CN113746365B - 结构超滑的集成微发电机、电容式电路及微型分布式器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于结构超滑的集成微发电机、电容式控制电路及其微型分布式器件。基于结构超滑的集成微发电机，包括定子层与动子层，定子层与动子层相对设置，定子层与动子层相对滑动，动子层包括连接层和至少一个动子，动子固定连接于连接层的朝向定子层的一侧，且动子朝向定子层的一侧面为超滑面，动子与定子层超滑接触。电容式控制电路，用于供给用电器电能，至少一个集成微发电机并联或串联并经整流元件与用电器相连接。微型分布式器件，包括基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路。

Description

结构超滑的集成微发电机、电容式电路及微型分布式器件

技术领域

本发明属于微发电机技术领域，特别涉及基于结构超滑的集成微发电机、电容式控制电路及其微型分布式器件。

背景技术

微型分布式器件是一种尺寸小、数量庞大、且分布在各个应用场景中独立工作的器件。随着微纳加工技术的飞速发展，微型分布式器件有极大潜力被应用在下一代电子产品，例如物联网器件和微型机器人中，改变人类的生活。这些微型器件的数量将会极其庞大且分布广泛，因此外部集中供电给这些器件会极其困难。所以，分布式的电源自供给对于这些微型器件将会尤为重要。传统上，主要有两种途径实现电源自供给。一种是电磁感应技术，一种是化学电池技术。然而，因为这两种技术在小尺度上输出功率较小，故而难以应用到微型器件中。因此，能够在极其微弱、不同频率和不规则的外界激励下，高效能地将激励能量转化为电能，且尺寸微小、寿命极长的发电机，是人们长期的未竟梦想，在需自供电的传感器、物联网、微机器人等领域具有非常广泛的应用前景。传统微型发电机中不可避免的摩擦和磨损将导致其极易失效，而避免摩擦和磨损的一些复杂的结构又会以降低输出密度为代价。

现在主要的供电技术手段为如下几种类型。首先，电磁感应发电技术目前在人类的电力供给中起到了至关重要的作用。然而，这种发电机的输出功率是和发电机转子尺寸的三次方成正比的。因此，随着尺度的微型化，发电机的输出功率就会极低。所以，电磁感应发电难以应用到微型器件电源自供给中，而只适用于大型电器设备(场景尺度在1-105m)。另一个得到广泛应用的技术是化学电池技术。电池也是人类目前普遍使用的电力供给技术之一。对于电池来说，其储存的化学能与其体积(即尺寸的三次方)成正比，因此其从化学能转化来的电能也和尺寸的三次方成正比。因此，小尺寸的微型电池能提供的电能(或者说输出功)较少。因此目前电池主要用于消费类电子产品(尺寸在1cm-1m)。

传统的静电感应微发电机存在两个底层物理挑战，一是直接接触滑动产生的摩擦和磨损会导致器件极快速失效。滑动模式发电机在工作1000个循环后表面出现了明显的磨损。虽然利用接触分离式的结构可以在一定程度上避免摩擦和磨损问题，但这样一来难以微小化，且两电介质之间的空气极易发生静电击穿，从而导致电介质表面的固定电荷流失。而发电机的输出电流、电压和功率均和电介质表面的固定电荷量成正相关。因此，静电击穿会大大减小发电机的输出密度(即单位面积输出的电流、电压或者功率)。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于结构超滑技术实现超级微发电机，同时具备高输出密度和近乎无限的寿命，有效解决微型分布式器件供电问题基于结构超滑的集成微发电机、电容式控制电路及其微型分布式器件。

本发明的技术解决方案是基于结构超滑的集成微发电机，包括定子层与动子层，其特殊之处在于，所述定子层与所述动子层相对设置，所述定子层与所述动子层相对滑动，所述动子层包括连接层和至少一个动子，所述动子固定连接于所述连接层的朝向所述定子层的一侧，且所述动子朝向所述定子层的一侧面为超滑面，所述动子与所述定子层超滑接触。

作为优选：所述动子为一个超滑片，所述定子层朝向所述动子的一侧面为原子级平整表面。

作为优选：所述动子包括至少两个超滑片和连接结构，所述连接结构连接至少两个所述超滑片，且所述超滑片朝向所述定子的一侧面平齐，所述定子层朝向所述动子的一侧面为原子级平整表面。

作为优选：连接层和所述动子之间通过连接柱相连接，和/或，所述超滑片和所述连接结构之间通过连接柱相连接，所述连接柱为刚性或柔性导电材料制成。

作为优选：所述定子层通过侧面连接为一个整体；所述动子层通过侧面连接为一个整体，对动子运动实现同步和限位。

作为优选：所述定子层和所述动子层的数量均为两个或两个以上，且所述定子层和所述动子层交替设置；或者，所述定子层的两侧均设置有所述动子层。

作为优选：还包括用于驱动所述动子层移动的俘能器。

作为优选：所述俘能器包括用于收集惯性能量的质量块、用于收集挤压位移的悬臂梁，和/或，用于收集平动位移的刚性连接臂中的一个或多个。

本发明的另一技术解决方案是基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，用于供给用电器电能，其特殊之处在于，包括至少一个如权利要求1至7任一项所述的基于结构超滑的集成微发电机，至少一个所述集成微发电机并联或串联并经所述整流元件与所述用电器相连接。

作为优选：还包括整流元件，所述整流元件与所有所述集成微发电机相并联。

作为优选：还包括稳压元件，所述稳压元件包括用于稳压的二极管和用于将波动电流转为稳定电流的电感，所述二极管与所述整流器并联，所述电感与所述二极管和所述整流器的输出端相串联。

作为优选：还包括用于储存电能的储能件，所述储能件与所述稳压元件相并联。

作为优选：所述储能件采用电容元件。

本发明的再一技术解决方案是所述微型分布式器件，其特殊之处在于：包括权利要求9至13任一项所述的基于结构超滑的集成微发电机、电容式控制电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果:

⑴本发明所述的超级微发电机，由于具有极高的输出密度和几乎无限的寿命，超级微发电机能够成为分布式微型器件的最佳供能单元，

⑵本发明所述的电容式超滑微发电机的控制电路，根据静电感应的发电原理，其输出性能体现为相对较大的开路电压和较小的短路电流，通过这种并联或串联的集成方式可以提升电流信号，更加适用于微型传感器和微电子器件供能。

⑶本发明根据静电感应的发电原理，其输出性能体现为相对较大的开路电压和较小的短路电流，通过这种并联或串联的集成方式可以提升电流信号，更加适用于微型传感器和微电子器件供能。

⑷本发明的电容式控制电路可以对输出电信号进行高效处理、存储和利用，是超滑发电机系统的核心模块之一。根据超滑SMG电流、电压、功率、匹配电阻等输出特性，能够输出模拟电信号且能够高效的处理并实现电量存储，实现小体积和高密度输出，满足产品原型样机的需求。

⑸本发明的定子层和动子层在垂直方向多层堆叠，并通过侧面连接为一个整体；对动子运动实现同步和限位，实现体积能量密度最大化。

附图说明

图1是本发明超滑微发电机俘能器的立体结构示意图；

图2是本发明超滑微发电机俘能器的主视图截面示意图；

图3是本发明超滑微发电机俘能器的侧视图截面示意图；

图4是本发明含有质量块的俘能器的结构示意图；

图5是本发明用于悬臂梁传递挤压位移产生机械能的俘能器结构；

图6是本发明用于传递平动位移产生机械能的俘能器结构；

图7是本发明电容式微发电机的控制电路图；

图8是本发明肖特基超滑微发电机的控制电路图。

主要组件符号说明：

定子层1 动子层2 连接层21 动子22

连接柱23 俘能器3 质量块31 悬臂梁32

刚性连接臂33 整流器4 用电器5 集成微发电机6

稳压元件7 二极管71 电感72 电容元件8

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

请参阅图1至图3所示，基于结构超滑的集成微发电机，包括定子层1与动子层2，所述定子层1与所述动子层2相对设置，所述定子层1与所述动子层2相对滑动，所述动子层2包括连接层21和至少一个动子22，所述动子22固定连接于所述连接层21的朝向所述定子层1的一侧，且所述动子22朝向所述定子层1的一侧面为超滑面，所述动子22与所述定子层1超滑接触。

请参阅图1至图3所示，所述动子22为一个超滑片，所述定子层1朝向所述动子22的一侧面为原子级平整表面。或者，在本实用新型的其他实施例中，所述动子22包括至少两个超滑片和连接结构，所述连接结构连接至少两个所述超滑片，且所述超滑片朝向所述定子层1的一侧面平齐，所述定子层1朝向所述动子22的一侧面为原子级平整表面。

所述连接层21和所述动子22之间通过连接柱23相连接，所述连接柱23为刚性或柔性导电材料制成，该连接柱23能够实现连接层21和动子22之间的物理连接，若连接柱23为柔性的，还可以适配不同高度的动子22，保证动子22朝向定子层1的一侧表面高度的均一。

其中，所述超滑片和所述连接结构之间也可以通过另一更小型的连接柱23相连接，所述连接柱23为刚性或柔性导电材料制成，连接柱23为柔性时，还可以适配不同高度的超滑片，保证集成的超滑片朝向定子层1的一侧表面高度的均一。

其中，定子层1一般采用硅、氧化硅或其他半导体表面，超滑片在和半导体表面之间发生相对滑动时能够产生的电信号，且该电信号为直流电信号。

本实施例中，所述定子层1在垂直方向多层堆叠，并通过侧面连接为一个整体；所述动子层2在垂直方向多层堆叠，并通过侧面连接为一个整体，对动子22运动实现同步和限位。

本实施例中，所述定子层1和所述动子层2的数量均为两个或两个以上，且所述定子层1和所述动子层2交替设置；或者，所述定子层1的两侧均设置有所述动子层2；其中，所述超滑片22至少有一个超滑面，所述超滑面由自恢复功能的原子级光滑的二维材料构成。

其中，超滑片22的材料优选为石墨片或者其他具有超滑面的材料，优选为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯类具有超滑性质的材料；各超滑片的高度和底面积可相同或不同，所述连接层21将多个高度或底面积相同或不同的超滑片22组装的厚度一致，且所有超滑片22的超滑面一致；超滑片22的厚度为100纳米至10微米，超滑片22的尺寸一般为1～20μm。

请参阅图4至图6所示，基于结构超滑的集成微发电机，还包括用于驱动所述动子层2移动的俘能器3。

本实施例中，所述俘能器3采用用于收集惯性能量的质量块31、用于收集挤压位移的悬臂梁32，和/或，用于收集平动位移的刚性连接臂33中的一个或多个，通过质量块31、悬臂梁32和/或刚性连接臂33实现外界力量的收集俘获，并传递至一层或多层的动子层2，使得动子层2和定子层1之间可以实现相对运动，其能够高效地、高带宽地俘获外界激励能量，可以与超滑接触界面固有力学特性耦合从而实现最大能量转化。

请参阅图7、图8所示，基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，用于供给用电器电能，包括至少一个如上述基于结构超滑的集成微发电机，至少一个所述集成微发电机并联或串联并经所述整流器4与所述用电器5相连接。

根据静电感应的发电原理，其输出性能体现为相对较大的开路电压和较小的短路电流，通过这种并联或串联的集成方式可以提升电流信号，更加适用于微型传感器和微电子器件供能。

电容式控制电路可以对输出电信号进行高效处理、存储和利用，是超滑发电机系统的核心模块之一。根据超滑微发电机的电流、电压、功率、匹配电阻等输出特性，能够输出模拟电信号且能够高效的处理并实现电量存储，实现小体积和高密度输出，满足产品原型样机的需求。

本实施例中，还包括整流器4，所述整流器4与所有所述集成微发电机6相并联，整流器用于将交流电信号转化为直流电信号。

本实施例中，还包括稳压元件7，稳压元件7把输出的交流电信号转化为直流、且电压相对稳定的电信号，以便为微型电子器件(图中未示)和传感器(图中未示)连续提供电能；所述稳压元件7包括用于稳压的二极管71和用于将波动电流转为稳定电流的电感72，所述二极管71与所述整流器4并联，所述电感72与所述二极管71和所述整流器4的输出端相串联。

本实施例中，还包括用于储存电能的储能件，所述储能件与所述稳压元件7相并联。

本实施例中，所述储能件采用电容元件8，用于临时存放电能，同时为用电器供能。

请参阅图1至图8所示，该微型分布式器件，包括基于结构超滑的集成微发电机6、电容式控制电路。

该微型分布式器件包括但不限于微纳机器人、传感器、心脏起搏器等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种基于结构超滑的集成微发电机，包括定子层与动子层，其特征在于，所述定子层与所述动子层相对设置，所述定子层与所述动子层相对滑动，所述动子层包括连接层和至少一个动子，所述动子固定连接于所述连接层的朝向所述定子层的一侧，且所述动子朝向所述定子层的一侧面为超滑面，所述动子与所述定子层超滑接触，所述动子包括至少两个超滑片和连接结构，所述连接结构连接至少两个所述超滑片，且所述超滑片朝向所述定子的一侧面平齐，所述定子层朝向所述动子的一侧面为原子级平整表面，所述定子层在垂直方向多层堆叠，并通过侧面连接为一个整体；所述动子层在垂直方向多层堆叠，并通过侧面连接为一个整体，对动子运动实现同步和限位。

2.根据权利要求1所述基于结构超滑的集成微发电机，其特征在于，连接层和所述动子之间通过连接柱相连接，和/或，所述超滑片和所述连接结构之间通过连接柱相连接，所述连接柱为刚性或柔性导电材料制成。

3.根据权利要求1所述基于结构超滑的集成微发电机，其特征在于，所述定子层和所述动子层的数量均为两个或两个以上，且所述定子层和所述动子层交替设置；或者，所述定子层的两侧均设置有所述动子层。

4.根据权利要求1至3任一项所述基于结构超滑的集成微发电机，其特征在于，还包括用于驱动所述动子层移动的俘能器。

5.根据权利要求4所述基于结构超滑的集成微发电机，其特征在于，所述俘能器包括用于收集惯性能量的质量块、用于收集挤压位移的悬臂梁，和/或，用于收集平动位移的刚性连接臂中的一个或多个。

6.一种基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，用于供给用电器电能，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至5任一项所述的基于结构超滑的集成微发电机，至少一个所述集成微发电机并联或串联并经整流元件与所述用电器相连接。

7.根据权利要求6所述的基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，其特征在于，还包括整流元件，所述整流元件与所有所述集成微发电机相并联。

8.根据权利要求7所述的基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，其特征在于，还包括稳压元件，所述稳压元件包括用于稳压的二极管和用于将波动电流转为稳定电流的电感，所述二极管与所述整流元件并联，所述电感与所述二极管和所述整流元件的输出端相串联。

9.根据权利要求8所述的基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，其特征在于，还包括用于储存电能的储能件，所述储能件与所述稳压元件相并联。

10.根据权利要求9所述的基于结构超滑的集成微发电机的电容式控制电路，其特征在于，所述储能件采用电容元件。

11.一种微型分布式器件，其特征在于，包括权利要求6至10任一项所述的基于结构超滑的集成微发电机、电容式控制电路。