CN114400921B

CN114400921B - 一种可拉伸能量收集装置及电子器件

Info

Publication number: CN114400921B
Application number: CN202210066072.0A
Authority: CN
Inventors: 文震; 程萍; 孙旭辉
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2042-01-20
Also published as: CN114400921A

Abstract

本发明提供了一种可拉伸能量收集装置及电子器件，属于摩擦纳米发电机技术领域。该可拉伸能量收集装置包括：多个依次布置于同一预设平面的柔性单元，均由可拉伸材料制成，相邻的两个所述柔性单元形成接触分离式摩擦纳米发电机；和两个拉伸层，均与所述预设平面平行，且分别覆盖且连接于所有所述柔性单元的顶面和底面处，所述拉伸层被拉伸和收缩时带动相邻的两个所述柔性单元接触和分离，以产生电能，每一所述拉伸层均由可拉伸材料制成。本发明还提供了包括该可拉伸能量收集装置的电子器件本。发明的可拉伸能量收集装置及电子器件能够有效提高能量的利用率和发电效率。

Description

一种可拉伸能量收集装置及电子器件

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，特别是涉及一种可拉伸能量收集装置及电子器件。

背景技术

近年来，可穿戴/可植入电子器件被广泛应用于监测、治疗体外和体内的慢性疾病。目前为止，大部分可穿戴/可植入电子设备几乎都由微型电池供电，这种电池质地坚硬，并且续航时间很短。尤其对于植入式的电子设备，需要进行额外的手术来更换电量耗尽的电池。设计一种柔性可拉伸的电源器件，并且实现自身电能的产生是保证可穿戴/可植入电子设备持续运行的关键。

摩擦纳米发电机作为一项强大的能量收集技术，为人体低频率的运动机械能的收集提供了新的机遇。机械能，尤其是拉伸形式的机械能在我们人体中无处不在，我们皮肤/组织本身拉伸运动产生的机械能就是能量的潜在来源。基于摩擦起电和静电感应的耦合，摩擦纳米发电机显示出了收集低频和非定向运动的优势，因此，摩擦纳米发电机可以被设计成自供电的电源。目前，已经有部分可拉伸的摩擦纳米发电机被设计出来并被植入大鼠和猪的体内作为传感器/电源来监测心率/为电子设备供电。

但是，目前的可拉伸的摩擦纳米发电机效率较低，无法高效地利用人体的机械能并高效地产出电能。

发明内容

本发明第一方面的一个目的是提供一种可拉伸能量收集装置，能够有效提高能量的利用率和发电效率。

本发明的进一步的一个目的是要提高工作效率，并节约成本。

本发明的更进一步的一个目的是要提高与人体皮肤组织的兼容性。

本发明第二方面的一个目的是提供一种包括上述柔性可拉伸能量收集装置的电子器件。

特别地，本发明提供了一种柔性可拉伸能量收集装置，包括：

多个依次布置于同一预设平面的柔性单元，均由可拉伸材料制成，相邻的两个所述柔性单元形成接触分离式摩擦纳米发电机；和

两个拉伸层，均与所述预设平面平行，且分别覆盖且连接于所有所述柔性单元的顶面和底面处，所述拉伸层被拉伸和收缩时带动相邻的两个所述柔性单元接触和分离，以产生电能，每一所述拉伸层均由可拉伸材料制成。

可选地，多个所述柔性单元沿预设方向依次布置，每一所述柔性单元均包括沿所述预设方向依次布置的第一电极层、间隔层、第二电极层和摩擦层，所述间隔层用于隔离所述第一电极层和所述第二电极层，每一所述柔性单元的摩擦层和与其相邻的所述柔性单元的第一电极层在所述拉伸层的带动下接触和分离。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层均由炭黑和硅橡胶的混合物制成，所述摩擦层由SEBS材料制成。

可选地，每一柔性单元均包括一个电极块和一个摩擦块，所述电极块包括间隔块和围绕所述间隔块的周侧设置的环形电极层，所述摩擦块包括块状电极和围绕所述块状电极的周侧设置的环形摩擦层，每一所述电极块和每一所述摩擦块相邻布置且所有所述电极块和所述摩擦块形成同一平面上的二维阵列。

可选地，所述电极块和所述摩擦块均呈立方体状。

可选地，所述拉伸层由硅橡胶制成，每一所述柔性单元的厚度为毫米级别。

可选地，各个柔性单元中相同极性的电极通过导线相连，以并联各个摩擦纳米发电机并形成柔性器件，所述可拉伸能量收集装置还包括可拉伸二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器的两个输入端与所述柔性器件的两极相连，所述可拉伸二极管桥式整流器包括四个可拉伸二极管。

可选地，所述可拉伸二极管包括依次层叠的基底、栅极电极、介电层、半导体层以及设置于所述半导体层上的源极电极和漏极电极，所述源极电极和所述栅极电极相连，所述栅极电极、所述源极电极和所述漏极电极均由碳纳米管制成。

可选地，可拉伸能量收集装置还包括：

电容器，并联于所述可拉伸二极管桥式整流器的输出端；

第一开关，设置于所述电容器与所述可拉伸二极管桥式整流器之间；

第二开关，设置于所述电容器和负载之间。

特别地，本发明还提供了一种电子器件，包括上述任一项所述的可拉伸能量收集装置。

根据本发明的一个实施例，提供了一种可拉伸能量收集装置，包括由多个间隔布置的柔性单元形成的多个接触分离式摩擦纳米发电机，在两个拉伸层之间形成一个高密度的能量收集阵列，能够有效提高能量的利用率和发电效率。

根据本发明的一个实施例，选用具有良好分离性能和输出性能的SEBS作为摩擦材料，价格低廉的炭黑和硅橡胶混合物作为电极收集人体皮肤/组织在拉伸过程中产生的机械能，能够提高工作效率，并节约成本。

进一步地，这些可拉伸材料的选择，极大地提高了与人体皮肤组织的兼容性。

根据本发明的一个实施例，可拉伸能量收集装置包括二维矩阵布置的多个摩擦纳米发电机，极大的提高装置的单位密度，提高性能输出，进一步地提高了机械能量的利用率和能量转换效率。

根据本发明的一个实施例，可拉伸二极管构建的可拉伸二极管桥式整流器在受到外界的拉伸时展现出良好的拉伸性能和输出性能，能够与人体低模量的皮肤组织在很大程度上形成良好的贴合，保证人体的舒适性，以及人体皮肤和器官的正常工作。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的柔性可拉伸能量收集装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的截面示意图；

图3是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的摩擦纳米发电机在不同拉伸程度下的应力-应变曲线；

图4是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的摩擦纳米发电机在不同拉伸率下的转移电荷量图；

图5是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的摩擦纳米发电机在不同拉伸率下的开路电压图；

图6是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的摩擦纳米发电机在不同拉伸率和负载下的输出电流图；

图7是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的摩擦纳米发电机在不同拉伸率下的输出峰值功率密度；

图8是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的摩擦纳米发电机获取生物机械能的开路电压和短路电流曲线图；

图9是根据本发明另一个实施例的可拉伸能量收集装置的结构示意图；

图10是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的可拉伸二极管桥式整流器的结构示意图；

图11是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的可拉伸二极管桥式整流器的在不同拉伸率下的输出性能曲线图；

图12是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的可拉伸二极管的剖面示意图；

图13是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的可拉伸二极管的输出特性曲线图；

图14是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置的连接示意图。

附图标记：

可拉伸能量收集装置100、柔性单元10、拉伸层20、第一电极层11、间隔层12、第二电极层13、摩擦层14、电极块101、摩擦块102、间隔块1、环形电极层2、块状电极3、环形摩擦层4、可拉伸二极管桥式整流器30、可拉伸二极管31、基底311、栅极电极312、介电层313、半导体层314、源极电极315、漏极电极316、电容器40、第一开关50、第二开关60、电源70、负载200

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的结构示意图。如图1所示，一个实施例中，可拉伸能量收集装置100包括多个依次布置于同一平面的柔性单元10和两个拉伸层20，各个柔性单元10可以线性间隔排布，也可以呈二维矩阵的形式排布。每一柔性单元10均由可拉伸材料制成，相邻的两个柔性单元10形成接触分离式摩擦纳米发电机。两个拉伸层20均与预设平面平行，两个拉伸层20分别覆盖且连接于所有柔性单元10的顶面和底面处，拉伸层20被拉伸和收缩时带动相邻的两个柔性单元10接触和分离，以产生电能。每一拉伸层20均由可拉伸材料制成，例如，拉伸层20由硅橡胶(如Ecoflex10)制成，其杨氏模量约为20Kpa，拉伸率可达到100％。该装置可以应用于人体机械能的收集尤其是拉伸的机械能，也可用于其他任意场景的拉伸、弯曲能量的收集。

当将上述可拉伸能量收集装置100运用到人体的可穿戴或可植入电子器件时，可以将器件贴附在人体的皮肤组织上，可拉伸能量收集装置100的拉伸层20随着皮肤的伸缩进行交替的拉伸和收缩，使得每个柔性单元10交替地发送接触和分离，在这个过程中可以实现人体的拉伸能量转化成电能。当然在运用到人体时，可以将可拉伸能量收集装置100设置成厚度为毫米级别的尺寸。

本实施例提供的可拉伸能量收集装置100包括由多个间隔布置的柔性单元10形成的多个接触分离式摩擦纳米发电机，在两个拉伸层20之间形成一个高密度的能量收集阵列，能够有效提高能量的利用率和发电效率。

图2是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的截面示意图。图2中各个柔性单元10处于分离状态。如图2所示，一个实施例中，多个柔性单元10沿预设方向依次布置，即直线布置。每一柔性单元10均包括沿预设方向依次布置的第一电极层11、间隔层12、第二电极层13和摩擦层14，间隔层12用于隔离第一电极层11和第二电极层13，预设方向与拉伸层20平行。每一柔性单元10的摩擦层14和与其相邻的柔性单元10的第一电极层11在拉伸层20的带动下接触或分离，以产生电能。这里的第一电极层11、间隔层12、第二电极层13和摩擦层14均由可拉伸材料制成，例如，第一电极层11和第二电极层13均由炭黑和硅橡胶的混合物(例如Ecoflex 30)制成，摩擦层14由SEBS材料制成，间隔层12由硅橡胶材料制成，也可以是任何其他绝缘可拉伸弹性体。为了更好地运用到人体，一个实施例中，该柔性单元10的厚度可以设置为4-5mm中的任一值，例如4mm、4.6mm或5mm，长度设置为15-20mm中任一值，例如15mm、18mm或20mm，柔性单元10的宽度是第一电极层11、间隔层12、第二电极层13和摩擦层14的厚度的和。

本实施例中选用具有良好分离性能和输出性能的SEBS作为摩擦材料，价格低廉的炭黑和硅橡胶混合物作为电极收集人体皮肤/组织在拉伸过程中产生的机械能，能够提高工作效率，并节约成本。

图3是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的摩擦纳米发电机在不同拉伸程度下的应力-应变曲线。图4是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的摩擦纳米发电机在不同拉伸率下的转移电荷量图。图5是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的摩擦纳米发电机在不同拉伸率下的开路电压图。图6是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的摩擦纳米发电机在不同拉伸率和负载200下的输出电流图。图7是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的摩擦纳米发电机在不同拉伸率下的输出峰值功率密度。图8是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的摩擦纳米发电机获取生物机械能的开路电压和短路电流曲线图。一个实施例中，一个可拉伸能量收集装置100包括并排设置的10个柔性单元10，并且使得该可拉伸能量收集装置100的尺寸为12mm*5mm*18mm(宽度*厚度*长度)，其中，每个拉伸层20的厚度为200μm。对本实施例的可拉伸能量收集装置100进行试验，将得出的试验数据整理后得到图3至图8。图3示出了本实施例的可拉伸能量收集装置100的拉伸层20分别在1毫米间隔20/150千帕、1毫米间隔20千帕和0.5毫米间隔20千帕三种拉伸程度下的应力应变关系，由图3可知，即使在100％应变下，在分离模量为0.5毫米间隔20kPa的器件时所需要消耗的力也仅为0.35N。换句话说，这种装置可以很容易地由很小的外力驱动，适用于收集我们人体上的微小拉伸机械能。如图4和图5所示，本实施例中，在拉伸层20的拉伸率为100％时，该可拉伸能量收集装置100可以达到120nC转移电荷量和300V峰值开路电压。如图6所示，本实施例在拉伸层20的拉伸率为100％时，该可拉伸能量收集装置100的电流可以达到5μA。如图7所示，拉伸层20的拉伸率为100％时，该可拉伸能量收集装置100的输出峰值功率密度可以达到1.1W/m²。如图8所示，图中为其收集手腕处机械能的开路电压和短路电流曲线，该可拉伸能量收集装置100收集手腕处的机械能可以点亮约50个LED小灯泡。

图9是根据本发明另一个实施例的可拉伸能量收集装置100的结构示意图。另一个实施例中，如图9所示，每一柔性单元10均包括一个电极块101和一个摩擦块102，图9中各个电极块101和摩擦块102之间处于分离状态。电极块101包括间隔块1和围绕间隔块1的周侧设置的环形电极层2，摩擦块102包括块状电极3和围绕块状电极3的周侧设置的环形摩擦层414，每一电极块101和每一摩擦块102相邻布置且形成同一平面上的二维阵列。可选地，电极块101和摩擦块102均呈立方体状，在其他未示出的实施例中，电极块101和摩擦块102可以是其他二维对称的图形。这里的环形电极层2和块状电极3可以均由炭黑和硅橡胶的混合物(例如Ecoflex 30)制成，摩擦块102由SEBS材料制成，间隔块1由硅橡胶材料制成，也可以是任何其他绝缘可拉伸弹性体。

本实施例的可拉伸能量收集装置100包括二维矩阵布置的多个摩擦纳米发电机(相邻的电极块101和摩擦块102构成一个摩擦纳米发电机)，极大的提高装置的单位密度，提高性能输出，进一步地提高了机械能量的利用率和能量转换效率。

图10是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的可拉伸二极管桥式整流器30的结构示意图。图11是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的可拉伸二极管桥式整流器30的在不同拉伸率下的输出性能曲线图。一个实施例中，各个柔性单元10中相同极性的电极通过导线相连，以并联各个摩擦纳米发电机并形成柔性器件，例如图1中所有第一电极层11相连，所有第二电极层13相连，如图10所示，可拉伸能量收集装置100还包括可拉伸二极管桥式整流器30，可拉伸二极管桥式整流器30的两个输入端与柔性器件的两极相连，例如所有第一电极层11的并联集中点和所有第二电极层13的并联集中点分别与可拉伸二极管桥式整流器30的输入端相连。可拉伸二极管桥式整流器30包括四个可拉伸二极管31。如图11所示，该可拉伸二极管桥式整流器30在不同的拉伸率下均能保持良好的整流特性。

图12是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的可拉伸二极管31的剖面示意图。图13是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的可拉伸二极管31的输出特性曲线图。如图12所示，可拉伸二极管31包括依次层叠的基底311、栅极电极312、介电层313、半导体层314以及设置于半导体层314上的源极电极315和漏极电极316。源极电极315和栅极电极312相连，以使得该可拉伸二极管31具有单向导通性能。如图13所示，分别绘制了可拉伸二极管31在拉伸率为0、50％、100％和回复到0时对应的电压电流曲线，该可拉伸二极管31展现出了优异的单向导通性能。栅极电极312、源极电极315和漏极电极316均由碳纳米管制成。

本实施例的可拉伸二极管31构建的可拉伸二极管桥式整流器30在受到外界的拉伸时展现出良好的拉伸性能和输出性能，能够与人体低模量的皮肤组织在很大程度上形成良好的贴合，保证人体的舒适性，以及人体皮肤和器官的正常工作。

图14是根据本发明一个实施例的可拉伸能量收集装置100的连接示意图。如图14所示，可拉伸能量收集装置100还包括电容器40、第一开关50和第二开关60，该可拉伸能量收集装置100的电源70为上述的柔性单元10和拉伸层20所构成的摩擦纳米发电机。电容器40并联于可拉伸二极管桥式整流器30的输出端。第一开关50设置于电容器40与可拉伸二极管桥式整流器30之间。第二开关60设置于电容器40和负载200之间。通过电容器40的设置能够存储电能，第一开关50用于控制是否将电能存储至电容器40，第二开关60的设置用于控制是否给负载200供电，这里的负载200可以是电子器件上的用电单元。

本发明还提供了一种电子器件，该电子器件可以是穿戴式或植入式电子器件，也即一种可拉伸的电子设备，该电子器件包括上述任一实施例或实施例组合中的可拉伸能量收集装置100，可拉伸能量收集装置100能够有效提高能量的利用率和发电效率，为电子器件供电。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种可拉伸能量收集装置，其特征在于，包括：

两个拉伸层，均与所述预设平面平行，且分别覆盖且连接于所有所述柔性单元的顶面和底面处，所述拉伸层被拉伸和收缩时带动相邻的两个所述柔性单元接触和分离，以产生电能，每一所述拉伸层均由可拉伸材料制成；

多个所述柔性单元沿预设方向依次布置，每一所述柔性单元均包括沿所述预设方向依次布置的第一电极层、间隔层、第二电极层和摩擦层，所述间隔层用于隔离所述第一电极层和所述第二电极层，每一所述柔性单元的摩擦层和与其相邻的所述柔性单元的第一电极层在所述拉伸层的带动下接触和分离；

所述预设方向为所述拉伸层的延伸方向。

2.根据权利要求1所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

所述第一电极层和所述第二电极层均由炭黑和硅橡胶的混合物制成，所述摩擦层由SEBS材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

所述拉伸层由硅橡胶制成，每一所述柔性单元的厚度为毫米级别。

4.根据权利要求1或2所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

各个柔性单元中相同极性的电极通过导线相连，以并联各个摩擦纳米发电机并形成柔性器件，所述可拉伸能量收集装置还包括可拉伸二极管桥式整流器，所述可拉伸二极管桥式整流器的两个输入端与所述柔性器件的两极相连，所述可拉伸二极管桥式整流器包括四个可拉伸二极管。

5.根据权利要求4所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

所述可拉伸二极管包括依次层叠的基底、栅极电极、介电层、半导体层以及设置于所述半导体层上的源极电极和漏极电极，所述源极电极和所述栅极电极相连，所述栅极电极、所述源极电极和所述漏极电极均由碳纳米管制成。

6.根据权利要求4所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，还包括：

电容器，并联于所述可拉伸二极管桥式整流器的输出端；

第二开关，设置于所述电容器和负载之间。

7.一种可拉伸能量收集装置，其特征在于，包括：

每一柔性单元均包括一个电极块和一个摩擦块，所述电极块包括间隔块和围绕所述间隔块的周侧设置的环形电极层，所述摩擦块包括块状电极和围绕所述块状电极的周侧设置的环形摩擦层，每一所述电极块和每一所述摩擦块相邻布置且所有所述电极块和所述摩擦块形成同一平面上的二维阵列。

8.根据权利要求7所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

所述电极块和所述摩擦块均呈立方体状。

9.根据权利要求7或8所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

10.根据权利要求7或8所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

11.根据权利要求10所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，

12.根据权利要求10所述的可拉伸能量收集装置，其特征在于，还包括：

电容器，并联于所述可拉伸二极管桥式整流器的输出端；

第二开关，设置于所述电容器和负载之间。

13.一种电子器件，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的可拉伸能量收集装置。

14.一种电子器件，其特征在于，包括权利要求7-12中任一项所述的可拉伸能量收集装置。