与第一电极12在外力作用下发生接触和分离，然后通过第一电极12和第二电极13将电压输出；或在摩擦纳米发电机10为横向滑动模式的摩擦纳米发电机时，如图7所示，其中，黑色填充的双向箭头表示第一电极12的移动方向；摩擦层11与第一电极12在外力作用下发生相对滑动摩擦，在滑动过程中通过控制摩擦层11与第一电极12之间的相对滑动距离，使得摩擦层11与第一电极12沿接触面方向发生错位，接触面积发生改变，从而通过第一电极12和第二电极13将电压输出；此外，如图5和图7所示，在摩擦层11由强负电荷亲和能力的材料构成时，摩擦层11带负电，进而与摩擦层11发生接触的第一电极12会由于失去负电荷而带正电，此时，高压二极管D的负极需要与第一电极12相连，高压二极管D的正极需要与第二电极13相连，以正确实现电荷补偿作用；或者，如图6所示，在摩擦层11由强正电荷亲和能力的材料构成时，摩擦层11带正电，进而与摩擦层11发生接触的第一电极12会由于失去正电荷而带负电，此时，高压二极管D的正极需要与第一电极12相连，高压二极管D的负极需要与第二电极13相连，以正确实现电荷补偿作用。
从而，在摩擦纳米发电机10的模式为垂直接触分离模式或横向滑动模式时，增加高压二极管D后，通过电荷补偿通道维持各电极中的电荷处于最佳分布状态，输出稳定的高电压；同时，为了正确提供电荷补偿作用，需要根据摩擦纳米发电机10中的摩擦层11对正电荷或负电荷的亲和能力，确定高压二极管D分别与第一电极12和第二电极13的连接方式。
例如，以垂直接触分离式的摩擦纳米发电机，且摩擦层11具有强负电荷亲和能力为例，参见图5所示，由于摩擦层11具有强负电荷亲和能力，所以摩擦层11与第一电极12接触时带负电，此时高压二极管D的正极与第二电极13相连，负极与第一电极12相连；参见图8所示，高压二极管D实现电荷补偿的工作原理具体为：
在阶段(1)时，摩擦纳米发电机10中的摩擦层11与第一电极12处于接触状态，由于摩擦层11具有强负电荷亲和能力，所以摩擦层11面向第一电极12的表面带负电，且由于负电荷转移到摩擦层11，第一电极12带有正电荷；此时，摩擦纳米发电机10输出的脉动电压处于低压状态，两个输出端之间的电压基本为0。
在阶段(2)时，摩擦层11与第一电极12开始分离，第一电极12相对于第二电极13的电压值上升，且由于第一电极12带正电荷，此电压为正值，所以此时高压二极管D处于反偏状态；又因高压二极管D的反向击穿电压高于摩擦纳米发电机10的最大开路电压，所以高压二极管D不会被击穿，仍然能够正常工作，保持第一电极12和第二电极13为开路状态。
在阶段(3)时，摩擦层11与第一电极12之间的分离距离达到较大值，此时摩擦纳米发电机10的输出电压达到较高的状态，从而，由于电极的高压，电极中的电荷会与空气及周围环境中存在的水分等因素作用而发生耗散现象，进而使得第一电极12中的正电荷减少，且第二电极13会由于接近摩擦层11中的负电荷而带有一定量的正电荷；第二电极13中带正电荷的效果等效于摩擦层11中的负电荷减少，由于正电荷和负电荷的减少，摩擦纳米发电机10的输出开路电压将会衰减。
虽然单个周期中的电压峰值衰减并不明显，但如果不进行电荷补偿，若干个周期之后，电压峰值将迅速衰减到较低的数值，如图1所示。
在阶段(4)时，第一电极12向摩擦层11靠近，第一电极12和第二电极13之间的电压开始减小，当第一电极12与摩擦层11接近到一定程度时，第一电极12相对于第二电极13的电压会降到0，甚至会向负值转变；此时，高压二极管D发生正偏并导通，形成电荷补偿的通道，电荷发生定向移动，第二电极13中的正电荷会在电压驱动下向第一电极12移动，最终使得正电荷重新全部位于第一电极12中，恢复到阶段(1)的状态，实现电荷补偿。
此后，再继续依次进入阶段(1)、阶段(2)、阶段(3)和阶段(4)，也就是说，阶段(1)至阶段(4)不断地周期循环。通过上述电荷补偿作用，可将摩擦纳米发电机10电极中的电荷分布在每个周期的阶段(1)维持在图示的最优状态，使电压峰值不会发生累积的持续衰减，输出保持在理想的高压状态。
其中，参见图5所示，如果没有高压二极管D的存在，且假使第一电极12中的正电荷没有发生耗散，在第一电极12与摩擦层11重新接触时，第一电极12与第二电极13之间的电压应该为0；若第一电极12中的正电荷发生耗散，在第一电极12与摩擦层11重新接触时，第一电极12相对于第二电极13的电压为负(也就是说，第二电极13相对于第一电极12的电压为正)，因此，在此种情况下，若存在高压二极管D，高压二极管D会打开，使得电荷发生转移，实现电荷的补偿。
需要说明的是，上述只是以图5所示的结构为例进行说明的，对于图6和图7所示的结构，上述工作原理同样适用，重复之处不再赘述。
可选地，在本发明实施中，如图9所示，摩擦纳米发电机10可以为独立摩擦层模式的摩擦纳米发电机；此时，摩擦纳米发电机10，可以包括：摩擦层11、第一电极12，以及第二电极13；其中，第二电极13与第一电极12位于摩擦层11表面的同一侧；且第一电极12面向摩擦层11一侧的表面，与第二电极13面向摩擦层11一侧的表面位于同一平面；其中，图9中所示的黑色填充的双向箭头表示摩擦层11的移动方向；通过摩擦层11交替地与第一电极12和第二电极13接触，从而实现电压的输出；此外，在摩擦层11由强负电荷亲和能力的材料构成时，如图9所示，高压二极管D的负极需要与第一电极12相连；高压二极管D的正极需要与第二电极13相连；或者，在摩擦层11由强正电荷亲和能力的材料构成时(未给出图示)，高压二极管D的正极需要与第一电极12相连；高压二极管D的负极需要与第二电极13相连。
从而，对于独立摩擦层模式的摩擦纳米发电机，在增加高压二极管D后，同样可以具有稳定的高电压输出；同时，仍然需要根据摩擦纳米发电机10中的摩擦层11对正电荷或负电荷的亲和能力，确定高压二极管D分别与第一电极12和第二电极13的连接方式，以正确实现电荷补偿作用。
其中，对于图9所示的结构的工作原理，同样可以参见上述图8所示，重复之处不再赘述。
可选地，在本发明实施例中，如图10所示，摩擦纳米发电机10还可以为单电极模式的摩擦纳米发电机；此时，摩擦纳米发电机10，可以包括：相对而置的摩擦层11和第一电极12；其中，图10中所示的黑色填充的双向箭头表示摩擦层11的移动方向；通过摩擦层11与第一电极12在外力作用下发生接触和分离，从而实现电压的输出；此外，在摩擦层11由强负电荷亲和能力的材料构成时，如图10所示，高压二极管D的负极需要与第一电极12相连；高压二极管D的正极需要接地；或者，在摩擦层11由强正电荷亲和能力的材料构成时(未给出图示)，高压二极管D的正极需要与第一电极12相连；高压二极管D的负极需要接地。
当然，针对单电极模式的摩擦纳米发电机，仍然可以在增加高压二极管D后，具有稳定的高电压输出；同时，仍然需要根据摩擦纳米发电机10中的摩擦层11对正电荷或负电荷的亲和能力，确定高压二极管D分别与第一电极12和接地端的连接方式，以正确实现电荷补偿作用。
其中，对于图10所示的结构的工作原理，同样可以参见上述图8所示，重复之处不再赘述。
可选地，在本发明实施例中，摩擦层11可以由聚合物、无机氧化物或复合材料等材料构成，且可以具体根据正负电荷的亲和能力进行选择；此外，第一电极12和第二电极13可以由金属、氧化铟锡、导电碳材料、导电聚合物等导电材料构成，同样可以根据具体需要进行选择。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种高压电源，如图11所示，可以包括：如本发明实施例提供的上述高压摩擦纳米发电机G、以及高压电容C；其中，高压电容C可以包括两个电极板(如a和b)；且两个电极板(a和b)分别与高压摩擦纳米发电机G的两个输出端相连。
本发明实施例提供的上述高压电源，通过在高压摩擦纳米发电机G的输出端增加高压电容C之后，可以起到稳定高压的作用，并且还可以防止高压衰减，保证高压电源输出稳定的高电压信号。
可选地，高压摩擦纳米发电机G输出的信号一般为交流信号或脉动信号，所以为了能够使得高压电源输出高压直流信号并减少脉动，能够为设备供电，在本发明实施例中，如图12所示，还可以包括：连接于高压摩擦纳米发电机G与高压电容C之间的整流器Z；其中，整流器Z，用于将高压摩擦纳米发电机G提供的脉冲高电压信号进行整流后为高压电容C充电，通过高压电容C的储能作用，以使高压电源的输出端输出稳定的直流信号。从而，整流器Z可以对高压摩擦纳米发电机G提供的脉冲高电压信号进行整流，使得高压电源输出稳定的直流信号。
在具体实施时，在本发明实施例中，整流器Z可以为整流桥或二极管。从而，可以通过简单的结构即可实现整流的作用。当然，整流器Z的具体实现结构并不限于整流桥或二极管，还可以是其他本领域技术人员所熟知的可以实现整流功能的其他器件，在此并不限定。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种自驱动吸盘，如图13所示，可以包括：如本发明实施例提供的上述高压电源100、吸盘200、以及开关K；其中，吸盘200与开关K并联于高压电源100的两个输出端之间；吸盘200，用于在开关K断开时，利用高压电源100提供的电压产生吸附力；在开关K闭合时，吸附力消失。
其中，该吸盘200可以为静电吸盘，并且可以将吸盘200等效为一个电容，如图13所示；通过高压电源100为吸盘200供电，在开关K断开时，可以使得吸盘200产生吸附力，而在开关K闭合时，吸盘200的吸附力即刻消失，实现了吸盘200的吸附和脱附；因此，在本发明实施例中，通过高压电源100可以成功驱动吸盘200工作；又因该高压电源100是由高压摩擦纳米发电机G实现的，并没有利用额外的电源，从而实现了自驱动，拓宽了摩擦纳米发电机的应用范围。
可选地，为了简化自驱动吸盘的结构和体积，以及简化操作过程，在本发明实施例中，如图14所示，高压电源100中的高压摩擦纳米发电机G与吸盘200可以设置为集成结构。从而，可以减小自驱动吸盘的体积，可以实现轻便化、便携式设计。
具体地，在本发明实施例中，参见图14所示，高压摩擦纳米发电机G可以为垂直接触分离式结构，当然，并不限于此，此处只是以垂直接触分离式为例进行说明。其中，如图14所示，可以包括：相对而置的第一电极12和摩擦层11，以及贴合于摩擦层11远离第一电极12一侧的第二电极13；第一电极12可以与摩擦层11进行接触和分离。为保证高压摩擦纳米发电机G的正常工作，高压摩擦纳米发电机G还可以包括：基板14和弹簧组件15；基板14贴合于第一电极12远离摩擦层11的一侧表面之上，弹簧组件15的一端固定在基板14之上。
吸盘200可以包括：从下至上依次设置的第一绝缘层201，吸盘电极202，以及第二绝缘层203；也就是说，吸盘电极202设置于第一绝缘层201与第二绝缘层203之间；其中，吸盘电极202包括：相互绝缘设置的第三电极202a和第四电极202b，且第三电极202a和第四电极202b可以为叉指结构，如图15所示；如此，一方面可以减小吸盘200的体积，另一方面，在第三电极202a和第四电极202b之间可以形成更加均匀的电场，从而产生较均匀的静电吸附力，提高吸附的稳定性。
并且，高压摩擦纳米发电机G中的第二电极13远离摩擦层11的一侧表面贴合于第二绝缘层203之上，且弹簧组件15的另一端固定在第二绝缘层203之上。通过对基板14的按压，在弹簧组件15的弹性功能作用下，使得基板14向第二绝缘层203一侧进行上下移动，进而带动第一电极12与摩擦层11发生接触和分离。
需要说明的是，图14只是给出了各结构之间的相对位置，对于各结构之间的电连接关系可参见图13所示。
可选地，在本发明实施中，如图16所示，还可以包括：固定电阻R；其中，固定电阻R的一端与开关K的一端相连，另一端与高压电源100的其中一个输出端相连。从而，可以防止开关K接通时产生过大电流而对电路造成损坏。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种发电方法，如图17所示，可以包括：
S1701、提供摩擦纳米发电机；
S1702、提供连接于摩擦纳米发电机的两个输出端之间的电荷补偿结构；
其中，电荷补偿结构为摩擦纳米发电机提供电荷补偿。
S1703、施加外力使摩擦纳米发电机中的部件发生相对运动；
其中，摩擦纳米发电机中的部件发生相对运动的方式，可以为接触分离，或横向的相对滑动摩擦，或是其他相对运动方式，在此并不限定。
S1704、通过两个输出端向外输出脉冲式的高电压信号。
从而，在本发明实施例提供的上述发电方法中，通过简单的方法，即可以实现摩擦纳米发电机输出稳定的高电压。
可选地，在本发明实施例中，在电荷补偿结构为高压二极管，且高压二极管的反向击穿电压值高于摩擦纳米发电机的最大开路电压值时，针对摩擦纳米发电机输出的每个脉冲信号，在电压值大于预设阈值时，高压二极管处于截止状态；在电压值不大于预设阈值时，高压二极管处于导通状态，且高压二极管为摩擦纳米发电机提供电荷补偿通道，进行电荷补偿，使得摩擦纳米发电机的电极中电荷分布一直处于最优状态，从而实现高压摩擦纳米发电机输出持续稳定的高电压。
具体地，在本发明实施例中提供的发电方法中提及的预设阈值，可以设置为0，也就是说，在电压值大于0时，高压二极管处于截止状态，在电压值接近0或小于0时，高压二极管处于导通状态；但预设阈值的具体设置并不限于0，还可以是其他值，需要根据实际情况而定，在此并不限定。
本发明实施例提供了一种高压摩擦纳米发电机、高压电源、自驱动吸盘及发电方法，通过在摩擦纳米发电机的输出端增加电荷补偿结构，可以为摩擦纳米发电机提供电荷补偿，使得摩擦纳米发电机中电极的电荷分布维持在最优状态，从而保证摩擦纳米发电机持续稳定地输出高电压，与现有技术的摩擦纳米发电机的输出电压相比，得到了大幅度地提升；并且，基于本发明实施例提供的该种高压摩擦纳米发电机可以实现高压电源，从而实现持续稳定的高电压信号的输出与供给，与现有的其它高压电源相比，本发明实施例提供的高压电源可以基于摩擦纳米发电机的优点，实现自驱动、轻量化、丰富的材料选择、简化的结构及灵活的形式，大大扩展了应用领域。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (15)
1.一种高压摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：摩擦纳米发电机、以及连接于所述摩擦纳米发电机的两个输出端之间的电荷补偿结构；
所述电荷补偿结构，用于为所述摩擦纳米发电机提供电荷补偿。
2.如权利要求1所述的高压摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电荷补偿结构为高压二极管；
所述高压二极管的反向击穿电压值高于所述摩擦纳米发电机的最大开路电压值。
3.如权利要求2所述的高压摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为垂直接触分离模式或横向滑动模式的摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机，包括：摩擦层、第一电极，以及第二电极；
所述摩擦层与所述第一电极相对而置；所述第二电极贴合于所述摩擦层远离所述第一电极一侧的表面；
所述摩擦纳米发电机为垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机；所述摩擦层与所述第一电极在外力作用下发生接触和分离；或，所述摩擦纳米发电机为横向滑动模式的摩擦纳米发电机；所述摩擦层与所述第一电极在外力作用下发生相对滑动摩擦；
所述摩擦层由强负电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的负极与所述第一电极相连；所述高压二极管的正极与所述第二电极相连；或，所述摩擦层由强正电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的正极与所述第一电极相连；所述高压二极管的负极与所述第二电极相连。
4.如权利要求2所述的高压摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为独立摩擦层模式的摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机，包括：摩擦层、第一电极，以及第二电极；
所述第二电极与所述第一电极位于所述摩擦层表面的同一侧；且所述第一电极面向所述摩擦层一侧的表面，与所述第二电极面向所述摩擦层一侧的表面位于同一平面；
所述摩擦层交替地与所述第一电极和所述第二电极接触；
所述摩擦层由强负电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的负极与所述第一电极相连；所述高压二极管的正极与所述第二电极相连；或，所述摩擦层由强正电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的正极与所述第一电极相连；所述高压二极管的负极与所述第二电极相连。
5.如权利要求2所述的高压摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为单电极模式的摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机，包括：相对而置的摩擦层和第一电极；
所述摩擦层与所述第一电极在外力作用下发生接触和分离；
所述摩擦层由强负电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的负极与所述第一电极相连；所述高压二极管的正极接地；或，所述摩擦层由强正电荷亲和能力的材料构成；所述高压二极管的正极与所述第一电极相连；所述高压二极管的负极接地。
6.如权利要求3-5任一项所述的高压摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层由聚合物、无机氧化物或复合材料构成；
所述第一电极由金属、氧化铟锡、导电碳材料、导电聚合物构成；
所述摩擦纳米发电机包括第二电极，所述第二电极由金属、氧化铟锡、导电碳材料、导电聚合物构成。
7.一种高压电源，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一项所述的高压摩擦纳米发电机、以及高压电容；
所述高压电容包括两个电极板；且所述两个电极板分别与所述高压摩擦纳米发电机的两个输出端相连。
8.如权利要求7所述的高压电源，其特征在于，还包括：连接于所述高压摩擦纳米发电机与所述高压电容之间的整流器；
所述整流器，用于将所述高压摩擦纳米发电机提供的脉冲高电压信号进行整流后为所述高压电容充电，以使所述高压电源的输出端输出稳定的直流信号。
9.如权利要求8所述的高压电源，其特征在于，所述整流器为整流桥或二极管。
10.一种自驱动吸盘，其特征在于，包括：如权利要求7-9任一项所述的高压电源、吸盘、以及开关；
所述吸盘与所述开关并联于所述高压电源的两个输出端之间；
所述吸盘，用于在所述开关断开时，利用所述高压电源提供的高电压产生吸附力；在所述开关闭合时，吸附力消失。
11.如权利要求10所述的自驱动吸盘，其特征在于，所述高压电源中的高压摩擦纳米发电机与所述吸盘为集成结构。
12.如权利要求10所述的自驱动吸盘，其特征在于，所述吸盘包括：第三电极和第四电极；
所述第三电极和所述第四电极为叉指结构。
13.如权利要求10-12任一项所述的自驱动吸盘，其特征在于，还包括：固定电阻；
所述固定电阻的一端与所述开关的一端相连，另一端与所述高压电源的其中一个输出端相连。
14.一种发电方法，其特征在于，包括：
提供摩擦纳米发电机；
提供连接于所述摩擦纳米发电机的两个输出端之间的电荷补偿结构；其中，所述电荷补偿结构为所述摩擦纳米发电机提供电荷补偿；
施加外力使所述摩擦纳米发电机中的部件发生相对运动；
通过两个输出端向外输出脉冲式的高电压信号。
15.如权利要求14所述的发电方法，其特征在于，在所述电荷补偿结构为高压二极管，且所述高压二极管的反向击穿电压值高于所述摩擦纳米发电机的最大开路电压值时，针对所述摩擦纳米发电机输出的每个脉冲信号，在电压值大于预设阈值时，所述高压二极管处于截止状态；在电压值不大于所述预设阈值时，所述高压二极管处于导通状态，且所述高压二极管为所述摩擦纳米发电机提供电荷补偿通道。
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