CN113541526B - 一种基于多介质的微发电机和发电机组 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于多介质的微发电机和发电机组，包括滑动件，绝缘介质层和电极；绝缘介质层包括在平行于滑动件滑动方向上分布的多个介质单元；绝缘介质层和滑动件带有电荷，且相邻介质单元所带电荷电性相反；滑动件在多个介质单元的上表面往复滑动。绝缘介质层包括多个介质单元，当滑动件在相邻介质单元中的第一种介质单元上时，电极中的电荷量为第二种介质单元与滑动件之间的转移电荷量，当滑动件滑动至第二种介质单元上时，电极中的电荷量变为第一种介质单元与滑动件之间的转移电荷量，由于相邻介质单元所带的电荷电性相反，电极中转移的电荷量总量为所有介质单元中所带电荷量的数量和，发电机的输出性能增强。

Description

一种基于多介质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多介质的微发电机和发电机组。

背景技术

微发电机可以在非常小的外界作用力下发生滑动摩擦，进而产生电能，其尺寸很小，广泛应用于传感器、物联网、传感器网络、大数据、个人医疗系统、人工智能等领域。

微发电机中的滑动件与均匀单一的绝缘介质层发生相对滑动，滑动件与绝缘介质层在相对静止时带有电性相反的电荷，在滑动件发生滑动过程中，微发电机电极中出现电荷转移，电荷转移量为滑动件与绝缘介质层之间的转移电荷量，滑动件与绝缘介质层之间的转移电荷量比较小，导致微发电机的输出性能较差。

因此，如何提升微发电机的输出性能应是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于多介质的微发电机和发电机组，以提升微发电机的输出性能。

为解决上述技术问题，本申请提供一种基于多介质的微发电机，包括滑动件，绝缘介质层和电极；

所述绝缘介质层包括在平行于所述滑动件滑动方向上分布的多个介质单元；所述绝缘介质层和所述滑动件带有电荷，且相邻所述介质单元所带电荷电性相反；所述滑动件在多个所述介质单元的上表面往复滑动。

可选的，相邻所述介质单元的间距为零。

可选的，相邻所述介质单元之间具有间隙。

可选的，还包括：

位于相邻所述介质单元之间的绝缘填充层，且所述绝缘填充层的上表面低于所述绝缘介质层的上表面。

可选的，所述绝缘介质层和所述滑动件接触电荷转移起电。

可选的，相邻所述介质单元在平行于滑动方向上的长度相等，且与所述滑动件的长度相等。

可选的，所述介质单元的数量为两个。

可选的，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。

可选的，所述绝缘介质层的材料包括浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃、锆钛酸铅中的至少一种，以及氮化铝、石英玻璃的至少一种。

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多介质的微发电机。

本申请所提供的一种基于多介质的微发电机，包括滑动件，绝缘介质层和电极；所述绝缘介质层包括在平行于所述滑动件滑动方向上分布的多个介质单元；所述绝缘介质层和所述滑动件带有电荷，且相邻所述介质单元所带电荷电性相反；所述滑动件在多个所述介质单元的上表面往复滑动。

可见，本申请中的微发电机中的绝缘介质层包括多个介质单元，当滑动件在绝缘介质层中相邻介质单元中的第一种介质单元上时，电极中的电荷量为第二种介质单元与滑动件之间的转移电荷量，当滑动件滑动至第二种介质单元上时，电极中的电荷量变为第一种介质单元与滑动件之间的转移电荷量，由于相邻介质单元所带的电荷电性相反，所以电极中转移的电荷量总量为所有介质单元中所带电荷量的数量和，相较于单一绝缘介质层，转移的电荷总量增多，所以微发电机的输出性能增强。

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一种基于多介质的微发电机的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供另一种基于多介质的微发电机的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供另一种基于多介质的微发电机的结构示意图；

图4(a)至图4(d)为本申请实施例所提供的基于多介质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。

微发电机是指尺寸在微米量级的发电机。

正如背景技术部分所述，目前微发电机中的滑动件与均匀单一的绝缘介质层发生相对滑动，滑动件与绝缘介质层在相对静止时带有电性相反的电荷，在滑动件发生滑动过程中，微发电机电极中出现电荷转移，电荷转移量为滑动件与绝缘介质层之间的转移电荷量，滑动件与绝缘介质层之间的转移电荷量比较小，导致微发电机的输出性能较差。

有鉴于此，本申请提供了一种基于多介质的微发电机，请参考图1，图1为本申请实施例所提供一种基于多介质的微发电机的结构示意图，包括滑动件3，绝缘介质层和电极1；

所述绝缘介质层包括在平行于所述滑动件3滑动方向上分布的多个介质单元2；所述绝缘介质层和所述滑动件3带有电荷，且相邻所述介质单元2所带电荷电性相反；所述滑动件3在多个所述介质单元2的上表面往复滑动。

基于多介质的微发电机还包括：连接电路，所述连接电路包括连接线，所述连接线的一端与所述电极相连接，另一端与所述滑动件连接，连接电路中还包括元件，元件包括但不限于电阻、LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)等。

本申请中对绝缘介质层中介质单元2的数量不做具体限定，例如，所述介质单元2的数量为两个，或者三个、四个等等，具体根据需要设置即可。

本申请中对相邻介质单元之间的连接情况不做具体限定，可自行设置。例如，相邻所述介质单元的间距为零，如图1所示，或者相邻所述介质单元之间具有间隙，当相邻介质单元之间具有间隙时，可以有效阻止相邻介质单元之间的电荷发生转移。进一步的，当相邻介质单元之间具有间隙时，相邻介质单元之间可以为空的，不填充任何其他材料，或者相邻所述介质单元之间设置有绝缘填充层4，且所述绝缘填充层4的上表面低于所述绝缘介质层的上表面，如图2所示。本申请中对绝缘填充层4的材料不做限定，起到绝缘作用即可。

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

需要说明的是，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。

绝缘介质层中相邻介质单元2所带电荷电性相反即为当一个介质单元2带正电荷时，另一个介质单元2带负电荷，当一个介质单元2带负电荷时，另一个介质单元2带正电荷。

本申请中对绝缘介质层和滑动件3带电荷的方式不做具体限定，视情况而定。可选的，作为一种可实施的方式，所述绝缘介质层和所述滑动件3接触电荷转移起电，其中，相邻介质单元2在与滑动件3接触后带的电荷电性相反。作为另一种可实施的方式，滑动件3和绝缘介质层通过注入电荷感应带电，相邻介质单元2注入的电荷电性相反。

当绝缘介质层和滑动件3接触起电时，滑动件3既可以接地也可以不接地，本申请中不做具体限定；当绝缘介质层和滑动件3通过注入电荷带电时，滑动件3需要接地。图1中基于多介质的微发电机为未接地时的示意图，当滑动件3接地时如图3所示。需要指出的是，对于图3中的结构示意图，还可以在大地与滑动件3之间的连接线上再设置元件。

需要指出的是，本申请中对滑动件3、各个介质单元2的长度关系不做具体限定，可自行设置。为了使得微发电机的输出性能达到最大，相邻所述介质单元2在平行于滑动方向上的长度相等，且与所述滑动件3的长度相等。

本申请中的微发电机中的绝缘介质层包括多个介质单元2，当滑动件3在绝缘介质层中相邻介质单元2中的第一种介质单元2上时，电极1中的电荷量为第二种介质单元2与滑动件3之间的转移电荷量，当滑动件3滑动至第二种介质单元2上时，电极1中的电荷量变为第一种介质单元2与滑动件3之间的转移电荷量，由于相邻介质单元2所带的电荷电性相反，所以电极1中转移的电荷量总量为所有介质单元2中所带电荷量的数量和，相较于单一绝缘介质层，转移的电荷总量增多，所以微发电机的输出性能增强。

在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述滑动件3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。

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，从而使得基于多介质的微发电机不会出现磨损，延长微发电机的使用寿命。

形成结构超滑接触状态时，滑动件3的下表面和绝缘介质层的上表面两者中，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。

滑动件3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3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进一步增加。

需要说明的是，滑动件3的材料可以为导体材料或者半导体材料，本申请中对滑动件3的材料不做具体限定，可自行选择。当滑动件3的材料为二维的导体材料或者二维的半导体材料时，所述绝缘介质层的上表面为原子级平整的表面，所述绝缘介质层的材料包括浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃、锆钛酸铅中的至少一种，以及氮化铝、石英玻璃的至少一种。浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃、锆钛酸铅为负电性较强的材料，与滑动件3接触后带负电荷，氮化铝、石英玻璃为正电性较强的材料，与滑动件3接触后带正电荷。也就是说，绝缘介质层中至少包括一种负电性较强的介质单元2和一种正电性较强的介质单元2；或者，绝缘介质层也为单晶二维材料，即具有单晶二维界面。

二维的导体材料包括但不限于石墨、石墨烯、二硫化铌、二硫化钽，二维的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；石墨、石墨烯、二硫化铌、二硫化钽、二硫化钼、二硒化钨、二硫化钨、黑磷均为具有单晶二维界面的材料。

当绝缘介质层的材料为单晶二维材料时，例如，所述绝缘介质层的材料可以为云母和六方氮化硼，云母和六方氮化硼为具有单晶二维界面的材料，云母为负电性较强的材料，六方氮化硼为正电性较强的材料，此时，滑动件3的下表面可以为原子级平整的表面，滑动件3的材料包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、砷化镓、铟镓砷、金、铂等。

在本申请的其他实施例中，滑动件3的下表面与绝缘介质层的上表面也可以不形成结构超滑接触状态，此时滑动件3的下表面与绝缘介质层的上表面之间存在较大的摩擦力，并存在磨损，会对微发电机的性能产生影响。

下面以绝缘介质层包括两种介质单元、滑动件与绝缘介质层接触起电为例，对本申请中的基于多介质的微发电机工作原理进行阐述。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多介质的微发电机的工作原理流程图。

为了便于描述，将两个介质单元分别称为第一介质单元2'和第二介质单元2”，第一介质单元2'与滑动件3接触后带负电荷，第二介质单元2”与滑动件3接触后带正电荷。滑动件3与绝缘介质层之间形成

如图4(a)所示，滑动件3与第一介质单元2'接触，发生接触起电，第一介质单元2'带负电荷，滑动件3中带正电荷；随着滑动件3向第二介质单元2”方向滑动，滑动起电，如图4(b)所示，在滑动过程中滑动件3与绝缘介质层之间形成结构超滑接触状态，滑动件3与绝缘介质层之间几乎没有摩擦力，磨损为零，第二介质单元2”与滑动件3接触的部分带正电荷，滑动件3与第二介质单元2”接触的部分带负正电荷，电极1中的部分电子流向滑动件3中，以平衡滑动件3与第二介质单元2”对应部分的正电荷，电流方向为由滑动件3到电极1；当滑动件3滑至最右端时，如图4(c)所示，这一时刻没有电流产生，滑动件3完全与第二介质单元2”接触，发生接触起电，第二介质单元2”带正电荷，滑动件3中带负电荷，电极1中带正电荷；滑动件3再向第一介质单元2'滑动，如图4(d)所示，直至滑动至最左端，在滑动过程中滑动件3与绝缘介质层之间形成结构超滑接触状态，滑动件3与绝缘介质层之间几乎没有摩擦力，磨损为零，电极1中的正电荷流向滑动件3中，同时滑动件3中的负电荷向电极1中流动，电流方向为由电极1到滑动件3。随着滑动件3的往复运动，在滑动件3和电极1之间形成交流电。即假设滑动件3与第一介质单元2'转移电荷量为Q1，滑动件3与第二介质单元2”转移电荷量为-Q2，当滑动件3在第一介质单元2'时，电极1中的感应电荷为-Q2，当由第一介质单元2'滑动至第二介质单元2”时，电极1中的感应电荷由-Q2变为Q1，电极与地之间的转移电荷总量为Q1+Q2。

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发生相对滑动时，滑动件与绝缘介质层之间几乎没有摩擦力，磨损为零，同时滑动件与绝缘介质层之间发生相对滑动时，电子在滑动件和电极之间转移，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所述的基于多介质的微发电机。

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多介质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)

1.一种基于多介质的微发电机，其特征在于，包括滑动件，绝缘介质层和电极，以及连接电路；

所述绝缘介质层包括在平行于所述滑动件滑动方向上分布的多个介质单元；所述绝缘介质层和所述滑动件带有电荷，且相邻所述介质单元所带电荷电性相反；所述滑动件在多个所述介质单元的上表面往复滑动；

其中，所述绝缘介质层和所述滑动件接触电荷转移起电；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；

所述连接电路包括连接线，所述连接线的一端与所述电极相连接，另一端与所述滑动件连接。

2.如权利要求1所述的基于多介质的微发电机，其特征在于，相邻所述介质单元的间距为零。

3.如权利要求1所述的基于多介质的微发电机，其特征在于，相邻所述介质单元之间具有间隙。

4.如权利要求3所述的基于多介质的微发电机，其特征在于，还包括：

位于相邻所述介质单元之间的绝缘填充层，且所述绝缘填充层的上表面低于所述绝缘介质层的上表面。

5.如权利要求1所述的基于多介质的微发电机，其特征在于，相邻所述介质单元在平行于滑动方向上的长度相等，且与所述滑动件的长度相等。

6.如权利要求1所述的基于多介质的微发电机，其特征在于，所述介质单元的数量为两个。

7.如权利要求1至6任一项所述的基于多介质的微发电机，其特征在于，所述绝缘介质层的材料包括浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃、锆钛酸铅中的至少一种，以及氮化铝、石英玻璃的至少一种。

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任一项所述的基于多介质的微发电机。