CN113541525B - 一种基于结构超滑的微发电机和发电机组 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于结构超滑的微发电机和发电机组，包括滑动件，绝缘介质层，电极，绝缘介质层为单一材料的介质层；滑动件和绝缘介质层相对滑动，滑动件的下表面与绝缘介质层的上表面形成结构超滑接触状态；滑动件在绝缘介质层的上表面对应电极的区域和未对应电极的区域往复滑动，滑动件和绝缘介质层接触起电或者通过注入电荷感应带电。滑动件和绝缘介质层接触起电或者通过注入电荷带电，当滑动件和绝缘介质层相对滑动，电极中感应出电荷，由于滑动接触的两表面形成结构超滑接触状态，滑动时不产生磨损，使用寿命延长；滑动接触的两表面实际接触面积和表观接触面积相接近，实际接触面积相对较大，表面电荷密度增大，增大发电机输出性能。

Description

一种基于结构超滑的微发电机和发电机组

技术领域

本申请涉及微型发电设备技术领域，特别是涉及一种基于结构超滑的微发电机和发电机组。

背景技术

摩擦发电机是一种微型电子器件，利用摩擦起电和静电感应效应的耦合，并配合薄层式电极的设计，实现电流的有效输出，具有结构非常简单、轻巧等特点。

摩擦发电机在使用的过程中两个摩擦材料层进行往复的摩擦，为了增大表面电荷密度，提升摩擦发电机的输出性能，会在两个摩擦面设置微米或者次微米量级的微结构，例如纳米线、纳米管、纳米球、微米沟槽、微米锥、微米球等，微结构可以增大两个摩擦面的面积，但是，在摩擦发电机使用过程中，微结构会发生磨损，从而影响摩擦发电机的输出性能和使用寿命。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于结构超滑的微发电机和发电机组，以增加基于结构超滑的微发电机的输出性能，并延长使用寿命。

为解决上述技术问题，本申请提供一种基于结构超滑的微发电机，包括滑动件，绝缘介质层，电极，所述绝缘介质层为单一材料的介质层；

所述滑动件和所述绝缘介质层相对滑动，所述滑动件的下表面与所述绝缘介质层的上表面形成结构超滑接触状态；

所述滑动件在所述绝缘介质层的上表面对应所述电极的区域和未对应所述电极的区域往复滑动，所述滑动件和所述绝缘介质层接触起电或者通过注入电荷感应带电。

可选的，还包括：

连接电路，所述连接电路包括连接线，所述电极和所述滑动件分别连接有连接线，且所述滑动件接地，所述滑动件、所述电极与大地之间均存在电子转移。

可选的，所述电极和所述滑动件与大地的连接线上分别连接有元件。

可选的，连接线的一端与所述电极相连接，另一端与大地相连，且所述滑动件与大地之间不存在电子转移。

可选的，所述滑动件的材料为二维的导体材料、半导体材料或绝缘体材料。

可选的，所述绝缘介质层的上表面为原子级平整的表面，且所述绝缘介质层的材料为非单晶二维材料。

可选的，所述绝缘介质层的材料为下述任一种：

二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝。

可选的，所述绝缘介质层的厚度为100nm～500nm，包括端点值。

可选的，所述绝缘介质层的材料为单晶二维材料。

可选的，所述电极的长度和所述滑动件的长度相等，且所述电极和所述滑动件的长度之和等于所述绝缘介质层的长度。

本申请还提供一种发电机组，所述发电机组包括多个串联和/或并联的上述任一种所述的基于结构超滑的微发电机。

本申请所提供的一种基于结构超滑的微发电机，包括滑动件，绝缘介质层，电极，所述绝缘介质层为单一材料的介质层；所述滑动件和所述绝缘介质层相对滑动，所述滑动件的下表面与所述绝缘介质层的上表面形成结构超滑接触状态；所述滑动件在所述绝缘介质层的上表面对应所述电极的区域和未对应所述电极的区域往复滑动，所述滑动件和所述绝缘介质层接触起电或者通过注入电荷感应带电。

可见，本申请中的基于结构超滑的微发电机包括滑动件、绝缘介质层和电极，滑动件和绝缘介质层接触起电或者通过注入电荷感应带电，当滑动件和绝缘介质层相对滑动，电极中感应出电荷，由于滑动件的下表面和绝缘介质层的上表面形成结构超滑接触状态，在超滑接触状态下，滑动件的下表面和绝缘介质层的上表面相对滑动时不会产生磨损，也即基于结构超滑的微发电机不会出现磨损，使用寿命延长，并且，滑动件的下表面和绝缘介质层的上表面的实际接触面积和表观接触面积相接近，实际接触面积相对较大，所以滑动件的下表面和绝缘介质层的上表面的表面电荷密度增大，使得超微发电机单位面积的输出性能增加。

此外，本申请还提供一种具有上述优点的发电机组。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种基于结构超滑的微发电机的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的另一种基于结构超滑的微发电机的结构示意图；

图3(a)至图3(d)为本申请实施例所提供的一种基于结构超滑的微发电机的工作原理流程图；

图4(a)至图4(d)为本申请实施例所提供的另一种基于结构超滑的微发电机的工作原理流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前为了提升摩擦发电机的输出性能，会在超擦发电机的两个摩擦面设置微米或者次微米量级的微结构，微结构可以增大两个摩擦面的面积，但是，在摩擦发电机使用过程中，微结构会发生磨损，从而影响摩擦发电机的输出性能和使用寿命。

有鉴于此，本申请提供了一种基于结构超滑的微发电机，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种基于结构超滑的微发电机的结构示意图，包括滑动件3，绝缘介质层2，电极1，所述绝缘介质层2为单一材料的介质层；

所述滑动件3和所述绝缘介质层2相对滑动，所述滑动件3的下表面与所述绝缘介质层2的上表面形成结构超滑接触状态；

所述滑动件3在所述绝缘介质层2的上表面对应所述电极1的区域和未对应所述电极1的区域往复滑动，所述滑动件3和所述绝缘介质层2接触起电或者通过注入电荷感应带电。

滑动件3和绝缘介质层2接触时，一个带正电荷，另一个带负电荷；当滑动件3和绝缘介质层2注入电荷带电时，一个注入正电荷，另一个注入负电荷，即滑动件3和绝缘介质层2带电后，电荷的电性相反。

可选的，所述绝缘介质层的厚度为100nm～500nm，包括端点值，例如100纳米，150纳米，200纳米，250纳米，300纳米，350纳米，400纳米，450纳米等等。

结构超滑接触状态是指发生相对滑动的两个接触表面之间的摩擦力几乎为零，磨损为零，滑动件3的下表面和绝缘介质层2的上表面两者中，至少一个为单晶二维界面，单晶二维界面为原子级平整的表面。原子级平整的表面指粗糙度小于1nm的表面。

原子级平整的表面可以通过对表面进行加工得到，表面为原子级平整的表面是单晶二维材料的自身属性，进行一定的加工即可以得到超滑片。

本申请中对滑动件3材料的种类不做具体限定，例如，所述滑动件3的材料为二维的导体材料、半导体材料或绝缘体材料。此时，绝缘介质层2的上表面为原子级平整的表面，绝缘介质层2的材料为非单晶二维材料，例如，所述绝缘介质层2的材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝中的任一种；或者绝缘介质层2也为单晶二维材料，即具有单晶二维界面，例如，六方氮化硼或者云母等。

当滑动件3材料为二维的导体材料时，本申请中对导体材料的具体种类不做限定。例如，所述导体材料包括但不限于石墨、石墨烯、二硫化铌、二硫化钽，石墨、石墨烯、二硫化铌、二硫化钽均为具有单晶二维界面的材料。

当滑动件3材料为二维的半导体材料时，本申请中对半导体材料的具体种类不做限定。例如，所述半导体材料包括但不限于二硫化钼、二硒化钨、二硫化钨、黑磷。二硫化钼、二硒化钨、二硫化钨、黑磷为具有单晶二维界面的材料。

当滑动件3材料为二维的绝缘体材料时，本申请中对绝缘体材料的具体种类也不做具体限定，例如，所述绝缘体材料包括但不限于六方氮化硼、云母。

当绝缘介质层2的材料为单晶二维材料时，例如，所述绝缘介质层2的材料为六方氮化硼或云母，此时，滑动件3的下表面为原子级平整的表面，滑动件3的材料为非单晶二维材料，例如硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、砷化镓、铟镓砷、金、铂等。

基于结构超滑的微发电机还包括：连接电路，连接电路包括连接线，连接线与电极1、滑动件3连接，此时滑动件3接地，或者仅与电极1连接。

滑动件3是否接地决定滑动件3材料的种类。当滑动件3接地时，滑动件3的材料为导体材料，当滑动件3不接地时，滑动件3的材料为导体材料、半导体材料、绝缘体材料中的任一种均可。下文对滑动件3接地和不接地时，超微发电机的原理进行阐述。

绝缘介质层2为单一材料的介质层，指绝缘介质层2只由一种材料组成。

电极1的材料为导电材料，进一步的，本申请中对电极1的材料的种类不做具体限定，可选的，所述电极1的材料包括但不限于下述任一种或者任意组合：

铜、铁、锡、铂、汞、铝、锌、钛、钨、铅、镍。

本申请中的基于结构超滑的微发电机包括滑动件3、绝缘介质层2和电极1，滑动件3和绝缘介质层2接触起电或者通过注入电荷感应带电，当滑动件3和绝缘介质层2相对滑动，电极1中感应出电荷，在滑动件3和电极1之间形成电信号，由于滑动件3的下表面和绝缘介质层2的上表面形成结构超滑接触状态，在超滑接触状态下，滑动件3的下表面和绝缘介质层2的上表面相对滑动时不会产生磨损，也即基于结构超滑的微发电机不会出现磨损，使用寿命延长，并且，滑动件3的下表面和绝缘介质层2的上表面的实际接触面积和表观接触面积相接近，实际接触面积相对较大，所以滑动件3的下表面和绝缘介质层2的上表面的表面电荷密度增大，使得超微发电机单位面积的输出性能增加。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述电极和所述滑动件分别连接有连接线，且所述滑动件接地，所述滑动件、所述电极与大地之间均存在电子转移。

连接滑动件的连接线中、连接电极的连接线中均存在电子的流动，也即每一根连接线均可以作为供电线路。可选的，作为一种可实施例方式，所述电极1和所述滑动件3与大地的连接线上分别连接有元件，如图2所示；可选的，作为另一种可实施例方式，还可以仅在一根连接线上连接元件，如图3(a)所示。

元件包括但不限于电阻、LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)、LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示器)等。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，连接线的一端与所述电极1相连接，另一端与大地相连，且所述滑动件3与大地之间不存在电子转移，滑动件3不连接任何连接线，如图4(a)所示，基于结构超滑的微发电机仅具有一条供电线路。

在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述电极1的长度和所述滑动件3的长度相等，且所述电极1和所述滑动件3的长度之和等于所述绝缘介质层2的长度。

当电极1的长度和滑动件3的长度之和等于绝缘介质层2的长度时，在电极1中感应出的电荷量最大，当电极1和滑动件3的长度之和等于绝缘介质层2的长度，而滑动件3的长度小于电极1的长度时，在滑动件3往复运动过程中，电极1中感应出的电荷量会减少；当电极1和滑动件3的长度之和等于绝缘介质层2的长度，而滑动件3的长度大于电极1的长度时，在滑动件3往复运动过程中，电极1中感应出的电荷量会减少。

下面以滑动件3和绝缘介质层2接触带电为例，对本申请中的超微发电机的工作原理进行阐述。请参考图3(a)至图3(d)，图3(a)至图3(d)为本申请实施例所提供的基于结构超滑的微发电机的工作原理流程图，滑动件3接地。

如图3(a)所示，滑动件3与绝缘介质层2接触起电，滑动件3中带正电荷，与滑动件3对应的绝缘介质层2部分带负电荷，在滑动件3上施加压力使得滑动件3向右滑动，滑动起电，如图3(b)所示，在滑动过程中滑动件3与绝缘介质层2之间形成结构超滑接触状态，滑动件3与绝缘介质层2之间几乎没有摩擦力，磨损为零，滑动件3中多余的正电荷被从大地流入的电子中和，电极1中由于静电感应电子流入大地产生正电荷，电流的方向流向电极1；当滑动件3滑到最右端时，如图3(c)所示，这一时刻没有电流产生，电极1中正电荷的数量达到最大；滑动件3再向左侧滑动，如图3(d)所示，直至滑到最左端，在滑动过程中滑动件3与绝缘介质层2之间形成结构超滑接触状态，滑动件3与绝缘介质层2之间几乎没有摩擦力，磨损为零，电子从大地流向电极1中，电流方向为电极1流向大地。随着滑动件3的往复运动，在滑动件3和大地之间形成交流电。

请参考图4(a)至图4(d)，图4(a)至图4(d)为本申请实施例所提供的基于结构超滑的微发电机的工作原理流程图，滑动件3不接地。

如图4(a)所示，滑动件3与绝缘介质层2接触起电，滑动件3中带正电荷，与滑动件3对应的绝缘介质层2部分带负电荷，滑动件3向右滑动的过程中滑动起电，如图4(b)所示，在滑动过程中滑动件3与绝缘介质层2之间形成结构超滑接触状态，滑动件3与绝缘介质层2之间几乎没有摩擦力，磨损为零，滑动件3中正电荷的数量增多，绝缘介质层2中负电荷数量增多，电极1中感应出正电荷，电流由大地流向电极1；当滑动件3滑到最右端时，如图4(c)所示，这一时刻没有电流产生，电极1中正电荷的数量达到最大；滑动件3再向左侧滑动，如图4(d)所示，直至滑到最左端，在滑动过程中滑动件3与绝缘介质层2之间形成结构超滑接触状态，滑动件3与绝缘介质层2之间几乎没有摩擦力，磨损为零，电子从大地流向电极1，电流方向为电极1流向大地。随着滑动件3的往复运动，在滑动件3和大地之间形成交流电。

滑动件与绝缘介质层之间形成结构超滑接触状态，滑动件与绝缘介质层之间发生相对滑动时，几乎没有摩擦力，磨损为零，同时滑动件与绝缘介质层之间发生相对滑动时，电子在大地与电极之间，或者在大地与滑动件和电极之间产生流动，输出交流电信号。由于滑动件与绝缘介质层之间形成结构超滑接触状态，滑动件与绝缘介质层之间范德华相互作用面具有接近100％的有效接触面积，从而实现稳定高密度的电流输出；同时由于结构超滑极低的摩擦力和无磨损的特性，还使得微发电机具有几乎无限的寿命；由于摩擦力极低，因此能量损耗较小，导致所需外力极低，可以应用在极其微弱的环境下，具有趋近于100％的转换效率。

本申请微发电机产生电是由接触起电产生，而并非摩擦起电，摩擦发电机是电负性相差很大的两膜层摩擦，分开时分别携带相反的电荷，形成电势差，这两个膜层的背电极通过负载连接，电势差将使得电子在两个电极之间流动，以平衡膜层间的静电电势差。一旦两个膜层再次重合，摩擦电荷产生的电势差消失，从而使得电子反相流动。两个膜层之间不断的进行接触和分离，摩擦发电机的输出端交变电流信号。

本申请还提供一种发电机组，所述发电机组包括多个串联和/或并联的上述任一实施例中所述的基于结构超滑的微发电机。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的基于结构超滑的微发电机和发电机组进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于结构超滑的微发电机，其特征在于，包括滑动件，绝缘介质层，电极，所述绝缘介质层为单一材料的介质层；

所述滑动件和所述绝缘介质层相对滑动，所述滑动件的下表面与所述绝缘介质层的上表面形成结构超滑接触状态；

所述滑动件在所述绝缘介质层的上表面对应所述电极的区域和未对应所述电极的区域往复滑动，所述滑动件和所述绝缘介质层接触起电或者通过注入电荷感应带电；

其中，当所述滑动件和所述绝缘介质层相对滑动，所述电极中感应出电荷；

所述电极和所述滑动件分别连接有连接线，且所述滑动件接地，所述滑动件、所述电极与大地之间均存在电子转移；或者，连接线的一端与所述电极相连接，另一端与大地相连，且所述滑动件与大地之间不存在电子转移。

2.如权利要求1所述的基于结构超滑的微发电机，其特征在于，当所述电极和所述滑动件分别连接有连接线，且所述滑动件接地，所述滑动件、所述电极与大地之间均存在电子转移时，所述电极和所述滑动件与大地的连接线上分别连接有元件。

3.如权利要求1所述的基于结构超滑的微发电机，其特征在于，所述滑动件的材料为二维的导体材料、半导体材料或绝缘体材料。

4.如权利要求3所述的基于结构超滑的微发电机，其特征在于，所述绝缘介质层的上表面为原子级平整的表面，且所述绝缘介质层的材料为非单晶二维材料。

5.如权利要求1所述的基于结构超滑的微发电机，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为100nm～500nm，包括端点值。

6.如权利要求1所述的基于结构超滑的微发电机，其特征在于，所述绝缘介质层的材料为单晶二维材料。

7.如权利要求1至6任一项所述的基于结构超滑的微发电机，其特征在于，所述电极的长度和所述滑动件的长度相等，且所述电极和所述滑动件的长度之和等于所述绝缘介质层的长度。

8.一种发电机组，其特征在于，所述发电机组包括多个串联和/或并联的如权利要求1至7任一项所述的基于结构超滑的微发电机。

Images