CN111193429A - 摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及其系统 - Google Patents

Abstract

一种摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及系统，摩擦纳米发电机，包括：第一摩擦单元，包含第一摩擦层；第二摩擦单元，包含：第二支撑层；第二摩擦层，设置于第二支撑层与第一摩擦层接触摩擦的一面；以及电荷收集层，设置于第二支撑层中与第二摩擦层相邻的至少一个侧面上，与第一摩擦层之间有空气隙并与第二摩擦层存在间距；其中，电荷收集层和第二摩擦层分别作为该摩擦纳米发电机的电学输出端。该发电机实现机械能到直流电能的直接转换，无需使用额外的电源管理电路，简化了电路设计。该传感器可用于监测运动物体的速度、加速度、位移、角度、频率和转速等信息；并且可对运动轨迹进行实时跟踪和成像，在传感领域具有巨大的应用潜力。

Description

摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及其系统

技术领域

本公开属于传感技术与自驱动技术领域，涉及一种摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及系统。

背景技术

随着智能终端，移动网络和智能物联网的快速发展，传感器的性能要求不断的提高。传统传感器的原理主要基于光波、电磁波、压电、电容等技术，在灵敏度、稳定性、线性度上具有优良的性能。随着传感器数量的增多，传感器的整体功耗急剧增加，这些能源往往依靠外部电池提供。但是电池需要经常充电、更换以及回收处理，因此寻求一种可持续的能量源构建自驱动传感是未来传感器的一大发展方向。

目前，自驱动传感供电主要靠收集环境中的能量，诸如太阳能、热能以及风能等，而太阳能发电需要太阳光照，热电发电机依赖于温度差，风力发电机需要工作在风能充裕的环境。上述能源的获取途径均受到限制。

摩擦纳米发电机主要是利用材料摩擦电极序的不同，在摩擦接触的过程中实现电子转移，通过电势差驱动自由电子流移动。纳米发电机可以收集周围环境能量进行发电，将机械能转换为电能，驱动电子器件运行。相比传统电磁感应发电机，纳米发电机体积小质量轻，可以作为便携器件、植入器件等小型自驱动设备使用。

其中接触分离模式和单电极模式的摩擦纳米发电机由于自身的结构特点具有较强的实用性。但是目前，摩擦纳米发电机的输出通常是交流的，需要使用整流桥来实现直流输出，然后才可用于驱动电子器件，设计复杂。同时，现有的可直接实现直流输出的摩擦纳米发电机的输出电压却很低，无法用来驱动电子器件。目前的自驱动传感涉及基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机，它可以将环境中的机械能转换为电能为传感设备供电，或者将外部的运动转换成电容器的电压信号，以此检测外部运动。但是仍然存在如下问题：输出信号容易受到电磁干扰，无法用于非线性表面的传感。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及发电系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的第一个方面，提供了一种摩擦纳米发电机，包括：第一摩擦单元100，包含第一摩擦层101；第二摩擦单元200，包含：第二支撑层201；第二摩擦层202，设置于所述第二支撑层201与所述第一摩擦层101接触摩擦的一面；以及电荷收集层203，设置于所述第二支撑层201中与第二摩擦层202相邻的至少一个侧面上，与第一摩擦层101之间有空气隙，并与所述第二摩擦层202存在间距；其中，所述电荷收集层203和所述第二摩擦层202分别作为该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端；第一摩擦层101与第二摩擦层202相互接触的表面的材料处于不同的摩擦电序列，所述第一摩擦层与第二摩擦层互相滑动摩擦时，在所述第一输出端和第二输出端之间有电信号输出。

在本公开的一些实施例中，所述第二支撑层201为柱体、台体或椎体之一或其组合，所述电荷收集层203分布于该第二支撑层201的周面或侧面。

在本公开的一些实施例中，所述第一摩擦层101的材料为介电材料；

所述第二摩擦层(202)与所述电荷收集层(203)的材料为导电材料；

作为优选，所述介电材料为驻极体材料。

在本公开的一些实施例中，所述电荷收集层203与所述第二摩擦层202的间距为预设距离，该预设距离为1mm～50mm。

在本公开的一些实施例中，所述第一摩擦单元100与第二摩擦单元200其中一个作为定子，另外一个作为转子，所述第二支撑层201包含多个扇形结构，所述第二摩擦层202设置于各个扇形结构的接触摩擦的扇面上，所述电荷收集层203设置于各个扇形结构的侧面上；

可选的，所述第二支撑层201为风扇形或者轮毂形；

可选的，所述第一摩擦单元100为圆盘形。

在本公开的一些实施例中，所述第一摩擦单元100中还包含：缓冲结构；和/或，

所述第一摩擦层101与所述第二摩擦层202中至少之一制作有微纳结构。

在本公开的一些实施例中，所述多个扇形结构之间预设夹角为1°～90°，每个扇形对应的圆心角为1°～90°。

在本公开的一些实施例中，上述方案的任一种方案中，所述电荷收集层203的个数N≥1个，当所述电荷收集层203的个数大于1个时，位于不同侧面的电荷收集层203之间存在间距，所有的电荷收集层203连接在一起，共同作为该摩擦纳米发电机的一个公共输出端，该公共输出端为第一输出端，所述第二摩擦层202作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。

在本公开的一些实施例中，所述电荷收集层203的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层203之间存在间距，各个电荷收集层203单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦层202作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。

根据本公开的第二个方面，提供了一种自驱动矢量传感器，包括：上述任一种摩擦纳米发电机，其中，该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端作为该矢量传感器的信号输出端。

在本公开的一些实施例中，该自驱动矢量传感器的信号输出端的电压变化用于表征运动速度、加速度以及位移，其中该电压变化包含：电压值的变化以及电压的一阶导数与二阶导数。

在本公开的一些实施例中，该自驱动矢量传感器的信号输出端的电压变化用于表征转动速度、频率以及角度，其中该电压变化包含：电压值的变化以及电压的一阶导数与二阶导数。

在本公开的一些实施例中，所述信号输出端之间连接有负载；

可选的，所述负载为电容器或者电阻。

根据本公开的第三个方面，提供了一种自驱动方向传感器。该自驱动方向传感器包括：摩擦纳米发电机，且多个电荷收集层设置于所述第二支撑层中与第二摩擦层相邻的不同方向的侧面或周面；所述电荷收集层的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层之间存在间距，各个电荷收集层单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦层作为该摩擦纳米发电机的第二输出端；

其中，该摩擦纳米发电机的多个第一输出端作为该矢量传感器的多个第一信号输出端，第二输出端作为该矢量传感器与多个第一信号输出端对应的公共信号输出端，所述第一摩擦层与第二摩擦层在不同方向互相滑动摩擦时，在相应的第一输出端和第二输出端之间有电压信号输出。

在本公开的一些实施例中，多个第一信号输出端分别连接各个方向指示单元中对应指示方向的方向指示单元的一端，公共信号输出端连接各个方向指示单元的另一端。

在本公开的一些实施例中，该方向指示单元包含多个LED指示灯，所述方向指示单元为多个LED指示灯排列形成的方向箭头。

在本公开的一些实施例中，所述自驱动方向传感器的第二摩擦单元设置于待测运动物体上；

可选的，所述待测运动物体包括如下物体的一种或几种：鼠标、笔、黑板擦。

根据本公开的第四个方面，提供了一种自驱动矢量传感器，作为轨迹跟踪/成像传感器，包括：摩擦纳米发电机，且多个电荷收集层设置于所述第二支撑层中与第二摩擦层相邻的不同方向的侧面或周面；所述电荷收集层的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层之间存在间距，各个电荷收集层单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦层作为该摩擦纳米发电机的第二输出端；其中，该摩擦纳米发电机的多个第一输出端作为该矢量传感器的多个第一信号输出端，第二输出端作为该矢量传感器与多个第一信号输出端对应的公共信号输出端；以及

轨迹跟踪系统，与所述多个第一信号输出端及公共信号输出端连接，用于根据矢量叠加基于不同信号输出端的电压变化获取该矢量传感器的运动信息，实现轨迹跟踪。

在一些实施例中，上述作为轨迹跟踪/成像传感器的自驱动矢量传感器，还包括：成像模块，用于显示电压变化图像，以表征矢量传感器的运动信息。

在本公开的一些实施例中，上述方案中的任一种自驱动矢量传感器的第二摩擦单元设置于待测运动物体上；

可选的，所述待测运动物体包括如下物体的一种或几种：鼠标、笔、黑板擦。

根据本公开的第五个方面，提供了一种发电系统，包含任一种摩擦纳米发电机。

根据本公开的第六个方面，提供了一种传感系统，包含自驱动矢量传感器、或者包含自驱动方向传感器。

在一些实施例中，该传感系统用于非线性表面的传感。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及其系统，具有以下有益效果：

1、提出一种基于摩擦起电和空气击穿效应的摩擦纳米发电机，实现机械能到直流电能的直接转换，且可通过加快第二摩擦单元的滑动速度，改变单位时间内电荷的收集量，从而提高输出电流和电压；该摩擦纳米发电机无需使用额外的电源管理电路，简化了电路设计，基于该摩擦纳米发电机的发电系统具有良好的应用前景；

2、基于上述摩擦纳米发电机，提出了一种矢量传感器，实现了运动物体的速度、加速度的实时监控，进一步设计的转盘结构实现了角度、频率和转速的测量；

3、进一步将多个电荷收集层对应的第一输出端分别单独输出，上述矢量传感器自身或者将第二摩擦单元安装于其他器件中可实现对于该矢量传感器或器件的运动轨迹进行实时跟踪和成像；

4、通过在不同的侧面(例如前后左右侧)设置电荷收集电极层，位于不同侧面的电荷收集层之间存在间距，每个电荷收集层作为独立的第一输出端，第二摩擦层作为公共的第二输出端，在多个第一输出端及第二输出端对应连接指示不同方向的指示单元，实现了自驱动方向传感；

5、此外，该自驱动矢量和方向传感器还可以实现在非线性表面的传感，能够实时显示运动的位移曲线(运动轨迹)；

6、一些实施例中，通过优化矢量传感器的结构，实现了运动传感器和鼠标指针的同步运动，表明该矢量传感器已达到与现有成熟的光电矢量传感技术相当的精度，显示出本公开的摩擦纳米发电机在传感领域具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本公开实施例一提供的摩擦纳米发电机的结构示意图。

图2A和图2B分别为本公开实施例一提供的摩擦纳米发电机在静止状态和相对滑动状态下的工作示意图。

图3A-图3C分别为本公开实施例一提供的摩擦纳米发电机的短路输出电流、转移的电荷量和开路电压的电信号图。

图4为本公开实施例二提供的摩擦纳米发电机的结构示意图。

图5A-图5B分别为本公开实施例二提供的摩擦纳米发电机在静止状态和相对滑动状态下的工作示意图。

图6A-图6B分别为本公开实施例二提供的摩擦纳米发电机的短路输出电流和转移电荷量的电信号图。

图7为本公开实施例三提供的摩擦纳米发电机的结构示意图。

图8A-图8C分别为本公开实施例三提供的摩擦纳米发电机在不同的转速下的短路输出电流、转移的电荷量和开路电压的电信号图。

图9为本公开实施例四提供的用于监测速度、加速度和位移的自驱动矢量传感器的结构示意图。

图10A-图10C为本公开实施例四提供的自驱动矢量传感器的工作原理示意图，其中，图10A示意初始状态，图10B示意从左向右的运动状态，图10C示意到达最右端的状态。

图11A-图11C分别为本公开实施例四提供的自驱动矢量传感器的输出电压与传感器运动的速度、加速度、实际位移之间的关系曲线。

图12为本公开实施例五提供的用于监测转速、频率和角度的自驱动矢量传感器的结构示意图。

图13A-图13B分别为本公开实施例五提供的自驱动矢量传感器的输出电压与转速、转动角度之间的关系曲线。

图14为本公开实施例六提供的自驱动方向传感器的结构示意图。

图15为本公开实施例六提供的自驱动方向传感器与指示方向的LED灯示意的箭头对应的结构示意图。

图16为本公开实施例七提供的自驱动矢量传感器用作自驱动轨迹跟踪/成像传感器的实物应用场景示意图。

图17为如图16所示的自驱动轨迹跟踪/成像传感器成像显示的“心”形轨迹。

图18为如图16所示的自驱动矢量传感器的第二摩擦单元安装于鼠标中用于模拟鼠标光标运动的应用场景示意图。

图19为本公开实施例八提供的自驱动矢量传感器用于非线性表面实现传感的应用场景示意图。

图20为与图19对应的非线性表面的结构示意图。

图21A和图21B分别为如图19所述的自驱动矢量传感器在非线性表面分别沿着一个方向移动以及作变换方向移动输出的直线和长城形状的曲线。

【符号说明】

100-第一摩擦单元；

101-第一摩擦层； 102-第一支撑层；

200-第二摩擦单元；

201-第二支撑层； 202-第二摩擦层；

203-电荷收集层；

10-第一摩擦单元；

11-第一支撑层； 12-第一摩擦层；

21-第二支撑层； 22-第二摩擦兼电极层；

23-电荷收集电极层； 24-负载(电容器/电阻)；

231-第一输出端； 221-第二输出端。

具体实施方式

目前接触分离模式的摩擦纳米发电机构建的自驱动压力传感器，可以实现0.03mV·Pa^-1的灵敏度。虽然在介质材料表面修饰纳米结构可以进一步提高其灵敏度，但是这种纳米结构在外力作用下的长期工作稳定性以及对压力的实时监测问题还亟待解决。单电极模式的摩擦纳米发电机为柔性触摸压力传感提供了一种新方法，而把多个压力传感器集成阵列则可实现触摸成像传感器。阵列单元尺寸的大小和传感器的分辨率息息相关。在提高分辨率的过程中不可避免的需要减小阵列单元尺寸，导致每个单元的输出信号变小，从而造成灵敏度、信噪比等性能指标的下降。

目前基于摩擦纳米发电机的传感主要集中在压力探测、物体运动追踪、生物医学、人机交互等领域。基于摩擦纳米发电机构建的自驱动传感通常基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机，具有如下技术问题亟需解决：1、摩擦纳米发电机的输出容易受到电磁信号干扰，来自高压线、低压线、信号塔、各种电气设备的电磁波充满了整个生活空间，电磁波信号和传感信号相互干扰，会影响传感器的性能，此外，在多层结构和阵列结构中，电极之间的电磁干扰将会更加强烈；2、传感器通常工作在平面上，两种材料的紧密接触才能保证传感信号输出的稳定性，最近研究表明，栅状电极制作的矢量传感可以实现二维平面的轨迹追踪，无法用于实际非线性表面环境中；3、基于传统摩擦纳米发电机的传感器的基本工作原理是摩擦起电和静电感应，利用两种得失电子能力不同的材料相互摩擦，在接触面发生电荷转移，转移的电荷存在于介质层的表面，形成很强的电场分布。由于强电场的存在，两个摩擦层的表面就有可能发生空气击穿，导致介质层表面的电荷密度降低，对传感器的稳定性造成严重影响，这极大的限制了传感器的信号输出。

针对上述问题，本公开提出一种基于摩擦起电和空气击穿效应的摩擦纳米发电机，实现机械能到直流电能的直接转换，且可通过加快第二摩擦单元的滑动速度，改变单位时间内电荷的收集量，从而提高输出电流和电压；该摩擦纳米发电机无需使用额外的电源管理电路，简化了电路设计，基于该摩擦纳米发电机的发电系统具有良好的应用前景；并且基于上述摩擦纳米发电机，提出了一种矢量传感器，实现了运动物体的速度、加速度的实时监控，进一步设计的转盘结构实现了角度、频率和转速的测量；并且上述矢量传感器通过自身或者安装于其他部件中可实现对于该矢量传感器或部件的运动轨迹进行实时跟踪和成像。通过在不同的侧面(例如前后左右侧)设置多个电荷收集电极层，在两个输出端对应连接不同指示不同方向的指示灯，实现了自驱动方向传感。此外，该自驱动矢量传感器还可以实现在非线性表面的传感，能够实时显示运动的位移曲线(运动轨迹)；一些实施例中，通过优化矢量传感器的结构，实现了运动传感器和鼠标指针的同步运动，表明该矢量传感器已达到与现有成熟的光电矢量传感技术相当的精度，显示出本公开的摩擦纳米发电机在传感领域具有巨大的应用潜力。

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。

实施例一

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种单电荷收集层的摩擦纳米发电机。

图1为本公开实施例一提供的摩擦纳米发电机的结构示意图。参照图1所示，本实施例提供了一种单电荷收集层的摩擦纳米发电机，连接有外接电路。该单电荷收集层的摩擦纳米发电机包括：第一摩擦单元100和第二摩擦单元200。

本公开的第一摩擦单元100，包含第一摩擦层101；

第二摩擦单元200，包含：第二支撑层201；第二摩擦层202，设置于所述第二支撑层201与所述第一摩擦层101接触摩擦的一面；以及电荷收集层203，设置于所述第二支撑层201中与第二摩擦层202相邻的至少一个侧面上，该电荷收集层203与第一摩擦层101之间有空气隙，并与所述第二摩擦层202存在间距；

其中，所述电荷收集层203和所述第二摩擦层202分别作为该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端；第一摩擦层101与第二摩擦层202相互接触的表面的材料处于不同的摩擦电序列，所述第一摩擦层与第二摩擦层互相滑动摩擦时，在所述第一输出端和第二输出端之间有电信号输出。

其中，参照图1所示，第一摩擦单元100包括第一摩擦层101。在本实施例中，第一摩擦单元100还包括第一支撑层102，用于承载第一摩擦层101，第一摩擦层101设置于第一支撑层102的上表面。

其中，参照图1所示，第二摩擦单元200包括第二支撑层201，在第二支撑层201的底面上设置有第二摩擦层202，且第二摩擦层202与第一摩擦层101相对设置，在第二摩擦层202的左侧面上设置有电荷收集层203。

其中，参照图1所示，第二摩擦层202和电荷收集层203之间间隔有预设距离，以保证该摩擦纳米发电机不会发生短路。进一步地，该预设距离为1mm-50mm之间，优选为1mm。示例性的，如图2A和图2B所示，第二摩擦层202与第二支撑层201的右端对齐，电荷收集层203沿竖直方向设置于第二支撑层201的左侧。

当然，第二摩擦层202不局限与上述示例中的与第二支撑层201的右端对齐，还可以是其他的位置关系，比如与第二支撑层201的右端存在一定距离，设置于第二支撑层201的中间等等，类似的，电荷收集层203不局限于图1中示例的左侧位置，还可以是其他方位，而且电荷收集层203的大小可以适应性变化，只要满足第二摩擦层202和电荷收集层203之间间隔有预设距离的条件即可。

更多的，该摩擦纳米发电机可用于连接外接电路，驱动电子器件。如图2A和图2B所示，该外接电路的两根导线分别连接在第二摩擦层202和电荷收集层203上，作为该摩擦纳米发电机的两个电学输出端。

进一步地，第一摩擦层101可采用获得电荷能力和保存电荷能力比较强的驻极体材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)薄膜、聚酰亚胺(Kapton)薄膜、尼龙(Nylon)薄膜、聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜和硅胶等，来提高摩擦纳米发电机的输出。

进一步地，第二摩擦层202的材质可以为金属或金属合金，例如铜、铝等。

进一步地，通过微加工的方法修饰第一摩擦层101和第二摩擦层202的表面形貌，有效提高两者之间的接触面积和摩擦的有效性。

需要说明的是，第二摩擦层202的宽度(这里第二摩擦层的宽度沿着图1中的y方向，第二摩擦层的长度沿着图1中的x方向，第二摩擦层的高度沿着图1中的z方向)、电荷收集层203的长度(这里电荷收集层的长度沿着图1中的x方向，电荷收集层203的宽度沿着图1中的y方向，电荷收集层的高度沿着图1中的z轴方向)、电荷收集层203和第一摩擦层101之间的距离、第二摩擦层202和电荷收集层203之间的距离均可改变，且其变化程度可调节发电机的输出，以满足实际设计需求。

图2A和图2B分别为本公开实施例一提供的摩擦纳米发电机在静止状态和相对滑动状态下的工作示意图。

请参照图2A和图2B，下面对本实施例中提供的摩擦纳米发电机的工作原理进行详细说明：

请参照图2A，在静止状态下，当第一摩擦层101和第二摩擦层202接触时，由于两者位于摩擦序列的不同位置，基于电负性差异，第二摩擦层202上的电子转移至第一摩擦层101。因此第一摩擦层101的表面会有净的负电荷，第二摩擦层202的表面会有净的正电荷。此时，第二摩擦层202位于第一摩擦层101的端部。

请参照图2B，在相对滑动状态下，第二摩擦单元200在外力作用下相对于第一摩擦单元100发生滑动摩擦，即第二摩擦层202相对于第一摩擦层101滑动摩擦。基于摩擦起电效应，位于第二摩擦层202上的负电荷大量转移到第一摩擦层101的表面，由于第一摩擦层101为驻极体材料，可长时间在其表面保存电荷，因此，在滑动过程中，在第一摩擦层101和电荷收集层203之间将形成强负电场。且当该电场强度达到可以击穿空气时，电荷将会从第一摩擦层101的表面流向电荷收集层203，以降低两者之间的电势差。然后，通过外接于电荷收集层203和第二摩擦层202的外接电路，电荷从电荷收集层203回流至第二摩擦层202。由于电场的方向始终是从电荷收集层203指向第一摩擦层101，因此，输出电流的方向为单向。

图3A-图3C分别为本公开实施例一提供的摩擦纳米发电机的短路输出电流、转移的电荷量和开路电压的电信号图。参见图3A-图3C可知，该摩擦纳米发电机周期性输出直流电，并且随着时间的推移，转移的电荷量逐渐增加。

可理解的，当第二摩擦单元202在外力的作用下滑向静止状态时，由于电荷收集层203和第一摩擦层101之间没有足够的电场用于空气击穿，外电路将会没有电流。故通过周期性的滑动第二摩擦单元202，可得到周期性的直流电输出。

在本公开实施例中，当第二摩擦层202相对第一摩擦层101发生滑动摩擦时，由于摩擦起电，第二摩擦层202上的电荷转移至第一摩擦层101，并在第一摩擦层101与所述电荷收集层203之间形成电场，当电场可击穿空气时，基于空气击穿效应，第一摩擦层101上的电荷转移至电荷收集层203，并通过外接电路，使电荷收集层203上的电荷转移回第二摩擦层202，从而实现机械能到直流电能的直接转换，且可通过加快第二摩擦单元200的滑动速度，改变单位时间内电荷的收集量，从而提高输出电流和电压，且当第二摩擦单元200的滑动速度恒定时，单位时间内电荷的收集量不变，从而实现恒定的直流电输出。同时，该摩擦纳米发电机无需使用额外的电源管理电路，简化了电路设计。

实施例二

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种双电荷收集层的摩擦纳米发电机。本实施例的摩擦纳米发电机与第一个实施例的摩擦纳米发电机的区别在于：电荷收集层的个数不同，其他结构均相同。

本公开的摩擦纳米发电机中，电荷收集层的个数可以拓展1个、2个、3个、4个或者更多个，例如第一实施例中，第二摩擦单元200中的第二支撑层内201为立方体结构，包含4个侧面，对应1-4个电荷收集层可以分别设置于该立方体结构的第二支撑层的各个侧面，可以用作方向传感器进行上下左右四个方向的传感，在后续的实施例中会进行详细介绍；或者在其它的实施方式中，第二摩擦单元200中的第二支撑层内201为柱体、台体或者锥体结构中的一种或其组合，可以是圆柱、棱柱、棱台、圆台、圆锥或者棱锥等，在该柱体、台体或者锥体结构的周向(侧面)间隔分布有N个(N≥1，N例如为2、4、5、6或者更多)电荷收集层。

本实施例仅以2个电荷收集层进行示例性说明。图4为本公开实施例二提供的摩擦纳米发电机的结构示意图。参照图4所示，本实施例中，摩擦纳米发电机的第二摩擦单元200包含两个电荷收集层203。本实施例中，以两个电荷收集层203分别设置于第二支撑层201的左右两侧进行示例，具体设置位置可以根据实际需要进行调整或变化，其他结构与第一个实施例相同，这里不再赘述。

图5A-图5B分别为本公开实施例二提供的摩擦纳米发电机在静止状态和相对滑动状态下的工作示意图。

请参照图5A和图5B，外接电路连接两个电荷收集层203和第二摩擦层202。具体的，在本实施例中，外接电路的三根导线分别连接在两个电荷收集层203和第二摩擦层202上，其中，外接电路的一端同时与两个电荷收集层203进行连接，另一端与第二摩擦层202进行连接。

图6A-图6B分别为本公开实施例二提供的摩擦纳米发电机的短路输出电流和转移电荷量的电信号图。参见图6A-图6B可知，该摩擦纳米发电机周期性输出直流电，并且随着时间的推移，转移的电荷量逐渐增加。

该双电荷收集层的摩擦纳米发电机的工作原理与本公开第一实施例中所述的单电荷收集层的摩擦纳米发电机的工作原理相同，故在此不再赘述。进一步地，由于在第二支撑层201的两侧面均有电荷收集层203，可收集更多电荷，极大地增强了输出性能，可用于驱动更大功率需求的电子器件。

实施例三

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种旋转模型的摩擦纳米发电机。本实施例的结构是在第一个结构的基础上进一步的优化设置，将第二摩擦单元200中第二支撑层201的形状设置为包含多个扇形的风扇状，对应的第一摩擦单元100中的第一支撑层102和第一摩擦层101的形状对应设置为圆盘状，使得第一摩擦单元100和第二摩擦单元200其中一个作为定子，另外一个作为转子，二者发生相对转动，对应原来滑动摩擦产生的机械能转化为直流电的方式转变为旋转摩擦产生的机械能转化为直流电方式。

在一些实施例方式中，所述第一摩擦单元100与第二摩擦单元200其中一个作为定子，另外一个作为转子。所述第二支撑层201包含多个扇形结构，所述第二摩擦层202设置于各个扇形结构的接触摩擦的扇面上，所述电荷收集层203设置于各个扇形结构的侧面上。

可选的，所述第二支撑层201为风扇形或者轮毂形。

可选的，所述第一摩擦单元100为圆盘形。

图7为本公开实施例三提供的摩擦纳米发电机的结构示意图。参照图7所示，本实施例中，第二摩擦单元200中的第二支撑层201为至少具有两个扇形结构的圆盘结构。其扇形的中心角在1°～90°之间，可选的，扇形的中心角为3°、5°10°、25°或者45°等等。每个扇形之间有一定的夹角，夹角的度数在1°～90°之间，可选的，夹角的度数为3°、5°10°、15°或者35°等等。

多个第二摩擦层202设置于每个扇形结构的底面，与第一摩擦层101相对设置，在旋转过程中可进行接触摩擦，且各扇形底面的第二摩擦层202与扇形结构的边缘均有1mm～5mm的距离，以保证该摩擦纳米发电机不会发生短路。多个电荷收集层203设置于每个扇形结构的侧面。可选的，每个电荷收集层203设置于每个扇形结构的同一侧，当然，也可以是每个扇形结构中的电荷收集层203的设置所在侧面不同，或者设置侧面相同但是具体位置不同。

对应的，第一摩擦单元100中的第一支撑层102和第一摩擦层101的形状也为圆盘状。

本实施例的摩擦纳米发电机可用于连接外接电路，驱动电子器件。示例性的，该外接电路包括两根导线，该两根导线其中一个连接所有的电荷收集层203，另外一个与第二摩擦层202连接，作为该直流摩擦纳米发电机的两个电学输出端。

图8A-图8C分别为本公开实施例三提供的摩擦纳米发电机在不同的转速下的短路输出电流、转移的电荷量和开路电压的电信号图。参照图8A-图8C所示，随着转速的增加，短路输出电流、转移的电荷量和开路电压均对应增加，说明可以通过提高转速来提高电学输出性能(电流或电压)。

本实施例的该旋转模型的摩擦纳米发电机的工作原理与上述第一实施例基本相同，区别点在于本实施例中，第一摩擦单元100和第二摩擦单元200之间电荷的转移(摩擦起电)依赖于第一摩擦单元100和第二摩擦单元200之间的相对转动实现。可通过提高第二摩擦单元200的转速，改变单位时间内电荷的收集量，从而提高输出电流和电压，可直接用于驱动电子器件或能量存储。

实施例四

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种监测速度、加速度和位移的自驱动矢量传感器。本实施例的自驱动矢量传感器基于第一个实施例所示的摩擦纳米发电机结构进行设计，用于实现速度、加速度和位移的监测与表征。当然，也可以按照第二个实施例中类似的方式对电荷收集电极层23的设置个数、设置位置等进行适应性设置。

本实施例的自驱动矢量传感器包含本公开的任一种摩擦纳米发电机，例如为实施例一或实施例二中所示的摩擦纳米发电机，其中，该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端作为该矢量传感器的信号输出端。

图9为本公开实施例四提供的用于监测速度、加速度和位移的矢量传感器的结构示意图。本实施例中的长度、宽度的方向与第一个实施例中的相同，第二摩擦兼电极层22的宽度沿着图9中的y方向，第二摩擦兼电极层22的长度沿着图9中的x方向，第二摩擦兼电极层22的高度沿着图9中的z方向，电荷收集电极层23的长度沿着图9中的x方向，电荷收集电极层23的宽度沿着图9中的y方向，电荷收集电极层23的高度沿着图9中的z轴方向。

参照图9所示，本实施例的自驱动矢量传感器，包括：第二摩擦单元和第一摩擦单元，第二摩擦单元包含：第二支撑层21；第二摩擦兼电极层22，设置于第二支撑层21的摩擦部位，用于与第一摩擦单元10的第一摩擦层12进行摩擦；电荷收集电极层23，设置于所述第二支撑层21中与第二摩擦兼电极层22相邻的至少一个侧面上，该电荷收集层23与第一摩擦层12之间有空气隙，并与所述第二摩擦兼电极层22存在间距；其中，第二摩擦兼电极层22与电荷收集电极层23分别作为摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端，第一输出端和第二输出端分别对应该矢量传感器的信号输出端；第二摩擦兼电极层22与第一摩擦层12处于不同的摩擦电序列；所述第一摩擦层12与第二摩擦兼电极层22互相滑动摩擦时，在所述第一输出端和第二输出端之间有电信号输出。

其中，当该自驱动矢量传感器用于表征自身的运动时，将该自驱动矢量传感器放置于第一摩擦单元10上，参照图9所示，该第一摩擦单元10例如包含：第一摩擦层12，与第二摩擦兼电极层22接触，在自驱动矢量传感器运动过程中与所述第二摩擦兼电极层22进行摩擦，当然，在一些具体实施例中，该第一摩擦单元10还包括：第一支撑层11，用于支撑所述第一摩擦层12。

当然，还可以将该自驱动矢量传感器的第二摩擦单元作为待测运动物体的一个部分，通过将待测运动物体放置于第一摩擦单元10上，随着待测运动物体进行运动，通过第二摩擦兼电极层22与第一摩擦单元10的第一摩擦层12进行摩擦，在两个电极层(第二摩擦兼电极层22与电荷收集电极层23)输出直流电，对应两个信号输出端的电压变化可用于表征运动物体的位移、速度及加速度，该电压变化包含：电压值的变化以及电压的一阶导数与二阶导数，从而实现对物体运动的矢量传感，用于获取运动物体的位移、速度以及加速度等信息。

其中，前述的实施例二和实施例三中，主要利用摩擦纳米发电机的发电性能，对应多个电荷收集层均并联连接至第一输出端，第二摩擦层作为公共输出端，连接至第二输出端，这种输出方式有助于通过并联形式实现较高的电学输出信号，在本实施例及后续要介绍的用作矢量传感或者方向传感时，对应每个电荷收集层单独作为输出，以区分不同的电荷收集层对应的输出信号。

本实施例中，如图9所示，该矢量传感器的两个信号输出端分别为摩擦纳米发电机的第一输出端231和第二输出端221，两个信号输出端之间连接有负载24，该负载可以是电能存储装置，例如为电容器，或者耗能元器件，例如为电阻，或者为其他类型的负载。

在一些实施方式中，第二摩擦兼电极层22与电荷收集电极层23选用电极材料，例如为金属材料，第一摩擦层12通常为介电层，优选得电子能力较强的材料(靠近摩擦电序列“负”方向的材料)来提高矢量传感的灵敏度，如聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)和尼龙等，本实施例以FEP薄膜作为第一摩擦层12进行示例。同时，通过微加工的方法修饰两个对摩层的表面形貌，例如第二摩擦兼电极层22与第一摩擦层12中至少一个制作有微纳结构，可进一步提高矢量传感器的灵敏度。第一支撑层11和第二支撑层21一般选取刚度较强，有规则外形的材料，当然，本公开不限定支撑层的形状，其他合理的形状也在本公开的保护范围之内。本实施例中，电荷收集电极层23的长度范围在1mm至5cm之间，优选1cm；第二摩擦兼电极层22的长度与电荷收集电极层23的长度保持相同本实施例中，两个信号输出端之间连接的负载24为电容器，电容器选取市面上销售的商业电容器。

图10A-图10C为本公开实施例四提供的自驱动矢量传感器的工作原理示意图，其中，图10A示意初始状态，图10B示意从左向右的运动状态，图10C示意到达最右端的状态。

参照图10A所示，在初始状态，矢量传感器位于FEP薄膜(第一摩擦层12)的最左端并且第二摩擦兼电极层22(下面在后续的实施例简称摩擦电极22)和FEP薄膜12紧密接触。由于FEP薄膜12得电子能力远强于摩擦电极22，电子会从摩擦电极22转移到FEP薄膜12表面，净的正电荷和负电荷分别分布在摩擦电极22和FEP薄膜12表面。由于FEP薄膜12是一种良好的绝缘体，表面的负电荷可以在长时间内得以保存。参照图10B所示，矢量传感在外力作用下从左向右运动，FEP薄膜12表面的负电荷将会形成一个强电场，当电场超过30kV/cm时可以击穿空气，在FEP薄膜12表面和电荷收集电极层23(下面在后续的实施例中简称收集电极23)之间形成一个瞬间的通路，因此FEP薄膜12表面电子流向收集电极23，再通过外电路(两个信号输出端)流回摩擦电极22。只要该矢量传感器与第一摩擦单元10上的FEP薄膜12有相对位移，放电过程一直会持续，图10C示意了矢量传感器到达该第一摩擦单元最右端的静止状态。但是，由于矢量传感器输出对电容器24(负载)一直充电，随着电容器24电压的提高，到一定程度后，收集电极23附近会形成强电场，这时FEP薄膜12表面电子向收集电极23的流动就会停止。因为电容器24的电子主要靠FEP薄膜12表面电子补充，所以输出电压的方向也是单向的。当矢量传感器在外力的作用下向左滑动时，由于矢量传感器的右侧没有收集电极，不能够产生空气击穿，因此对应矢量传感器向左滑动不会有电压信号输出。因此，通过周期性的运动，将会得到周期性的直流电压输出。该矢量传感器可以探测多种环境中物理量及驱动成像。

图11A-图11C分别为本公开实施例四提供的自驱动矢量传感器的输出电压与传感器运动的速度、加速度、实际位移之间的关系曲线。基于本实施例的自驱动矢量传感器在第一摩擦单元10上进行直线运动，采用线性马达驱动该矢量传感器以控制其运动的速度、加速度，图11C中该矢量传感器输出的电压信号与实测的位移几乎吻合，说明该矢量传感器实现了非常高精度的位移传感，另外，参见图11A和图11B，通过观测矢量传感器的两个信号输出端输出电压的变化，对电压求取一阶导数、二阶导数，根据输出信号计算得到的速度、加速度与实测的速度、加速度呈现良好的线性关系，线性回归系数高达0.9955，可见该自驱动矢量传感器在表征速度、加速度以及位移等运动信息方面具有良好的应用前景。

综上可知，本实施例的该矢量传感器可以将外部的运动产生的机械能通过摩擦起电和空气击穿效应直接转化为直流电能作为其电能来源，存储在电容器内(或者用于电阻消耗)，同时电能输出的信号中携带有运动信息，通过观测电容器(或电阻)两端的电压变化可以反映该矢量传感器的运动状态，该矢量传感器本身的运动作为矢量传感的电能来源，同时通过实时观测该矢量传感器输出的信号变化对应可以实现速度、加速度以及位移等运动信息的表征，从而实现了自驱动矢量传感。

实施例五

在本公开的第五个示例性实施例中，提供了一种用于监测转速、频率和角度的自驱动矢量传感器。该矢量传感器基于第三个实施例中的摩擦纳米发电机结构进行设计，用于实现转速、频率和角度的监测与表征。

图12为本公开实施例五提供的用于监测转速、频率和角度的自驱动矢量传感器的结构示意图。

参照图12所示，本实施例的矢量传感器与与第四个实施例中矢量传感器的区别在于：将第二支撑层21的形状设置为包含多个间隔开的扇形的圆盘状，例如为轮毂形状，当然也可以是图7所示的风扇的形状或者其他转动摩擦对应的形状，对应的第一摩擦单元10中的第一支撑层11和第一摩擦层12的形状也对应设置为圆盘状。本实施例中，以第一摩擦单元10作为转子，矢量传感器的第二摩擦单元作为定子，当然，定子和转子是相对的，二者可以根据需要进行关系互换，使得第一摩擦单元或者该矢量传感器的第二摩擦单元其中一个作为定子，另外一个作为转子，二者发生相对转动，对应原来滑动摩擦产生的机械能转化为直流电的方式转变为旋转摩擦产生的机械能转化为直流电方式。

本实施例中，优选的，在第一摩擦单元10中，第一支撑层11和第一摩擦层12之间还设置有缓冲层，缓冲层例如为海绵，避免转动摩擦时由于两个刚性面接触引起的损伤和抛飞等问题。

在一具体实例中，定子包含三层结构，包括：最下层的亚克力板(第一支撑层11)、中间的海绵缓冲层和上层的FEP薄膜(第一摩擦层12)。转子包含摩擦电极22、收集电极23和第二支撑层21。第二支撑层21制作成扇形结构。扇形有一定的中心角(1°～90°，优选15°)且每个扇形之间有一定的夹角(1°～90°，优选15°)。在扇形圆盘的底面粘贴铜箔作为摩擦电极22，且每个扇形上的铜箔距离扇形结构的边缘有1mm-5mm(优选1mm)的距离。另外铜电极贴于每个扇形的同方向侧面，作为收集电极23。所有的摩擦电极22作为一个输出端，所有的收集电极23作为另一个输出端，两个输出端之间连接负载，负载为电容器，该矢量传感器运动获取的直流电用于给电容器充电，同时电容器两端的电压值作为传感器的输出信号。

本实施例中该矢量传感器的原理与第四个实施例所示的矢量传感器的原理大致相同，主要区别在于：该矢量传感器摩擦起电是由于转动产生的，相应的，能够获取的运动矢量信息由原先第四个实施例中运动对应的位移、速度和加速度信息变化为转速、转动角加速度(频率)以及转动角度等信息。图13A-图13B分别为本公开实施例五提供的自驱动矢量传感器的输出电压与转速、转动角度之间的关系曲线。如图13A所示，该矢量传感器输出电压的斜率与转速有很好的线性关系，线性回归系数为0.9869。另外，传感器转速可以变换成频率，因此该传感器的电压斜率还可以用来表示旋转频率。更进一步，已知物体的转速，通过电压的幅值来判断物体的转动角度，如图13B所示。

实施例六

在本公开的第六个示例性实施例中，提供了一种自驱动方向传感器。该自驱动传感器与第四个实施例中的自驱动矢量传感器结构相似，区别在于，具体化设置了电荷收集电极层23的设置个数、设置位置，在不同的侧面(例如前后左右侧)设置有多个电荷收集电极层23。本实施例的自驱动矢量传感器包含本公开的任一种摩擦纳米发电机，例如为实施例一或实施例二中所示的摩擦纳米发电机，其中，所述电荷收集层23的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层23之间存在间距，各个电荷收集层23单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦兼电极层22作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端作为该矢量传感器的信号输出端。所述第一摩擦层12与第二摩擦兼电极层22在不同方向互相滑动摩擦时，在相应的第一输出端和第二输出端之间有电压信号输出。

图14为本公开实施例六提供的自驱动方向传感器的结构示意图。图15为本公开实施例六提供的自驱动方向传感器与指示方向的LED灯示意的箭头对应的结构示意图。图15中示意俯视效果，对应左、右、上、下箭头分别指示的矢量传感器立体图的方向为：左、右、后、前。

参照图14和图15所示，本公开的自驱动方向传感器，包括：第二支撑层21；第二摩擦兼电极层22，设置于第二支撑层21的摩擦部位，用于与第一摩擦单元10的第一摩擦层12进行摩擦；多个电荷收集电极层23，设置于所述第二支撑层21中与第二摩擦兼电极层22相邻的不同方向的侧面或周面上，该电荷收集层23与第一摩擦层12之间有空气隙，并与所述第二摩擦兼电极层22存在间距；其中，第二摩擦兼电极层22与第一摩擦层12处于不同的摩擦电序列；所述电荷收集层23的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层23之间存在间距，各个电荷收集层23单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦兼电极层22作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。

该第二摩擦兼电极层22为与多个电荷收集电极层23对应的公共摩擦电极22，每个电荷收集电极层23连接对应运动方向的方向指示单元的一端，公共摩擦电极22连接各个方向指示单元的另一端。

这里以方向指示灯作为方向指示单元的一个示例，该方向指示单元包含多个LED指示灯，所述方向指示单元为多个LED指示灯排列形成的方向箭头。

本实施例中，该自驱动方向传感器包含四个收集电极23和一个公共摩擦电极22。四个收集电极23分布在第二支撑层21的左侧、右侧、前侧和后侧，用于收集四个方向的信号，四个收集电极23之间存在间距。根据第四个实施例中描述的矢量传感器的基本原理，左侧的收集电极和公共摩擦电极用于监测和表征从左向右的运动，同理，右侧的收集电极和公共摩擦电极用于监测和表征从右向左的运动，前侧的收集电极和公共摩擦电极用于监测和表征从后向前的运动，后侧的收集电极和公共摩擦电极用于监测和表征从前向后的运动；那么基于上述情形，所有LED灯的另一端连接公共摩擦电极22，将左侧的收集电极23连接右边的LED灯的一端，将右侧的收集电极23连接左边的LED灯的一端，将后侧的收集电极23连接上边的LED灯的一端，将前侧收集电极23连接在下边的LED灯的一端。四个收集电极(和四边的LED)可以共用一个摩擦电极，这有利于传感器的微型化。每个方向由13个绿色LED灯(图中以圆点进行示意)组成箭头形状，LED灯仅依靠该方向传感器运动产生的直流电进行驱动，自身不需要电池，同时方向传感器朝四个方向任意方向运动，相应方向的LED灯就会发光，因此实现了真正意义上的自驱动方向传感器。此外，在黑暗环境中，该自驱动方向传感器不仅能提供方向指引，还能提供持续照明。

此外，还可以将所述自驱动方向传感器的第二摩擦单元(200)设置于待测运动物体上，以表征待测运动物体的运动方向。

可选的，所述待测运动物体包括如下物体的一种或几种：鼠标、笔、黑板擦。

实施例七

在本公开的第七个示例性实施例中，提供了一种自驱动轨迹跟踪/成像传感器，该自驱动轨迹跟踪/成像传感器与第六个实施例所示的自驱动方向传感器的结构相似，包含四个收集电极23和一个公共摩擦电极22，区别在于，还包括：轨迹跟踪/成像系统，与该自驱动矢量传感器的第一输出端231和第二输出端221连接，用于根据两个输出端的电压变化获取该矢量传感器的运动方向、位移、速度、加速度信息，实现轨迹跟踪；可选的，还包括：成像模块，用于显示电压变化图像，以表征矢量传感器的运动方向、位移、速度、加速度信息。

本实施例中，自驱动轨迹跟踪/成像传感器，包括：实施例一或实施例二所示的摩擦纳米发电机，其中，所述电荷收集层23的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层23之间存在间距，各个电荷收集层23单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦兼电极层22作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。其中，该摩擦纳米发电机的多个第一输出端作为该矢量传感器的多个第一信号输出端231，第二输出端作为该矢量传感器与多个第一信号输出端对应的公共信号输出端221；以及

轨迹跟踪系统，与所述多个第一信号输出端231及公共信号输出端221连接，用于根据矢量叠加基于不同信号输出端的电压变化获取该矢量传感器的运动信息，实现轨迹跟踪。

图16为本公开实施例七提供的自驱动矢量传感器用作自驱动轨迹跟踪/成像传感器的实物应用场景示意图。

参照图16所示，在第二支撑层21的四个侧面分别贴有对应的收集电极23，底部第二摩擦兼电极层22为公共摩擦电极22，由四个收集电极23共用。对应该自驱动矢量传感器，在Labview平台上开发了一套轨迹跟踪/成像显示软件，根据四个电容器上的电压来判断传感器的位移。在运动过程中，各个方向的输出电压不同，通过矢量叠加原理，可以得到传感器的运动方向和位移大小，从而实现了轨迹跟踪/成像功能。图17为如图16所示的自驱动轨迹跟踪/成像传感器成像显示的“心”形轨迹，该形状为传感器输出的电压变化图像，同时也表征了传感器的运动轨迹。

除了轨迹跟踪和成像功能，该传感器还可以模拟鼠标光标运动，图18为如图16所示的自驱动矢量传感器的第二摩擦单元安装于鼠标中用于模拟鼠标光标运动的应用场景示意图。图18中特意将鼠标的底部显示出来以便观察，实际使用时鼠标底部与第一摩擦单元接触，第一摩擦单元例如为带有第一摩擦层12的鼠标垫。参照图18所示，将上述自驱动轨迹跟踪/成像做成1cm×1cm大小安装在一个无线鼠标底部，与相应的开发软件配套使用。软件界面中方块标识代表传感器的光标，十字架代表鼠标的光标。软件界面可以显示四个方向上电压输出信号和传感器的运动轨迹。实验测试表明传感器的光标和鼠标的光标保持同步运动，可见该传感器可以精确反馈待测物体的位移，进一步表明该矢量传感器已达到与现有成熟的光电矢量传感技术相当的精度，显示出本公开的摩擦纳米发电机在传感领域具有巨大的应用潜力。

实施例八

在本公开的第八个示例性实施例中，提供了一种自驱动矢量传感器，本实施例的自驱动矢量传感器用于非线性表面实现传感。

图19为本公开实施例八提供的自驱动矢量传感器用于非线性表面实现传感的应用场景示意图。图20为与图19对应的非线性表面的结构示意图。当然，对应的自驱动方向传感器也可以用于非线性表面的传感，原理类似，这里不再赘述。

参照图19和图20所示，将自驱动矢量传感器集成在一个笔管里，该自驱动矢量传感器主要包括一根金属棒和四根金属丝，金属棒例如为不锈钢棒，其中不锈钢棒的端头用作摩擦电极22，四根金属丝作为收集电极23。该传感器的工作原理与第六个实施例中的自驱动矢量传感器相同，相当于四个矢量传感器并联然后对外输出传感信号。第一摩擦单元在本实施例中对应弯曲的纸基骨架和位于纸基骨架表面的FEP薄膜(第一摩擦层12，还可以是其他的摩擦介电层材料)。

图21A和图21B分别为如图19所述的自驱动矢量传感器在非线性表面分别沿着一个方向移动以及作变换方向移动输出的直线和长城形状的曲线。

现有技术中，基于摩擦起电和感应起电传感器只能在平整的表面上工作，表面上凹凸都会对传感器的输出稳定性造成巨大影响，通过本公开所示的自驱动矢量传感器完美的克服了这个问题。如图21A所示，用笔从左向右在非线性表面运动，笔的运动轨迹非常平稳，该矢量传感器的输出没有受到表面起伏的影响。为了体现笔在非线性表面的适用性，我们用该传感器绘制了类似长城的形状，如图21B所示，说明利用该传感器可以在非线性表面例如曲面上实现精确的矢量传感。

当然，在其它类型的非线性曲面上该自驱动矢量传感器同样适用，这里不再一一列举。

实施例九

在本公开的第九个示例性实施例中，提供了一种发电系统，该发电系统包含本公开的基于摩擦起电和空气击穿效应的摩擦纳米发电机，例如包含第一-第三个实施例中任一种摩擦纳米发电机。

包含上述摩擦纳米发电机的发电系统实现机械能到直流电能的直接转换，无需使用额外的电源管理电路，简化了电路设计，并能够通过调整第二摩擦层202的宽度、电荷收集层203的长度、电荷收集层203和第一摩擦层101之间的距离、第二摩擦层202和电荷收集层203之间的距离实现输出性能的调整，通过加快滑动或者转动的速度以提高输出，不易受到外界电磁干扰，性能输出稳定。

实施例十

在本公开的第十个示例性实施例中，提供了一种传感系统，该传感系统包含本公开的自驱动矢量传感器或自驱动方向传感器的一种或几种。该传感系统能够实现自驱动、高精度矢量传感，实时监测和表征运动轨迹，特别地，不仅在平整表面具有较高的传感灵敏度，还能够用于实际非线性表面，并且具有较高的测量精度。

综上所述，本公开提供了一种基于摩擦起电和空气击穿效应的摩擦纳米发电机、自驱动矢量和方向传感器及发电系统、传感系统，基于摩擦起电和空气击穿效应的摩擦纳米发电机，实现机械能到直流电能的直接转换，且可通过加快第二摩擦单元的滑动速度，改变单位时间内电荷的收集量，从而提高输出电流和电压；该摩擦纳米发电机无需使用额外的电源管理电路，简化了电路设计，基于该摩擦纳米发电机的发电系统具有良好的应用前景；并且基于上述摩擦纳米发电机，提出了一种矢量传感器，实现了运动物体的速度、加速度的实时监控，进一步设计的转盘结构实现了角度、频率和转速的测量；并且上述矢量传感器通过自身或者安装于其他部件中可实现对于该矢量传感器或部件的运动轨迹进行实时跟踪和成像。通过在不同的侧面(例如前后左右侧)设置多个电荷收集电极层，在两个输出端对应连接不同指示不同方向的指示灯，实现了自驱动方向传感。此外，该自驱动矢量传感器还可以实现在非线性表面的传感，能够实时显示运动的位移曲线(运动轨迹)；一些实施例中，通过优化矢量传感器的结构，实现了运动传感器和鼠标指针的同步运动，表明该矢量传感器已达到与现有成熟的光电矢量传感技术相当的精度，基于上述矢量传感器的传感系统能够实现自驱动、高精度矢量传感，实时监测和表征运动轨迹，特别地，不仅在平整表面具有较高的传感灵敏度，还能够用于实际非线性表面，并且具有较高的测量精度，显示出本公开的摩擦纳米发电机在传感领域具有巨大的应用潜力。

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，摩擦纳米发电机结构的附图标记和矢量传感器的附图标记在表示类似的结构时采用不同的标号来表示。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。

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 (25)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

第一摩擦单元(100)，包含第一摩擦层(101)；

第二摩擦单元(200)，包含：第二支撑层(201)；第二摩擦层(202)，设置于所述第二支撑层(201)与所述第一摩擦层(101)接触摩擦的一面；以及电荷收集层(203)，设置于所述第二支撑层(201)中与第二摩擦层(202)相邻的至少一个侧面上，与第一摩擦层(101)之间有空气隙，并与所述第二摩擦层(202)存在间距；

其中，所述电荷收集层(203)和所述第二摩擦层(202)分别作为该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端；第一摩擦层(101)与第二摩擦层(202)相互接触的表面的材料处于不同的摩擦电序列，所述第一摩擦层与第二摩擦层互相滑动摩擦时，在所述第一输出端和第二输出端之间有电信号输出。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二支撑层(201)为柱体、台体或椎体之一或其组合，所述电荷收集层(203)分布于该第二支撑层(201)的周面或侧面。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(101)的材料为介电材料；

所述第二摩擦层(202)与所述电荷收集层(203)的材料为导电材料；

作为优选，所述介电材料为驻极体材料。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电荷收集层(203)与所述第二摩擦层(202)的间距为预设距离，该预设距离为1mm～50mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元(100)与第二摩擦单元(200)其中一个作为定子，另外一个作为转子，所述第二支撑层(201)包含多个扇形结构，所述第二摩擦层(202)设置于各个扇形结构的接触摩擦的扇面上，所述电荷收集层(203)设置于各个扇形结构的侧面上；

可选的，所述第二支撑层(201)为风扇形或者轮毂形；

可选的，所述第一摩擦单元(100)为圆盘形。

6.根据权利要求5所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，

所述第一摩擦单元(100)中还包含：缓冲结构；和/或，

所述第一摩擦层(101)与所述第二摩擦层(202)中至少之一制作有微纳结构。

7.根据权利要求5或6所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述多个扇形结构之间预设夹角为1°～90°，每个扇形对应的圆心角为1°～90°。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电荷收集层(203)的个数N≥1个，当所述电荷收集层(203)的个数大于1个时，位于不同侧面的电荷收集层(203)之间存在间距，所有的电荷收集层(203)连接在一起，共同作为该摩擦纳米发电机的一个公共输出端，该公共输出端为第一输出端，所述第二摩擦层(202)作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。

9.根据权利要求5-7中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电荷收集层(203)的个数N≥1个，当所述电荷收集层(203)的个数大于1个时，位于不同侧面的电荷收集层(203)之间存在间距，所有的电荷收集层(203)连接在一起，共同作为该摩擦纳米发电机的一个公共输出端，该公共输出端为第一输出端，所述第二摩擦层(202)作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电荷收集层(203)的个数大于1个，位于不同侧面的电荷收集层(203)之间存在间距，各个电荷收集层(203)单独作为摩擦纳米发电机的多个第一输出端，所述第二摩擦层(202)作为该摩擦纳米发电机的第二输出端。

11.一种自驱动矢量传感器，其特征在于，包括：

权利要求1-4、8中任一项所述的摩擦纳米发电机，

其中，该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端作为该矢量传感器的信号输出端。

12.根据权利要求11所述的自驱动矢量传感器，其特征在于，该自驱动矢量传感器的信号输出端的电压变化用于表征运动速度、加速度以及位移，其中该电压变化包含：电压值的变化以及电压的一阶导数与二阶导数。

13.一种自驱动矢量传感器，其特征在于，包括：

权利要求5-7、9中任一项所述的摩擦纳米发电机，

其中，该摩擦纳米发电机的第一输出端和第二输出端作为该矢量传感器的信号输出端。

14.根据权利要求13所述的自驱动矢量传感器，其特征在于，该自驱动矢量传感器的信号输出端的电压变化用于表征转动速度、频率以及角度，其中该电压变化包含：电压值的变化以及电压的一阶导数与二阶导数。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的自驱动矢量传感器，其特征在于，所述信号输出端之间连接有负载；

可选的，所述负载为电容器或者电阻。

16.一种自驱动方向传感器，其特征在于，包括：

权利要求10所述的摩擦纳米发电机，且多个电荷收集层设置于所述第二支撑层中与第二摩擦层相邻的不同方向的侧面或周面；

其中，该摩擦纳米发电机的多个第一输出端作为该矢量传感器的多个第一信号输出端，第二输出端作为该矢量传感器与多个第一信号输出端对应的公共信号输出端，所述第一摩擦层与第二摩擦层在不同方向互相滑动摩擦时，在相应的第一输出端和第二输出端之间有电压信号输出。

17.根据权利要求16所述的自驱动方向传感器，其特征在于，多个第一信号输出端分别连接各个方向指示单元中对应指示方向的方向指示单元的一端，公共信号输出端连接各个方向指示单元的另一端。

18.根据权利要求17所述的自驱动方向传感器，其特征在于，

该方向指示单元包含多个LED指示灯；

优选的，所述方向指示单元为多个LED指示灯排列形成的方向箭头。

19.根据权利要求17或18所述的自驱动方向传感器，其特征在于，所述自驱动方向传感器的第二摩擦单元设置于待测运动物体上；

可选的，所述待测运动物体包括如下物体的一种或几种：鼠标、笔、黑板擦。

20.一种自驱动矢量传感器，作为轨迹跟踪/成像传感器，其特征在于，包括：

权利要求10所述的摩擦纳米发电机，且多个电荷收集层设置于所述第二支撑层中与第二摩擦层相邻的不同方向的侧面或周面；其中，该摩擦纳米发电机的多个第一输出端作为该矢量传感器的多个第一信号输出端，第二输出端作为该矢量传感器与多个第一信号输出端对应的公共信号输出端；以及

轨迹跟踪系统，与所述多个第一信号输出端及公共信号输出端连接，用于根据矢量叠加基于不同信号输出端的电压变化获取该矢量传感器的运动信息，实现轨迹跟踪。

21.根据权利要求20所述的自驱动矢量传感器，其特征在于，还包括：成像模块，用于显示电压变化图像，以表征矢量传感器的运动信息。

22.根据权利要求11-15、20或21中任一项所述的自驱动矢量传感器，其特征在于，所述自驱动矢量传感器的第二摩擦单元设置于待测运动物体上；

可选的，所述待测运动物体包括如下物体的一种或几种：鼠标、笔、黑板擦。

23.一种发电系统，其特征在于，包含权利要求1至10中任一项所述的摩擦纳米发电机。

24.一种传感系统，其特征在于，包含权利要求11-15、20-22中任一项所述的自驱动矢量传感器、或者包含权利要求16-19中任一项所述的自驱动方向传感器。

25.根据权利要求24所述的传感系统，其特征在于，该传感系统用于非线性表面的传感。

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