CN202679272U - 压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机 - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，属于纳米技术领域。该纳米发电机包括：第一高分子聚合物绝缘层；第一电极，位于第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；第二高分子聚合物绝缘层；第二电极，位于第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；居间薄膜，其设有微纳凹凸结构的一侧与第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触，其未设有微纳凹凸结构的一侧与第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面固定；第一压电薄膜，涂覆在第一电极上；第三电极，镀在第一压电薄膜上。本实用新型提供的纳米发电机的总的输出电流以并联的方式被增强，提高了纳米发电机的发电效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及纳米技术领域，更具体地说，涉及一种压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机。
背景技术
基于压电效应的传感器是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。聚偏氟乙烯（以下简称：PVDF）压电薄膜是以PVDF为压电材料的传感器，它具有良好的压电性能、灵活性、化学稳定性和生物相容性等优点，已经被广泛地应用于生物医学、声学、液压和传感装置、微机电系统等领域。
举例来说，Shrinov等人将PVDF薄膜封装在PVDF材料上制造了压力传感器，Gonzales等人制造的PVDF压力传感器应用于生物医学方面，Jingang等人验证了以PVDF为基础的形变和运动传感器。
PVDF也可以做成各种结构的纳米发电机，其结构可以使用纳米薄膜或者纳米纤维。然而，这种压电纳米发电机的输出电流或单位面积的输出功率不是很高，导致它的发电效率较低。
实用新型内容
本实用新型的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，用以提高发电效率。
本实用新型提供了一种压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，包括：
第一高分子聚合物绝缘层；
第一电极，位于所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
第二高分子聚合物绝缘层；
第二电极，位于所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
居间薄膜，其一侧表面设有微纳凹凸结构，所述居间薄膜设有微纳凹凸结构的一侧与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触，所述居间薄膜未设有微纳凹凸结构的一侧与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面固定；
第一压电薄膜，涂覆在所述第一电极上；
第三电极，镀在所述第一压电薄膜上；
所述第一电极、第二电极和第三电极是所述压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的输出电极。
进一步的，所述压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机还包括：
第二压电薄膜，涂覆在所述第二电极上；
第四电极，镀在所述第二压电薄膜上；
所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极是所述压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的输出电极。
优选地，所述第一压电薄膜选自聚偏氟乙烯薄膜、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物薄膜、尼龙11薄膜、亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物薄膜中的一种。
优选地，所述第一压电薄膜和第二压电薄膜选自聚偏氟乙烯薄膜、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物薄膜、尼龙11薄膜、亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物薄膜中的一种。
优选地，所述第一压电薄膜或第二压电薄膜为无孔薄膜结构或多孔薄膜结构。
优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同。
优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的材质相同。
优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层选自 聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜和聚偏氟乙烯薄膜中的一种，居间薄膜选自其中的另外一种。
优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第一压电薄膜和第三电极均为柔性平板结构。
优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第一压电薄膜、第三电极、第二压电薄膜和第四电极均为柔性平板结构。
优选地，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层的厚度为100μm-500μm；所述居间薄膜的厚度为50μm-100μm；所述微纳凹凸结构的凸起高度小于或等于10μm。
本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机在结构上包括摩擦电发电机部分和压电发电机部分，相当于在单个混合薄膜纳米发电机中实现多个纳米发电机的并联，总的输出电流以并联的方式被增强，大大提高了纳米发电机的发电效率。
附图说明
图1a为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例一的截面示意图；
图1b为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例一的立体结构示意图；
图2a为用于制作本实用新型的居间薄膜的图形化的硅模板的结构示意图；
图2b为在图2a的硅模板上涂敷了本实用新型的居间薄膜的示意图；
图2c至图2e为不同图形化的硅模板以及通过其制作出的具有不同形状的微纳凹凸结构的居间薄膜的分解示意图；
图3a至图3c为本实用新型的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机中具有微纳凹凸结构的居间薄膜的电子显微图；
图4a为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例二的截面示意图；
图4b为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例二的立体结构示意图；
图5为图4b所示的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机弯曲时的立体结构示意图。
具体实施方式
为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本实用新型做详细说明,但本实用新型并不仅仅限于此。
图1a为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例一的截面示意图，图1b为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例一的立体结构示意图。如图1a和1b所示，本实施例的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机包括第一压电发电机部分和摩擦电发电机部分。优选地，所述摩擦电发电机部分与第一压电发电机部分共用一个电极。如图1a和1b所示，所述摩擦电发电机部分由第一电极11、第一高分子聚合物绝缘层10、居间薄膜14、第二高分子聚合物绝缘层12和第二电极13构成。具体地，第一电极11位于第一高分子聚合物绝缘层10的第一侧表面10a上，第二电极13位于第二高分子聚合物绝缘层12的第一侧表面12a上。第一电极11和第二电极13可以为导电的金属薄膜，其可以通过真空溅射法或蒸镀法镀在相应的高分子聚合物绝缘层的表面上。居间薄膜14也是一高分子聚 合物绝缘层，它位于第一高分子聚合物绝缘层10和第二高分子聚合物绝缘层12之间。居间薄膜14的一侧表面具有四棱锥型的微纳凹凸结构。其中，居间薄膜14的未设有微纳凹凸结构的一侧固定在所述第二高分子聚合物绝缘层12的第二侧表面12b上，固定的方法可以是用一层薄的未固化的高分子聚合物绝缘层作为粘结层，经过固化后，居间薄膜14将牢牢地固定于第二高分子聚合物绝缘层12上。居间薄膜14设有微纳凹凸结构的一侧与第一高分子聚合物绝缘层10的第二侧表面10b接触，两者之间形成一个摩擦界面。由此，最终形成一个类似三明治结构的器件，即本实用新型的混合薄膜纳米发电机的摩擦电发电机部分。
图1a和1b示出了具有四棱锥型的微纳凹凸结构的居间薄膜14，但居间薄膜14的微纳凹凸结构并不限于此，其还可以制作成其它形状，例如可以为如图3a所示的条纹状、如图3b所示的立方体型、如图3c所示的四棱锥型、或圆柱形等等。另外，所述居间薄膜14的微纳凹凸结构通常为有规律的纳米级至微米级的凹凸结构。
关于本实用新型的混合薄膜纳米发电机的摩擦电发电机部分中的居间薄膜，可以采用先制作图形化的硅模板，然后以图形化的硅模板为模具来制作居间薄膜的制作方法。下面结合图2a-2e和3a-3c具体说明。
图2a为用于制作本实用新型的居间薄膜的图形化的硅模板的结构示意图；图2b为在图2a的硅模板上涂敷了本实用新型的居间薄膜的示意图；图2c至图2e为不同图形化的硅模板以及通过其制作出的具有不同形状的微纳凹凸结构的居间薄膜的分解示意图。
如图2a所示的图形化的硅模板的具体制作方法如下：首先采用光刻的方法在4英寸（100）晶向的硅片表面上制作出规则的图形；然后对制作好规则的图形的硅片通过相应的刻蚀工艺，刻蚀出与微纳凹凸结构相对应的阵列结构。例如，通过湿刻的工艺进行各向异性刻蚀，可以刻蚀出凹形的四棱锥阵列结构，或者通过干刻的工艺进行各向同性刻蚀，可以刻蚀出凹形的立方体阵列结构。将刻蚀了相应形状的微纳凹凸结构的阵列结构硅片用丙酮和异丙醇清洗干净，然后将硅片在三甲基氯硅烷（例如Sigma Aldrich公司制作的）的气氛环境中进行表面硅烷化的处理，从而形成所需的图形化的硅模板， 供制作居间薄膜待用。
接下来，说明如何制作具有微纳凹凸结构表面的居间薄膜。这里以选用聚二甲基硅氧烷（以下简称PDMS）材质制作居间薄膜为例，首先将PDMS前躯体和固化剂（例如Sylgard 184,Tow Corning）以10:1的质量比混合形成混合物，然后将所述混合物涂覆于例如图2a所示的制作好的图形化的硅模板表面，如图2b所示，经过真空脱气过程后，采用旋转涂覆的方式去掉涂覆于硅模板表面上的多余的混合物，以使所涂覆的混合物在硅模板表面上形成一层均匀的薄薄的PDMS液体膜。之后，将涂覆有PDMS液体膜的整个硅模板在85摄氏度的环境中固化1小时，这时一层均匀的具有特定微凹凸结构阵列的PDMS薄膜（由PDMS液体膜固化而成）就能从硅模板上剥离下来，从而形成本实用新型的居间薄膜，即：具有特定形状的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜。
图2c-2e分别示出了利用上述方法制作出的三种不同形状的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜的硅模板以及所制作出的相应的PDMS薄膜的分解示意图，其中图2c示出了具有条纹状的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜、图2d示出了具有立方体型的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜和图2e示出了具有四棱锥型的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜。这三种形状的微纳凹凸结构的表面显微结构图如图3a-3c所示，每个PDMS薄膜的阵列单元（即图中微纳凹凸结构的凸起）的高度被限制为约10μm。具有更小尺度单元的图形阵列同样能够被制备出来，其尺度可以小到5μm，而且具有同样的高质量特征。图3a-3c示出了微纳凹凸结构的阵列单元，图中与黑色粗线（位于100μm下）同样大小的长度即表示实物100μm的长度。另外，每个图的右上方还示出了45°倾斜角度拍摄的居间薄膜的微纳凹凸结构的高放大率的SEM照片，图中与黑色粗线（位于5μm下）同样大小的长度即表示实物5μm的长度。由高分辨率的SEM照片看出，居间薄膜的微纳凹凸阵列结构都非常均匀和规则。由此可知，通过本实用新型的上述方法可以制备大尺度均匀的塑性微结构。另外，对于具有四棱锥型的微纳凹凸结构阵列的居间薄膜，由图3c所示可知，每个四棱锥单元都有一个完整的四棱锥的几何结构的锐利尖端，这将有利于其在发电过程中增加摩擦面积和提高纳米发电机的电能输出效率。此 外，制备好的PDMS薄膜（即居间薄膜）具有很好的伸缩性和透明性。
本实用新型提供的混合薄膜纳米发电机的第一压电发电机部分包括第一电极11、第一压电薄膜15和第三电极16，其中，该第一压电发电机部分与摩擦电发电机部分共用第一电极11。具体地，第一压电薄膜15涂覆在第一电极11上，第三电极16镀在第一压电薄膜15上。第一压电发电机部分的制作方法具体为：在如上关于摩擦电发电机部分中的镀在第一高分子聚合物绝缘层10的表面上的第一电极11之上，通过旋转涂覆和静电喷涂的方法在第一电极11上涂覆压电材料，形成第一压电薄膜15，然后通过真空溅射法或蒸镀法在第一压电薄膜15镀一层金属氧化物，形成第三电极16。在第一压电薄膜15两侧的金属电极（即第一电极11和第三电极16）之间加电压，使压电材料极化，极化后的第一压电薄膜15就具有了压电性能。
下面介绍摩擦电发电机部分和第一压电发电机部分的发电原理。
对于摩擦电发电机部分，第一电极11和第二电极13是摩擦电发电机电流的输出电极，这两个电极通过外电路而连接在一起。当本实施例的混合薄膜纳米发电机的各层向下弯曲时，摩擦电发电机部分中的居间薄膜14具有微纳凹凸结构的表面与第一高分子聚合物绝缘层10表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极11和第二电极13之间的电容发生改变，从而导致第一电极11和第二电极13之间出现电势差。由于第一电极11和第二电极13之间的电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧电极即第一电极11流向电势高的一侧电极即第二电极13，从而在外电路中形成电流。当本实施例的混合薄膜纳米发电机的各层恢复到原来状态时，摩擦电发电机部分中的各层恢复到其原来的平板状态，这时形成在第一电极11和第二电极13之间的内电势消失，由于整个摩擦电发电机部分内部第一电极11与居间薄膜14之间的第一高分子聚合物绝缘层10以及第二电极13与居间薄膜14之间的第二高分子聚合物绝缘层12都是绝缘结构，该绝缘结构可以防止自由电子在摩擦电发电机部分内部中和，此时已平衡的第一电极11和第二电极13之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路从第二电极13回到原来的一侧电极即第一电极11，从而在外电路中形成反向电流。这就是摩擦发电机部分的发电原理。
对于第一压电发电机部分，第一电极11和第三电极16是其电流的输出电极，第一电极11和第三电极16之间外接有外电路；第一压电发电机部分主要靠位于两个电极之间的压电薄膜在发生弯曲和恢复的过程中产生的压电效应而发电。当本实施例的混合薄膜纳米发电机的各层向下弯曲时，在第一压电发电机部分中，第一压电薄膜15处于拉伸状态，由于其β相结构具有压电效应，将会在阵列的顶端（即靠近第三电极16的一侧）产生高的电势，在阵列的底部（即靠近第一电极11的一侧）产生低的电势，此时如果外电路是导通状态，那么自由电子将从电势低的第一电极11流向电势高的第三电极16。当本实施例的混合薄膜纳米发电机的各层恢复到原来状态时，这时自由电子再由外电路返回到原来的一侧电极上。
综上所述，本实施例的混合薄膜纳米发电机由两部分组成，即第一压电发电机部分和摩擦电发电机部分。当将第二电极13和第三电极16连接在一起作为一个输出支路，第一电极11作为另一个输出支路的时候，这两部分满足基本电路连接的线性叠加原理，即无论正向叠加或反向叠加时，总的输出电流都可以以并联的方式被增强。因此，当使用本实施例提供的混合薄膜纳米发电机时，相当于在单个器件中可以实现两个纳米发电机（一个压电纳米发电机和一个摩擦电纳米发电机）的并联，使得纳米发电机的发电效率得到明显提升。
图4a为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例二的截面示意图，图4b为本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的实施例二的立体结构示意图。如图4a和4b所示，本实施例在上述实施例一的基础上，进一步包括第二压电发电机部分，且第二压电发电机部分与摩擦电发电机部分共用一个电极。
具体地，本实施例提供的混合薄膜纳米发电机的第二压电发电机部分包括第二电极13、第二压电薄膜17和第四电极18，其中，该第二压电发电机部分与摩擦电发电机部分共用第二电极13。具体地，第二压电薄膜17涂覆在第二电极13上，第四电极18镀在第二压电薄膜17上。第二压电发电机部分的制作方法具体为：在如上关于摩擦电发电机部分中的镀在第二高分子聚合物绝缘层12的表面上的第二电极13之上，通过旋转涂覆和静电喷涂的 方法在第二电极13上涂覆压电材料，形成第二压电薄膜17，然后通过真空溅射法或蒸镀法在第二压电薄膜17镀一层金属氧化物，形成第四电极18。在第二压电薄膜17两侧的金属电极（即第二电极13和第四电极18）之间加电压，使压电材料极化，极化后的第二压电薄膜17就具有了压电性能。
下面结合图5介绍摩擦电发电机部分和两个压电发电机部分的发电原理。图5为图4b所示的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机弯曲时的立体结构示意图。
对于摩擦电发电机部分和第一压电发电机部分，其发电原理与上述实施例一相同，在此不再赘述。
对于第二压电发电机部分，第二电极13和第四电极18是其电流的输出电极，第二电极13和第四电极18之间外接有外电路。第二压电发电机部分的发电原理与上面所述的第一压电发电机部分的发电原理类似，区别在于，当本实用新型的混合薄膜纳米发电机的各层向下弯曲时，第二压电薄膜17处于压缩状态，由于其β相结构具有压电效应，将会在阵列的顶端（即靠近第四电极18的一侧）产生低的电势，在阵列的底部（即靠近第二电极13的一侧）产生高的电势，此时如果外电路是导通状态，那么自由电子将从电势低的第四电极18流向电势高的第二电极13。当本实用新型的混合薄膜纳米发电机的各层恢复到原来状态时，这时自由电子再由外电路返回到原来的一侧电极上。
综上所述，本实施例的混合薄膜纳米发电机由三部分组成，即两个压电发电机部分和位于所述两个压电发电机部分之间的一个摩擦电发电机部分。当将第一电极11和第四电极18连接在一起作为一个输出支路，第二电极13和第三电极16连接在一起作为另一个输出支路的时候，这三部分满足基本电路连接的线性叠加原理，即无论正向叠加或反向叠加时，总的输出电流都可以以并联的方式被增强。因此，当使用本实施例提供的混合薄膜纳米发电机时，相当于在单个器件中可以实现三个纳米发电机（两个压电纳米发电机和一个摩擦电纳米发电机）的并联，使得纳米发电机的发电效率得到明显提升。
上述第一和第二压电纳米发电机部分和摩擦电发电机部分的制作方法 仅为一个实施例，还可以采用其他的制作方法形成上述第一和第二压电纳米发电机部分以及摩擦电发电机部分的具体结构，本实用新型对此不做限制。
在上述两个实施例中，第一压电薄膜和第二压电薄膜可以是无孔薄膜结构，也可以是多孔薄膜结构，本实用新型对此不做限制。
在上述两个实施例中，第一压电薄膜和第二压电薄膜可以选自聚偏氟乙烯薄膜、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物薄膜、尼龙11薄膜、亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物薄膜中的一种。也即，形成第一压电薄膜和第二压电薄膜的压电材料可以为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、尼龙11、或亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物。
作为一个优选实施例，由于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层都是与居间薄膜直接接触的，只要保证第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层两者均与居间薄膜的材质不同即可。作为另一个优选实施例，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的材质可以相同，但均与居间薄膜的材质不同。
具体地，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别选自聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜和聚偏氟乙烯薄膜中的任意一种。居间薄膜选自其中与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层不同的另外一种。
上述两个实施例中的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极均为金属薄膜，金属薄膜可以选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的任意一种。
优选地，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的厚度为100μm-500μm；居间薄膜的厚度为50μm-100μm；微纳凹凸结构的凸起高度小于或等于10μm。
上述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第一压电薄膜、第三电极、第二压电薄膜和第四电极均为柔性平板结构，它们通过弯曲或变形造成压电发电和摩擦起电。
此外，为了更加有效地提高输出电流或单位面积的输出功率，提高发电效率，也可以在本实用新型的混合薄膜纳米发电机之上再装配多层混合薄膜纳米发电机。例如，可以将多个实用新型的混合薄膜纳米发电机叠加在一起而形成多层混合薄膜纳米发电机，也可以根据需要在本实用新型的具有上述三个纳米发电机的混合薄膜纳米发电机之外再分别层叠多个压电发电机和/或摩擦电发电机，其中在本实用新型的混合薄膜纳米发电机之外层叠的压电发电机和/或摩擦电发电机不限于按照本实用新型的混合薄膜纳米发电机的方式进行制作，例如，可以连续层叠多个压电发电机或摩擦电发电机，也可以交叉层叠压电发电机和摩擦电发电机。
本实用新型提供的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机可以作为压力传感器使用。该混合薄膜纳米发电机由高分子聚合物组成，而且是柔性平板结构，可以任意弯曲，它具有良好的稳定性和机械性能，应用范围广泛。该混合薄膜纳米发电机将压电性能和高聚物摩擦电性能相结合，大大提高了发电机的电能输出能力和自发电传感器的灵敏度。由于整个器件的制作过程简单，成本较低，可以批量化大规模生产。
下面通过一个具体例子进一步详细描述本实用新型的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机。
在本实施例中，压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机由三部分组成，即摩擦电发电机部分以及第一和第二压电发电机部分。关于摩擦电发电机部分，其中第一电极11和第二电极13由铟锡氧化物（ITO）导电薄膜制作；第一高分子聚合物绝缘层10由聚对苯二甲酸乙二醇酯（以下简称PET）制作；居间薄膜14由具有四棱锥型的微纳凹凸结构的PDMS制作；第二高分子聚合物绝缘层12由PET制作；其中第一电极11和第二电极13作为电流的输 出电极。
所述摩擦电发电机部分的具体制作方法为：所述第一电极11、第一高分子聚合物绝缘层10、居间薄膜14、第二高分子聚合物绝缘层12和第二电极13如上面图4a所示依次层叠而形成类似于“三明治”的结构，具体地，第一电极11通过蒸镀法镀在第一高分子聚合物绝缘层10的表面上；居间薄膜14的具有四棱锥型的微纳凹凸结构的一侧与第一高分子聚合物绝缘层10接触，其未具有四棱锥型的微纳凹凸结构的一侧与第二高分子聚合物绝缘层12紧密贴合在一起；第二电极13通过蒸镀法镀在第二高分子聚合物绝缘层12的表面上。
在本实施例中，关于第一和第二压电发电机部分，其中第三电极16和第四电极18由ITO导电薄膜制作；第一压电薄膜15和第二压电薄膜17由PVDF制作。其中第三电极16和第一电极11作为第一压电发电机部分的电流的输出电极，第四电极18和第二电极13作为第二压电发电机部分的电流的输出电极。
所述第一和第二压电发电机部分的具体制作方法为：将购买来的一定量的PVDF样品放入容量为100mL烧杯中，用10mL的移液管量取确定体积的二甲基乙酰胺（简称：DMF）溶解PVDF样品，用保鲜膜将烧杯封住，对其进行30分钟的超声处理，使其溶解，得到配置好的PVDF溶液。将PVDF溶液直接涂覆在制备好的摩擦电发电机的第一电极和第二电极的表面，可以通过旋转涂覆以及静电喷涂等方法控制涂覆的PVDF薄膜的厚度和均匀度。将整个器件放置在真空干燥器中进行干燥处理，得到涂覆了PVDF薄膜的器件。通过真空溅射法或蒸镀法在制备好的PVDF薄膜表面镀金属电极。最后，在每一层PVDF薄膜的两侧的金属电极之间加电压，使PVDF薄膜极化形成β相结构，所施加的电场强度根据PVDF薄膜的厚度来决定，平均是60V/μm，时间大约为1小时。极化后的PVDF薄膜就具有了压电性能，金属电极作为输出电极，整个器件制作完成。
利用本实用新型的上述实施例所提供的混合薄膜纳米发电机，当其有效尺寸为4.5cm×1.2cm、整个厚度大约是1mm时，用一个线性马达以一定频率控制该混合薄膜纳米发电机的弯曲和释放，例如，在0.33Hz的频率和 0.13%的应力下，这时第一电极11和第二电极13之间的最大输出电流可达0.8μA，第一电极11和第三电极16之间的最大输出电流可达0.6μA，第二电极13和第四电极18之间的最大输出电流可达0.6μA。当将第一电极11和第四电极18连接在一起作为一个输出支路，第二电极13和第三电极16连接在一起作为一个输出支路的时候，该混合纳米发电机的三部分满足基本电路连接的线性叠加原理，所以将这三部分叠加起来，整个混合纳米发电机的最大输出电流信号可高达2μA，整个混合纳米发电机的电流密度约为0.37μA/cm2。
对于现有的单个摩擦电发电机，其与本实用新型的混合薄膜纳米发电机中的摩擦电发电机部分类似，第一电极由ITO导电薄膜制作；第一高分子聚合物绝缘层由PET制作；居间薄膜由具有四棱锥型的微纳凹凸结构的PDMS制作；第二高分子聚合物绝缘层由PET制作；其中第一电极和第二电极作为电流的输出电极，二者通过外电路而连接在一起。当该摩擦电发电机的有效尺寸为4.5cm×1.2cm，整个摩擦电发电机的厚度大约是460μm时，用一个线性马达以一定频率控制该摩擦电发电机的弯曲和释放，例如，以0.33Hz的频率使其发生0.13%的形变，则该摩擦电发电机的最大输出电流可达0.7μA，整个摩擦电发电机的电流密度约为0.13μA/cm2。
通过以上对比可以发现，本实用新型提供的混合薄膜纳米发电机与现有的单个摩擦电发电机相比，最大输出电流、电流密度以及最大输出功率密度得到了明显提升。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本实用新型的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本实用新型进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (11)
1.一种压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，包括：
第一高分子聚合物绝缘层；
第一电极，位于所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
第二高分子聚合物绝缘层；
第二电极，位于所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
居间薄膜，其一侧表面设有微纳凹凸结构，所述居间薄膜设有微纳凹凸结构的一侧与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触，所述居间薄膜未设有微纳凹凸结构的一侧与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面固定；
第一压电薄膜，涂覆在所述第一电极上；
第三电极，镀在所述第一压电薄膜上；
所述第一电极、第二电极和第三电极是所述压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的输出电极。
2.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，还包括：
第二压电薄膜，涂覆在所述第二电极上；
第四电极，镀在所述第二压电薄膜上；
所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极是所述压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机的输出电极。
3.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一压电薄膜选自聚偏氟乙烯薄膜、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物薄膜、尼龙11薄膜、亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物薄膜中的一种。
4.根据权利要求2所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一压电薄膜和第二压电薄膜选自聚偏氟乙烯薄膜、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物薄膜、尼龙11薄膜、亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物薄膜中的一种。
5.根据权利要求2所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一压电薄膜或第二压电薄膜为无孔薄膜结构或多孔薄膜结构。
6.根据权利要求1或2所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同。
7.根据权利要求6所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的材质相同。
8.根据权利要求7所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层选自聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜和聚偏氟乙烯薄膜中的一种，居间薄膜选自其中的另外一种。
9.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第一压电薄膜和第三电极均为柔性平板结构。
10.根据权利要求2所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第一压电薄膜、第三电极、第二压电薄膜和第四电极均为柔性平板结构。
11.根据权利要求1或2所述的压电和摩擦电混合薄膜纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层的厚度为100μm-500μm；所述居间薄膜的厚度为50μm-100μm；所述微纳凹凸结构的凸起高度小于或等于10μm。
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