CN110572072A - 混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器 - Google Patents
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Abstract
一种混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器，混合型纳米发电结构，包括：第一感应单元，包含第一感应电极层；第二感应单元，与第一感应单元相对设置，包含第二感应电极层；以及三角波状结构，包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层；该驻极体层波峰的位置与第一感应单元连接，相邻波峰之间的驻极体层与第一感应单元之间具有第一空腔；该驻极体层波谷的位置与第二感应单元连接，相邻波谷之间的驻极体层与第二感应单元之间具有第二空腔。通过巧妙的结构设计实现了自驱动的同时，还增强了驻极体发电机的能量转换效率，可作为可穿戴式自驱动传感器以及供能器件来使用。
Description
技术领域
本公开属于可穿戴智能器件和自驱动传感技术领域，涉及一种混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器。
背景技术
随着科技的发展，各种各样的电子设备方便了我们的生活。我们日常生活中用到的各种电子设备，如手机、电子手表以及蓝牙耳机等，这些都需要周期性的充电。充电时通常需要寻找电源，并且充电时需要一定的等待时间，这些都给我们的生活带来不便。现有的供电方式基本是依靠锂电池或者基于充电等形式，从可持续发展的理念上来讲，提出自驱动器件成为主要发展趋势，而且如果自驱动器件的能量来源为清洁能源，有助于实现环保。此外，目前废弃电子设备带来的环境污染问题和大量资源消耗带来的资源短缺问题也日益成为危害人类生存的问题，因此如何实现器件的清洁供能，并且在电子设备用完之后能够实现回收利用等成为一大发展趋势。
更进一步，随着人机交互、物联网等概念的提出，对于智能器件的发展提出了诸多要求，比如要求智能器件兼具自驱动供能、自驱动传感以及具有高的能量转化效率等，最好还能够实现回收利用，避免资源的浪费。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的第一个方面，提供了一种混合型纳米发电结构，包括：第一感应单元，包含第一感应电极层；第二感应单元，与第一感应单元相对设置，包含第二感应电极层；以及三角波状结构，包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层；该驻极体层波峰的位置与第一感应单元连接，相邻波峰之间的驻极体层与第一感应单元之间具有第一空腔；该驻极体层波谷的位置与第二感应单元连接，相邻波谷之间的驻极体层与第二感应单元之间具有第二空腔。
在本公开的一实施例中，所述第一感应单元和第二感应单元至少其中一个还包括压电单元，集成于对应的感应电极层的外侧，该压电单元包含至少一组交替层叠的压电层和压电电极层，每个压电层的两侧为压电电极层。
在本公开的一实施例中，包含压电单元的感应单元中，对应的感应电极层与相邻的压电电极层之间设置有柔性衬底。
在本公开的一实施例中，所述第一感应电极层与驻极体层波峰的位置连接，或者，所述第一感应单元中还包含第一弹性介电层，该第一弹性介电层位于第一感应电极层与驻极体层之间，该第一弹性介电层与驻极体层波峰的位置连接；
所述第二感应电极层与驻极体层波谷的位置连接，或者，所述第二感应单元中还包含第二弹性介电层，该第二弹性介电层位于第二感应电极层与驻极体层之间，该第二弹性介电层与驻极体层波谷的位置连接。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变时，所述第一感应电极层与驻极体层之间和/或第二感应电极层与驻极体层之间的距离发生变化，在所述第一感应电极层与第一电极层之间及第二感应电极层与第一电极层之间均产生电学输出。
可选的，所述第一感应电极层和第二感应电极层并联，共同作为一个电学输出端，第一电极层作为另一个电学输出端。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变时，所述第一感应电极层与驻极体层之间和/或第二感应电极层与驻极体层之间的距离发生变化，在所述第一感应电极层与第一电极层之间及第二感应电极层与第一电极层之间均产生第一电学输出；同时，所述压电单元中的压电层由于所述形变受到剪切应力，在压电层上下表面的压电电极层上产生第二电学输出。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构还包括：全波整流电路，该全波整流电路用于对第一电学输出和第二电学输出进行调制并将调制后的电学输出串流在一起进行输出，得到驻极体感应信号和压电信号协同输出的电信号。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构进一步还包括：能量管理电路，该能量管理电路用于调制全波整流电路协同输出的电信号，使电压降低同时使电流增大，形成适用于电子设备的直流恒压电源。
在本公开的一实施例中，所述第一感应单元和第二感应单元分别为叠层状形式；或者，
所述第一感应单元作为一第一编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第一条带结构编织形成所述第一编织结构，所述第一条带结构与第一感应单元表面存在电负性差异；和/或，
所述第二感应单元作为一第二编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第二条带结构编织形成所述第二编织结构，所述第二条带结构与第二感应单元表面存在电负性差异。
在本公开的一实施例中，所述三角波状结构中，外围层连同芯层以层状形式被构造为三角波形状；或者，
所述三角波状结构为一呈三角波形状的第三编织结构，所述芯层和外围层被构造为条状，同时作为该第三编织结构中的纵向条带结构及横向条带结构，该纵向条带结构和该横向条带结构相互编织形成所述第三编织结构，对应三角波状结构的波峰位置为第三编织结构中驻极体层波峰的位置，对应三角波状结构的波谷位置为第三编织结构中驻极体层波谷的位置。
在本公开的一实施例中，所述第一感应单元、第二感应单元和三角波状结构的材料均为可降解材料或可回收材料。
根据本公开的第二个方面，提供了一种混合型纳米发电结构的制作方法，包括：
制作第一感应单元，该第一感应单元包含第一感应电极层；
制作第二感应单元，该第二感应单元与第一感应单元相对设置，包含第二感应电极层；
制作三角波状结构，该三角波状结构包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层；以及
将驻极体层波峰的位置与第一感应单元连接，相邻波峰之间的驻极体层与第一感应单元之间形成第一空腔；将驻极体层波谷的位置与第二感应单元连接，相邻波谷之间的驻极体层与第二感应单元之间形成第二空腔。
在本公开的一实施例中，所述制作第一感应单元和/或制作第二感应单元的步骤中还包括：
制作压电单元的步骤，该压电单元集成于对应的感应电极层的外侧，该压电单元包含至少一组交替层叠的压电层和压电电极层，每个压电层的两侧为压电电极层。
在一实施例中，该制作方法中，包含压电单元的感应单元中，对应的感应电极层与相邻的压电电极层之间设置有柔性衬底。
在一实施例中，所述制作第一感应单元和制作第二感应单元的步骤包括：
制作分别呈叠层状形式的第一感应单元和第二感应单元的步骤；或者，
制作第一编织结构的步骤，所述第一感应单元作为第一编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第一条带结构编织形成所述第一编织结构，所述第一条带结构与第一感应单元表面存在电负性差异；和/或，
制作第二编织结构的步骤，所述第二感应单元作为第二编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第二条带结构编织形成所述第二编织结构，所述第二条带结构与第二感应单元表面存在电负性差异。
在一实施例中，制作三角波状结构的步骤包括如下步骤其中一种：
将所述外围层连同芯层以层状形式构造为三角波形状，得到三角波状结构；或者，
将所述芯层和外围层构造为条状，同时作为一第三编织结构中的纵向条带结构及横向条带结构，该纵向条带结构和该横向条带结构相互编织形成所述第三编织结构；将所述第三编织结构构造为呈三角波形状，得到呈三角波形状的第三编织结构即为三角波状结构，对应三角波状结构的波峰位置为第三编织结构中驻极体层波峰的位置，对应三角波状结构的波谷位置为第三编织结构中驻极体层波谷的位置。
根据本公开的第三个方面，提供了一种供能器件，包含本公开提及的任一种混合型纳米发电结构。
根据本公开的第四个方面，提供了一种自驱动传感器，包括本公开提及的任一种混合型纳米发电结构；
可选的，所述自驱动传感器为电子皮肤。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器，具有以下有益效果：
1、将驻极体和摩擦感应发电的形式结合起来，通过三角波状结构与第一感应单元及第二感应单元之间连接，在三角波状结构中，芯层为第一电极层，用于作为背电极，外围层为驻极体层，驻极体层内注入负离子成为亚稳态的带电体，并可以相当长时间内保持带电状态，从而在驻极体层表面形成高密度的表面电荷，并在周围空间中形成电场。在第一感应单元和第二感应单元中，在相邻波峰及波谷之间的驻极体层与对应的感应单元之间具有空腔(第一空腔和第二空腔)，当发电结构受外界压力、扭力等作用时，会发生相应的压缩、弯曲等形式的形变，各种形变使得感应电极与驻极体层之间的距离发生变化，从而产生电学输出，上述空腔为垂直于该发电结构的方向提供形变余量，空腔高度的变化即为感应电极和驻极体层之间距离的变化，通过巧妙的结构设计实现了自驱动(比如自驱动供能和自驱动传感)的同时，还增强了摩擦发电机的转化效率。
2、在此基础上，进一步通过在第一感应单元和第二感应单元至少一个中设置压电单元，同时集成了摩擦电产生的高电压和压电发电机产生的相对的大电流的优点，使该结构具有更高的转化效率，可作为可穿戴式无线传感设备来使用；
3、该混合型纳米发电结构既可以作为供能器件为其它电子设备提供能量，能量来源清洁且能量转化效率高，还可以作为自驱动传感器件来表征压力、扭转、弯曲等形式的外力，具有较好的应用前景，此外，该混合型纳米发电结构全部可由可降解材料制备，还具有环保的意义。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构示意图。
图2为如图1所示的混合型纳米发电结构的发电原理和输出电路示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的编织结构示意图。
图4和图5分别为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时对应的短路电流和开路电压的输出曲线。
图6为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被压缩时的摩擦电输出功率。
图7为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时的摩擦电输出功率。
图8为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时的压电输出功率。
图9为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时的总输出功率。
图10为混合型纳米发电结构形成编织结构后作为电子皮肤被戴在胳膊上，当手臂弯曲时对应的(a)短路电流和(b)开路电压的输出曲线。
【符号说明】
1-三角波状结构；
11-驻极体层； 12-第一电极层；
2-第一感应单元；
211-第一衬底； 212-第一感应电极层；
22-第一压电单元；
221-第一压电层； 222-第一压电电极层；
223-第三压电电极层；
3-第二感应单元；
311-第二衬底； 312-第二感应电极层；
32-第二压电单元；
321-第二压电层； 322-第二压电电极层；
323-第四压电电极层；
41-第一空腔； 42-第二空腔。
具体实施方式
本公开提出一种混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器，通过将驻极体和摩擦感应发电的形式结合起来，通过三角波状结构与第一感应单元及第二感应单元之间连接，实现了自驱动的同时，还增强了摩擦发电机的转化效率，在此基础上，进一步通过在第一感应单元和第二感应单元至少一个中设置压电单元，同时集成了摩擦电产生的高电压和压电发电机产生的相对的大电流的优点，使该结构具有更高的转化效率，可作为可穿戴式无线传感设备来使用，可以作为供能器件或者自驱动传感器，具有较好的应用前景。
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。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种混合型纳米发电结构。
图1为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构示意图。
参照图1所述，本公开的混合型纳米发电结构包括：第一感应单元2，包含第一感应电极层212；第二感应单元3，与第一感应单元2相对设置，包含第二感应电极层312；以及三角波状结构1，包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层12，外围层为驻极体层11；该驻极体层11波峰的位置与第一感应单元2连接，相邻波峰之间的驻极体层11与第一感应单元2之间具有第一空腔41；该驻极体层11波谷的位置与第二感应单元3连接，相邻波谷之间的驻极体层11与第二感应单元3之间具有第二空腔42。
下面结合附图对本实施例的混合型纳米发电结构各个部分进行详细介绍。
如图1所示，本实施例中，三角波状结构1，包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层12，外围层为驻极体层11。驻极体层11和第一电极层12均以层状形式被构造为三角波状，驻极体层11作为外围层，包裹于第一电极层12的外围。这里的驻极体层(外围层)和第一电极层(芯层)均以层状形式被构造为三角波状的含义是：芯层和包裹芯层的外围层整体的外形为三角波状，且芯层和包裹芯层的外围层以层状形式存在，这里的“层状形式”(材料制备成型后的状态)与后续要介绍的实施例中“编织状态”是区别的。
在本公开的一实施例中，所述第一感应电极层与驻极体层波峰的位置连接，或者所述第一感应单元中还包含第一弹性介电层，该第一弹性介电层位于第一感应电极层与驻极体层之间，该第一弹性介电层与驻极体层波峰的位置连接；
所述第二感应电极层与驻极体层波谷的位置连接，或者所述第二感应单元中还包含第二弹性介电层，该第二弹性介电层位于第二感应电极层与驻极体层之间，该第二弹性介电层与驻极体层波谷的位置连接。
本实施例中，如图1所示，以第一感应电极层212与驻极体层11波峰的位置连接，同时第二感应电极层312与驻极体层11波谷的位置连接进行示例。
在其它实施例中，感应电极层可以不是直接与驻极体层进行接触，在感应电极层和驻极体层之间可以设置其它材料层，但要求该材料层为不导电的介电材料，且这里的介电材料层必须是具有弹性的材料，能够使感应电极层和驻极体层之间的距离可变，比如，在感应电极层和驻极体层之间设置有弹性介电层，由该弹性介电层实现与驻极体层的直接连接，在外力作用下，整个混合型纳米发电结构发生形变，由于弹性介电层具有弹性，能够实现形变的反映和传递，对应三角波状结构中的驻极体层与感应电极层之间的距离发生变化，从而对应发生驻极体纳米发电的过程，该驻极体纳米发电的原理将于后面进行详细介绍。
在本公开的一实施例中，所述第一感应单和第二感应单元至少其中一个还包括：压电单元，集成于对应的感应电极层的外侧，该压电单元包含至少一组交替层叠的压电层和压电电极层，每个压电层的两侧为压电电极层。
在本公开的一实施例中，包含压电单元的感应单元中，对应的感应电极层与相邻的压电电极层之间设置有柔性衬底。
例如本实施例中，两个感应单元均包含压电单元，第一感应单元2包含第一压电单元22，第二感应单元3包含第二压电单元32，那么第一感应电极层212与相邻的压电电极层(对应为第一压电电极层222)之间设置有第一衬底211，第二感应电极层312与相邻的压电电极层(对应为第二压电电极层322)之间设置有第二衬底311。
本实施例中，参照图1所示，第一感应单元2依次包含：第一感应电极层212、第一衬底211以及第一压电单元22。第二感应单元3依次包含：第二感应电极层312、第二衬底311以及第二压电单元32。其中，第一衬底211和第二衬底311均为柔性衬底，其材料例如为PLA(聚乳酸)，为可降解材料。
其中，在第一感应单元2和第二感应单元3中设置柔性衬底(包括第一衬底211和第二衬底311)的目的是作为该混合型纳米发电结构的载体，该载体可供电极层沉积于其表面，这里的电极层包括：感应电极层和压电单元中的压电电极层，进一步使得沉积于该载体表面的感应电极层与三角波状的驻极体层围成空腔，使得沉积于该载体表面的压电电极层随着该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变，整体而言，该柔性衬底的设置既可以使驻极体层保持相应的形状又可在弯曲时给对应的压电单元(包含第一压电单元22和第二压电单元32)提供应力。
继续参照图1所示，第一压电单元22包含：第一压电层221以及分别位于第一压电层221上下两侧的压电电极层，这里以第一压电电极层222和第三压电电极层223示意；第二压电单元32包含：第二压电层321以及分别位于第二压电层321上下两侧的压电电极层，这里以第二压电电极层322和第四压电电极层323示意。
当然，本实施例以第一感应单元和第二感应单元均包括压电单元进行示例，在其它实施例中，可以仅仅是第一感应单元和第二感应单元中的一个包括压电单元。
本实施例中，第一感应单元与第二感应单元的结构相同，为对称结构，在其它实施例中，二者的结构可以不同，比如压电单元的层数可以不同或者其中一个可以不包含压电单元；另外，各个层中的材料可以相同，也可以不同，比如，第一压电电极层222和第三压电电极层223的材料可以相同或不同，其他层类似。
另外，如图1中虚线延伸出来的压电单元结构所示意，上述实施例中仅以压电单元包含一组交替层叠的压电层和压电电极层进行示意，在其它实施例中，压电单元至少包含一组交替层叠的压电层和压电电极层，比如两组或者更多组数，只要保证每个压电层的两侧为压电电极层即可，例如图1中示意的两组交替层叠的压电层和压电电极层，并且在两个压电层中的每个压电层的两侧均为压电电极层。
在本公开的一实施例中，所述第一感应单元、第二感应单元和三角波状结构的材料均为可降解材料或可回收材料。
比如，第一感应单元和第二感应单元中，压电单元中压电层(包含第一压电层221和第二压电层321)为可降解材料，例如为：PLLA(左旋聚乳酸)，PVDF(聚偏氟乙烯)、PVDF-TrFE(聚偏二三氟共聚物)或是其他压电薄膜；压电电极层(包含第一压电电极层222、第三压电电极层223、第二压电电极层322和第四压电电极层323)为可回收材料。三角波状结构中，驻极体层的材料例如为PLLA，通过电晕极化的方式将空气分子电离并将负离子注入到驻极体材料层内，第一电极层12的材料为可回收材料。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变时，所述第一感应电极层与驻极体层之间和/或第二感应电极层与驻极体层之间的距离发生变化，在所述第一感应电极层与第一电极层之间及第二感应电极层与第一电极层之间均产生第一电学输出。
可选的，第一感应电极层与第二感应电极层并联连接作为其中一个电学输出端，对应第一电极层作为另一个电学输出端。
对于在第一感应单元和第二感应单元至少一个中包含压电单元的情形；在上述介绍的由驻极体发电产生电学输出的同时，所述压电单元中的压电层由于所述形变受到剪切应力，在压电层上下表面的压电电极层上产生第二电学输出。
本公开的驻极体层经过电晕极化，使其长期具有稳定的内部电荷以及高的表面电势，当混合型纳米发电结构(例如作为电子皮肤)受到外力发生形变时，第一感应电极层和驻极体层之间及第二感应电极层和驻极体层之间的距离发生相应的变化，根据高斯定理，第一感应电极层和第二感应电极层上的表面电荷与表面电势会发生相对应的变化，为达到新的稳定态电荷在第一感应电极层和第一电极层之间及第二感应电极层和第一电极层之间通过外电路发生相应的再分配，即电荷通过外电路在第一感应电极层和第一电极层之间及第二感应电极层和第一电极层之间转移产生电流，从而实现驻极体的自驱动发电过程，将机械能转化为电能，或将机械信号转化为电信号。另外，对于包含压电单元的感应单元来说，除了上面描述的驻极体发电过程之外，还包含压电单元的压电发电过程。压电层(或压电膜)经过拉伸、退火等前期处理，当混合型纳米发电结构(例如作为电子皮肤)在外力作用下发生弯曲形变使该压电单元受到剪切方向的应力时，在垂直于压电层/膜表面方向产生剩余偶极矩并在其上下表面的压电电极层上感应出相应的电荷。那么电子在压电层两侧的压电电极层之间转移产生电流，例如，本实施例中，电子在第一压电电极层和第三压电电极层之间及第二压电电极层和第四压电电极层之间转移产生电流，实现机械能到电能的转化。
图2为如图1所示的混合型纳米发电结构的发电原理和输出电路示意图。
参照图2所示，本实施例中的该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变时，对应混合型纳米发电结构发生形变，例如在图2中示例的向下的压力作用下对应在受力位置附近产生向下凹陷的形变，即产生一具有弧度的弯曲(图2中未示意形变)；所述第一感应电极层212与驻极体层11之间和/或第二感应电极层312与驻极体层11之间的距离发生变化，根据高斯定理，第一感应电极层212和第二感应电极层312上的感应电荷密度增加，为了保持电荷平衡，第一电极层12上的电荷密度减小。在所述第一感应电极层212与第一电极层12之间及第二感应电极层312与第一电极层12之间均产生电势差。在实际应用中用导线将第一感应电极层212和第二感应电极层312并联在一起，这样基于驻极体发电的电学信号由图2中示意的电极对a输出。在外力作用下第一衬底211和第二衬底311发生弯曲，相应地第一压电层221受到压应力和和第二压电层321收到拉应力，并在它们的压电电极层上产生电势差。如图2所示，在实际应用中将第一压电电极层222和第二压电电极层322并联、将第三压电电极层223和第四压电电极层323并联，这样基于压电发电的电学信号由电极对b输出。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构还包括：全波整流电路，该全波整流电路用于对第一电学输出和第二电学输出进行调制并将调制后的电学输出串流在一起进行输出，得到驻极体感应信号和压电信号协同输出的电信号。
本实施例中，当器件发生弯曲时，由于三角波状结构1将第一感应单元2和第二感应单元3连接，第一衬底211和第二衬底311相互束缚，导致处于弯曲内侧的衬底(比如这里为第一衬底211)弯曲曲率大于外侧衬底(比如第二衬底311)的曲率，这样就使得三角波状结构1被挤压，导致第一感应电极层212与第一电极层12之间及第二感应电极312与第一电极层12之间距离减小，即在三角波状结构1中第一空腔41和第二空腔42对应的上下距离减小，对应驻极体层11波峰和波谷的幅值减小。同时，第一压电层221受到压应力和第二压电层321受到拉应力，在对应电极层两侧的压电电极层上产生压电信号。因此在电子皮肤被弯曲时，同时产生驻极体感应信号和压电信号。驻极体感应信号具有电压高、电流小的特点，然而压电信号则相反，电压较小，然而电流较大。将驻极体感应信号和压电信号分别经过一个全波整流电路调制后，将调制后的电信号串流在一起就实现了驻极体感应信号和压电信号的协同输出，得到的输出电信号为高电压、高电流信号。
在本公开的一实施例中，该混合型纳米发电结构进一步还包括：能量管理电路，该能量管理电路用于调制全波整流电路协同输出的电信号，使电压降低同时使电流增大，形成适用于电子设备的直流恒压电源。
综上所述，本实施例通过将驻极体和摩擦感应发电的形式结合起来，通过三角波状结构与第一感应单元及第二感应单元之间连接，在三角波状结构中，芯层为第一电极层，用于作为背电极，外围层为驻极体层，驻极体层内注入负离子成为亚稳态的带电体，并可以相当长时间内保持带电状态，从而在驻极体层表面形成高密度的表面电荷，并在周围空间中形成电场。在第一感应单元和第二感应单元中，在相邻波峰及波谷之间的驻极体层与对应的感应单元之间具有空腔(第一空腔和第二空腔)，当发电结构受外界压力、扭力等作用时，会发生相应的压缩、弯曲等形式的形变，各种形变使得感应电极与驻极体层之间的距离发生变化，从而产生电学输出，上述空腔为垂直于该发电结构的方向提供形变余量，空腔高度的变化即为感应电极和驻极体层之间距离的变化，通过巧妙的结构设计实现了自驱动(比如自驱动供能和自驱动传感)的同时，还增强了摩擦发电机的转化效率。另外，在此基础上，进一步通过在第一感应单元和第二感应单元至少一个中设置压电单元，同时集成了摩擦电产生的高电压和压电发电机产生的相对的大电流的优点，使该结构具有更高的转化效率，可作为可穿戴式无线传感设备来使用。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种混合型纳米发电结构。本实施例与第一个实施例中的混合型纳米发电结构相比，唯一区别在于：本实施例中，所述第一感应单元和所述第二感应单元至少其中一个为编织结构。通过编织的形式使得该混合型纳米发电结构的柔性增加且耐用。
图3为根据本公开一实施例所示的编织结构示意图。
在一实施例中，所述第一感应单元作为一第一编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第一条带结构编织形成所述第一编织结构，所述第一条带结构与第一感应单元表面存在电负性差异；和/或，
所述第二感应单元作为一第二编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第二条带结构编织形成所述第二编织结构，所述第二条带结构与第二感应单元表面存在电负性差异。
如图3所示，本实施例以所述第一感应单元和所述第二感应单元均为编织结构进行示例，该编织结构中，包含相互编织的纵向条带结构和横向条带结构，其中纵向条带结构或横向条带结构其中一个依次包含：压电单元、柔性衬底以及感应电极层，对应另外一个条带结构与所述其中一个条带结构的表面电负性存在差异。
比如，在一个编织结构中，该编织结构由第一感应单元形成，其纵向条带结构由第一感应单元充当，即该纵向条带结构依次包含：第一压电单元22、第一衬底211以及第一感应电极层212；另外的横向条带结构与纵向条带结构的结构不同，二者的表面电负性存在差异，这里以第一衬底211制作为带状PLA膜(比如切割为条状的PLA膜)作为横向条带结构进行示例。
第三实施例
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种混合型纳米发电结构。本实施例与第一个实施例中的混合型纳米发电结构相比，唯一区别在于：本实施例中，所述三角波状结构为第三编织结构。通过编织的形式使得该混合型纳米发电结构的柔性增加且耐用。即第一实施例中三角波状结构呈现沿着延伸方向具有波峰和波谷的条带或者平面，该条带或者平面为单一的层状结构，全文以“层状形式”进行概括；而在本实施例中，所述三角波状结构为一呈三角波形状的第三编织结构，所述芯层和外围层被构造为条状，同时作为该第三编织结构中的纵向条带结构及横向条带结构，该纵向条带结构和该横向条带结构相互编织形成所述第三编织结构，对应三角波状结构的波峰位置为第三编织结构中驻极体层波峰的位置，对应三角波状结构的波谷位置为第三编织结构中驻极体层波谷的位置。
图3为根据本公开一实施例所示的编织结构示意图。
如图3所示，本实施例中，所述三角波状结构为第三编织结构，第三编织结构整体呈现三角波状，可以通过模型压制或者其他形式实现上述形状，该第三编织结构中，包含相互编织的第三纵向条带结构和第三横向条带结构，所述第三纵向条带结构和第三横向条带结构均包含：芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层。
上述第二实施例和第三实施例两个实施例中，编织结构和第三编织结构可以同时都有，即三角波状结构制作为第三编织结构，同时第一感应单元和所述第二感应单元至少其中一个为编织结构(第一编织结构和/或第二编织结构)；或者仅将第一感应单元和/或第二感应单元制作成编织结构，或者，仅将三角波状结构制作成第三编织结构。
第四实施例
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种混合型纳米发电结构的制作方法。
本实施例的混合型纳米发电结构的制作方法，包括：
步骤S41：制作第一感应单元，该第一感应单元包含第一感应电极层；制作第二感应单元，该第二感应单元与第一感应单元相对设置，包含第二感应电极层；
本实施例中，该步骤S41包括：制作分别呈叠层状形式的第一感应单元和第二感应单元的步骤；
在本公开的一实施例中，所述制作第一感应单元和/或制作第二感应单元的步骤中还包括：
制作压电单元的步骤，该压电单元集成于对应的感应电极层的外侧，该压电单元包含至少一组交替层叠的压电层和压电电极层，每个压电层的两侧为压电电极层。
在一实施例中，进一步的，包含压电单元的感应单元中，对应的感应电极层与相邻的压电电极层之间设置有柔性衬底。
下面以一具体实例介绍制作压电单元的详细过程。
步骤a：制备压电层。
具体地，本实例以采用溶液浇注法(也可以是其他方法)制备压电层作为示例，压电层材料可以是PVDF、PVDF-TrFE、PLLA或是其他压电薄膜，此实施例以PLLA为例进行阐述。
通过把PLLA(MW＝260 000，polydispersity index≤1，Sigma-Aldrich Corp，USA)粉末溶解在二氯甲烷中然后在室温下搅拌4小时来制备PLLA溶液。准备好的均一的溶液被浇筑在干净的钢板上，在室温下干燥24小时使溶剂完全挥发。
将干燥好的厚度为17微米的PLLA膜从钢板上揭下来并进行单向拉伸四倍，并将拉伸后的膜在炉子中135℃退火4个小时。然后沿着跟拉伸方向呈45°角的方向将PLLA膜切割成长5cm、宽4cm的长方形，得到压电层。
步骤b：在压电层的一面制备压电电极层；
制备方法可以是磁控溅射或者其他薄膜材料生长方式。
步骤c：制备双层压电层；
具体地，先用溶液浇注法制备2微米厚的PLA膜，将一个厚度2微米的PLA膜放置在上述PLLA膜的压电电极层和一个没有电极的PLLA膜中间，然后在热压机中用155℃热压30分钟使PLA膜熔化。然后随热压机缓慢降温，使熔融的PLA在此凝固将两层PLLA膜粘结在一起，得到双层压电层。
步骤d：在上述双层压电层的上下表面溅射电极，得到压电单元。
下面以实例介绍制作感应电极的过程。
步骤e：用溶液浇注法制备PLA衬底(柔性衬底)，并在其一面上制备感应电极；
将上述制备得到的压电单元和感应电极集成为感应单元整体的结构。
步骤f：将上述步骤d得到的压电单元固定于上述步骤e中衬底没有镀电极的一面；
固定的方式例如为采用双面胶进行胶粘的形式，从而得到依次包含压电单元、柔性衬底以及感应电极层的感应单元。
步骤S42：制作三角波状结构，该三角波状结构包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层；
该步骤S42包括：制作包含芯层的外围层；在外围层进行电晕充电；将包含芯层的外围层制作为三角波状；上述进行电晕充电的步骤和形状制作的步骤可以交换顺序。
上述实施例中，步骤S42包括：将所述外围层连同芯层以层状形式构造为三角波形状，得到三角波状结构。在其他实施例中，例如后面介绍的第五实施例中，制备三角波状结构的步骤可以不同，可以是编织形式。
制作包含芯层的外围层的方法包括：先制备两个用作驻极体层的薄膜，在两个薄膜中的一个薄膜上沉积电极材料，然后将两个薄膜相对放置使电极置于两个薄膜之间，采用热压的方式使得薄膜表层融化并通过快速冷却的方式使得两个薄膜的外围连接成一个整体，从而使得电极层作为芯层，外围的两个薄膜合并为包裹在芯层外侧的外围层。
具体地，在一实例中，首先用溶液浇筑法制备两个厚度为10微米的PLA(REVODE110，Zhejiang haizheng biological material co，LTD，Zhejiang)膜。在其中一个PLA膜的一个面上镀电极，将另一个膜放在前述膜的电极上使电极在两层膜中间。然后进行150℃热压30分钟使PLA膜表面层融化。随后用冷水使PLA膜快速降温，在降温过程中熔融的表面层重新凝固使两层PLA膜粘在一起。这里快速降温是为了降低PLA膜的结晶度以保证驻极体膜具有优良的柔性。最后将双层的PLA膜放置在模具中，经过50℃热压30分钟形成三角波形结构。以及对上述驻极体膜进行电晕充电。
步骤S43：将驻极体层波峰的位置通过第一感应电极层与第一感应单元连接，相邻波峰之间的驻极体层与第一感应单元之间形成第一空腔；将驻极体层波谷的位置通过第二感应电极层与第二感应单元连接，相邻波谷之间的驻极体层与第二感应单元之间形成第二空腔；
本实施例中，进行连接的方式例如为粘接或者其他方式。
第五实施例
在本公开的第五个示例性实施例中，提供了一种混合型纳米发电结构的制作方法。该实施例的制作方法与第四实施例相比，区别之处在于：步骤S41不是制作分布呈叠层状形式的第一感应单元和第二感应单元，而是制作呈编织结构第一感应单元和/或第二感应单元的步骤，即本实施例中将所述第一感应单元和/或所述第二感应单元制作成编织结构。
具体的，包括：
制作第一编织结构的步骤，所述第一感应单元作为第一编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第一条带结构编织形成所述第一编织结构，所述第一条带结构与第一感应单元表面存在电负性差异；和/或，
制作第二编织结构的步骤，所述第二感应单元作为第二编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第二条带结构编织形成所述第二编织结构，所述第二条带结构与第二感应单元表面存在电负性差异。
在一实例中，该编织结构中，包含相互编织的纵向条带结构和横向条带结构，其中纵向条带结构或横向条带结构其中一个依次包含：压电单元、柔性衬底以及感应电极层，对应另外一个条带结构与所述其中一个条带结构的表面电负性存在差异。
在本实施例中，与上述第四实施例不同，制作三角波状结构采用如下步骤：
将所述芯层和外围层构造为条状，同时作为一第三编织结构中的纵向条带结构及横向条带结构，该纵向条带结构和该横向条带结构相互编织形成所述第三编织结构；将所述第三编织结构构造为呈三角波形状，得到呈三角波形状的第三编织结构即为三角波状结构，对应三角波状结构的波峰位置为第三编织结构中驻极体层波峰的位置，对应三角波状结构的波谷位置为第三编织结构中驻极体层波谷的位置。
第六实施例
在本公开的第六个示例性实施例中，提供了一种供能器件，包含本公开提及的任一种混合型纳米发电结构。
在该混合型纳米发电结构中，由于同时耦合了两种形式的发电方式，在集成了驻极体感应发电和压电发电的形式下如何实现电学输出，二者如何互相影响以及如何实现协同输出，本领域技术人员无法直接确定其效果，因此本实施例通过各个实验进行了具体介绍，以表明本申请提出的该混合型纳米发电结构付出的努力。
图4和图5分别为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时对应的短路电流和开路电压的输出曲线。
如图4和图5所示，分为断开的两部分图进行示意，左侧示意了变化趋势图，右侧分别示意了在一个弯折周期内的短路电流和开路电压输出曲线，在后侧的图中，依次为初始状态(Initial)(表示未发生弯曲形变的状态)、向上弯曲(Bend upward)至最大形变(MaxDeformation)、恢复(Recover)至初始状态(Initial)、向下弯曲(Bend downward)至最大形变(Max Deformation)以及恢复(Recover)至初始状态(Initial)一个弯曲周期内的电流或电压变化曲线，其中，这里的输出曲线是驻极体(电极对a)和压电(电极对b)分别测得的信号，且都是未经过整流的电信号。压电层为双层。T-ENG表示驻极体发电机(电极对a)的输出信号，PENG表示压电发电机(电极对b)的输出信号。
图6为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被压缩时的摩擦电输出功率，对应电极对a的输出。
如图6所示，混合型纳米发电结构被压缩时，负载电压随着负载电阻的增大而增大，相应地输出功率随着负载电阻的增大先增大，在负载电阻为7MΩ时输出功率达到最大值，然后输出功率又逐渐减小。这里的输出功率最大值对应的负载电阻为驻极体纳米发电机(对应为三角波状结构和感应电极层形成的发电结构，电学输出为电极对a)的匹配电阻，匹配电阻的大小等于发电机的内部电阻。由此驻极体纳米发电机的内部电阻很大，这严重地阻碍了其输出功率的提高。
图7为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时的摩擦电输出功率，对应电极对a的输出。
如图7所示，混合型纳米发电结构被弯曲时，负载电压随着负载电阻的增大而增大，相应地输出功率随着负载电阻的增大先增大，在负载电阻为8MΩ左右时输出功率达到最大值，然后输出功率又逐渐减小。这里的输出功率最大值对应的负载电阻为驻极体纳米发电机(对应为三角波状结构和感应电极层形成的发电结构，电学输出为电极对a)的匹配电阻，匹配电阻的大小等于发电机的内部电阻。由此驻极体纳米发电机的内部电阻很大，这严重地阻碍了其输出功率的提高。
图8为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时的压电输出功率，对应电极对b的输出。m＝4.71g，f＝19.7Hz，其中m表示测试中所用的负载质量，f表示测试时外界驱动力的频率。这里的所有压电的数据均为双层压电膜的数据。
如图8所示，压电的负载电压(VR-Load)随着负载电阻的增大而增大，相应地输出功率随着负载电阻的增大先增大，在负载电阻为0.55MΩ时输出功率达到最大值，然后输出功率又逐渐减小。这里的输出功率最大值对应的负载电阻为压电发电机(对应为压电单元，电学输出为电极对b)的匹配电阻，匹配电阻的大小等于发电机的内部电阻。由此看出压电发电机的内部电阻很很小，这有利于压电发电机的电流输出。
图9为根据本公开一实施例所示的混合型纳米发电结构被弯曲时的总输出功率。
如图9所示，混合型纳米发电结构的负载电压(VLoad)随着负载电阻的增大而增大，相应地输出功率随着负载电阻的增大先增大，在负载电阻为0.55MΩ时输出功率达到最大值，然后输出功率又逐渐减小。这里的输出功率最大值对应的负载电阻为混合型纳米发电结构的匹配电阻，匹配电阻的大小等于该混合型纳米发电结构的内部电阻。图9中总功率比图7驻极体和图8中压电的功率都大，证明驻极体和压电的结合提高了能量转换效率。
由上述性能曲线可知，将混合型纳米发电结构作为供能器件时，该供能器件同时集成了摩擦电产生的高电压和压电发电机产生的相对的大电流的优点，具有较高的能量转换效率。
第七实施例
在本公开的第七个示例性实施例中，提供了一种自驱动传感器，包括本公开提及的任一种混合型纳米发电结构。
本实施例中，所述自驱动传感器为电子皮肤，采用编织形式的混合型纳米发电结构。
图10为混合型纳米发电结构形成编织结构后作为电子皮肤被戴在胳膊上，当手臂弯曲时对应的(a)短路电流和(b)开路电压的输出曲线。
由图10中(a)和(b)可以看出，当手臂弯曲时电子皮肤产生电流为1μA，电压为35V的电信号，这说明了电子皮肤可实现模仿人体皮肤感知外界力信号。同时电子皮肤大面积应用时，例如用于制作衣服等，可提供输出功率，用于为手机、手环、手表等便携式电子设备提供能量。
综上所述，本公开提供了一种混合型纳米发电结构及其制作方法、供能器件、传感器，将驻极体和摩擦感应发电的形式结合起来，通过三角波状结构与第一感应单元及第二感应单元之间连接，在三角波状结构中，芯层为第一电极层，用于作为背电极，外围层为驻极体层。当发电结构受外界压力、扭力等作用时，会发生相应的压缩、弯曲等形式的形变，各种形变使得感应电极与驻极体层之间的距离发生变化，从而产生电学输出，上述空腔为垂直于该发电结构的方向提供形变余量，空腔高度的变化即为感应电极和驻极体层之间距离的变化，通过巧妙的结构设计实现了自驱动(比如自驱动供能和自驱动传感)的同时，还增强了摩擦发电机的转化效率；在此基础上，进一步通过在第一感应单元和第二感应单元至少一个中设置压电单元，同时集成了摩擦电产生的高电压和压电发电机产生的相对的大电流的优点，使该结构具有更高的转化效率，可作为可穿戴式无线传感设备来使用；该混合型纳米发电结构既可以作为供能器件为其它电子设备提供能量，能量来源清洁且能量转化效率高，还可以作为自驱动传感器件来表征压力、扭转、弯曲等形式的外力，具有较好的应用前景，此外，该混合型纳米发电结构全部可由可降解材料制备，还具有环保的意义。
还需要说明的是，虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。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。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
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。
除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。
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 (16)
1.一种混合型纳米发电结构，其特征在于，包括：
第一感应单元，包含第一感应电极层；
第二感应单元，与第一感应单元相对设置，包含第二感应电极层；以及
三角波状结构，包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层；驻极体层波峰的位置与第一感应单元连接，相邻波峰之间的驻极体层与第一感应单元之间具有第一空腔；驻极体层波谷的位置与第二感应单元连接，相邻波谷之间的驻极体层与第二感应单元之间具有第二空腔。
2.根据权利要求1所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，
所述第一感应单元和第二感应单元至少其中一个还包括：压电单元，集成于对应的感应电极层的外侧，该压电单元包含至少一组交替层叠的压电层和压电电极层，每个压电层的两侧为压电电极层。
3.根据权利要求2所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，包含压电单元的感应单元中，对应的感应电极层与相邻的压电电极层之间设置有柔性衬底。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，
所述第一感应电极层与驻极体层波峰的位置连接，或者，
所述第一感应单元中还包含第一弹性介电层，该第一弹性介电层位于第一感应电极层与驻极体层之间，该第一弹性介电层与驻极体层波峰的位置连接；
所述第二感应电极层与驻极体层波谷的位置连接，或者，
所述第二感应单元中还包含第二弹性介电层，该第二弹性介电层位于第二感应电极层与驻极体层之间，该第二弹性介电层与驻极体层波谷的位置连接。
5.根据权利要求1所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变时，所述第一感应电极层与驻极体层之间和/或第二感应电极层与驻极体层之间的距离发生变化，在所述第一感应电极层与第一电极层之间及第二感应电极层与第一电极层之间均产生第一电学输出；
可选的，所述第一感应电极层和第二感应电极层并联，共同作为一个电学输出端，第一电极层作为另一个电学输出端。
6.根据权利要求2所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，该混合型纳米发电结构在外力作用下发生形变时，所述第一感应电极层与驻极体层之间和/或第二感应电极层与驻极体层之间的距离发生变化，在所述第一感应电极层与第一电极层之间及第二感应电极层与第一电极层之间均产生第一电学输出；同时，所述压电单元中的压电层由于所述形变受到剪切应力，在压电层上下表面的压电电极层上产生第二电学输出。
7.根据权利要求6所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，还包括：全波整流电路，该全波整流电路用于对第一电学输出和第二电学输出进行调制并将调制后的电学输出串流在一起进行输出，得到驻极体感应信号和压电信号协同输出的电信号。
8.根据权利要求7所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，还包括：能量管理电路，该能量管理电路用于调制全波整流电路协同输出的电信号，使电压降低同时使电流增大，形成适用于电子设备的直流恒压电源。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，
所述第一感应单元和第二感应单元分别为叠层状形式；或者，
所述第一感应单元作为一第一编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第一条带结构编织形成所述第一编织结构，所述第一条带结构与第一感应单元表面存在电负性差异；和/或，
所述第二感应单元作为一第二编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第二条带结构编织形成所述第二编织结构，所述第二条带结构与第二感应单元表面存在电负性差异。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，
所述三角波状结构中，外围层连同芯层以层状形式被构造为三角波形状；或者，
所述三角波状结构为一呈三角波形状的第三编织结构，所述芯层和外围层被构造为条状，同时作为该第三编织结构中的纵向条带结构及横向条带结构，该纵向条带结构和该横向条带结构相互编织形成所述第三编织结构，对应三角波状结构的波峰位置为第三编织结构中驻极体层波峰的位置，对应三角波状结构的波谷位置为第三编织结构中驻极体层波谷的位置。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的混合型纳米发电结构，其特征在于，所述第一感应单元、第二感应单元和三角波状结构的材料均为可降解材料或可回收材料。
12.一种如权利要求1-11中任一项所述混合型纳米发电结构的制作方法，其特征在于，包括：
制作第一感应单元，该第一感应单元包含第一感应电极层；
制作第二感应单元，该第二感应单元与第一感应单元相对设置，包含第二感应电极层；
制作三角波状结构，该三角波状结构包含芯层和包裹该芯层的外围层，芯层为第一电极层，外围层为驻极体层；以及
将驻极体层波峰的位置与第一感应单元连接，相邻波峰之间的驻极体层与第一感应单元之间形成第一空腔；将驻极体层波谷的位置与第二感应单元连接，相邻波谷之间的驻极体层与第二感应单元之间形成第二空腔。
13.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述制作第一感应单元和/或制作第二感应单元的步骤中还包括：
制作压电单元的步骤，该压电单元集成于对应的感应电极层的外侧，该压电单元包含至少一组交替层叠的压电层和压电电极层，每个压电层的两侧为压电电极层；
可选的，包含压电单元的感应单元中，对应的感应电极层与相邻的压电电极层之间设置有柔性衬底。
14.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述制作第一感应单元和制作第二感应单元的步骤包括：
制作分别呈叠层状形式的第一感应单元和第二感应单元的步骤；或者，
制作第一编织结构的步骤，所述第一感应单元作为第一编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第一条带结构编织形成所述第一编织结构，所述第一条带结构与第一感应单元表面存在电负性差异；和/或，
制作第二编织结构的步骤，所述第二感应单元作为第二编织结构中的纵向条带结构或横向条带结构，与一第二条带结构编织形成所述第二编织结构，所述第二条带结构与第二感应单元表面存在电负性差异；
可选的，制作三角波状结构的步骤包括如下步骤其中一种：
将所述外围层连同芯层以层状形式构造为三角波形状，得到三角波状结构；或者，
将所述芯层和外围层构造为条状，同时作为一第三编织结构中的纵向条带结构及横向条带结构，该纵向条带结构和该横向条带结构相互编织形成所述第三编织结构；将所述第三编织结构构造为呈三角波形状，得到呈三角波形状的第三编织结构即为三角波状结构，对应三角波状结构的波峰位置为第三编织结构中驻极体层波峰的位置，对应三角波状结构的波谷位置为第三编织结构中驻极体层波谷的位置。
15.一种供能器件，其特征在于，包含权利要求1-14中任一项所述的混合型纳米发电结构。
16.一种自驱动传感器，其特征在于，包含权利要求1-14中任一项所述的混合型纳米发电结构；
可选的，所述自驱动传感器为电子皮肤。
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