CN203851062U - 一种接触-分离式摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种接触-分离式摩擦纳米发电机及发电机组。所述发电机包括由M×N个分立的发电机单元构成的发电机单元阵列，其中M和N为自然数；且每个发电机单元包括：第一摩擦件，其背面设置有第一导电层；硬质的上基板，其正面固定有导电的第二摩擦件；弹性连接件，其用于连接第一摩擦件和上基板，使得上基板和第一摩擦件之间具有一定间隙，且仅在上基板受到外力作用后，其正面固定的第二摩擦件和与其对应的第一摩擦件正面接触，并通过第一导电层和第二摩擦件向外输出交流脉冲信号。本实用新型采用M×N个与雨滴尺寸相匹配的发电机单元，保证充分利用雨滴动力，柔性防水薄膜在相邻的第二基板之间形成凹槽，便于水流的导出。
Description
技术领域
本实用新型涉及发电技术领域，尤其涉及一种接触-分离式摩擦纳米发电机。
背景技术
在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质，对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。
雨滴下落的冲击力储存了很大的能量，由于其频率较低、不稳定且涉及到防水，很少被重视和利用。将自然界常见且大量存在的雨滴动能转换为电能，不仅丰富了能源的来源，而且缓解了日益增长的能源压力。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种雨滴动力摩擦纳米发电机和发电机组，能够将雨滴落下的机械能转化为电能，为微型电子器件提供电源。
为实现上述目的，本实用新型提供一种接触-分离式摩擦纳米发电机，包括由M×N个分立的发电机单元构成的发电机单元阵列，其中M和N为自然数；且每个发电机单元包括：
第一摩擦件，其背面设置有第一导电层；
硬质的上基板，其正面固定有导电的第二摩擦件；
弹性连接件，其用于连接第一摩擦件和上基板，使得上基板和第一摩擦件之间具有一定间隙，且仅在上基板受到外力作用后，其正面固定的第二摩擦件和与其对应的第一摩擦件正面接触，并通过第一导电层和第二摩擦件向外输出交流脉冲信号。
其中，第一摩擦件由绝缘材料制成。
其中，所述第二摩擦件上有通孔，并且所述弹性连接件穿过所述通孔固定于上基板。
其中，所述摩擦纳米发电机还包括下基板，所述第一摩擦件固定在上述下基板上。
其中，所述摩擦纳米发电机还包括柔性防水层，用于连接相邻下基板之间的空隙、相邻上基板之间的空隙以及发电机两个端部的下基板与上基板之间的空隙。
其中，所述第一摩擦件和上基板之间间隙的距离比第二摩擦件的厚度大一个数量级以上。
其中，所述第二摩擦件面向第一摩擦件，和第一摩擦件面向第二摩擦件的全部或部分表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列。
其中，所述第一导电层上的电荷经由导线导出，并通过全桥整流器进行整流后输出，第二摩擦件上的电荷经由导线导出或经由与上基板相连接的弹性连接体导出，并通过全桥整流器进行整流后输出。
本发明还提供了一种包括如上所述的摩擦纳米发电机的发电机组。
其中，所述多个摩擦纳米发电机堆叠成金字塔状的阶梯结构。
其中，所述多个摩擦纳米发电机上下堆叠，且顶层为单个发电机单元或者M×N个发电机单元，发电机单元数目向下依次增加，形成金字塔形阶梯状结构，且上层摩擦纳米发电机上的第一导电层固定在下层摩擦纳米发电机的上基板上。
其中，堆叠在同一垂直线上的发电机单元共用一个弹性连接体。
与现有技术相比，本实用新型的脉冲发电机和发电机组具有下列优点：
本实用新型提供的接触-分离式摩擦纳米发电机尤其适用于在雨滴动力作用下产生交流脉冲信号。其中，上基板所处的位置受到雨滴作用时，相对的第一摩擦件与第二摩擦件接触，雨滴作用消失时，第一摩擦件与第二摩擦件分离；上基板所处的位置未受到雨滴作用时，该基板保持不动，具有摩擦电极序差异的第一摩擦件与第二摩擦件之间接触发生表面电荷转移，产生交流脉冲信号输出。不需要提供电源即可以为LED等小型用电器提供电源。
将多个接触-分离式摩擦纳米发电机堆叠成金字塔形的阶梯状结构，多个摩擦纳米发电机上下堆叠，顶层可以为单个发电机单元或者M×N个发电机单元，发电机单元数目向下依次增加，形成金字塔形阶梯状结构。上下相邻两个发电机之间共用一个基板，并且多个发电机之间进行串联或并联连接，可以形成发电机组，受到雨滴连续向下的冲击时，能够获得更高的输出，同时，金字塔形阶梯状结构充分利用了雨滴动能，且阶梯状结构有利于水流的导出。
对接触-分离式摩擦纳米发电机中第二摩擦件的表面进行物理改性或化学改性，还可以进一步提高脉冲发电机在外力作用下第一摩擦件与第二摩擦件接触时产生的接触电荷，提高发电机的输出能力。
此外，本实用新型所述的接触-分离式摩擦纳米发电机可以通过桥式整流电路，提供直流电流输出。本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机制备方法简便、制备成本低廉，是一种应用范围广泛的发电机，可以设置在雨量充沛的地方，下雨时，即可用该雨滴动力发电机发电，用来驱动指示灯或者为蓄电池供电。
附图说明
通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于表示出本实用新型的主旨。
图1为本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机的结构示意图(侧视图)；
图2为本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机的三维结构图；
图3为本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机的工作状态图；
图4为本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机的工作原理示意图；
图5为本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机组的侧视图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能从而实现无需外接电源的微型器件的技术具有极其重要的意义。
本实用新型提供一种将雨滴下落的机械能转化为电能的结构简单的接触-分离式摩擦纳米发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机利用了在摩擦电极序中的极性差异较大的材料接触时产生表面电荷转移的现象，将外力的机械能转化为电能直接为LED等小型电子器件供电。
图1示出了本实用新型提供的接触-分离式摩擦纳米发电机的基本结构示意图。图2示出了本实用新型提供的接触-分离式摩擦纳米发电机的三维结构示意图。参见图1和图2所示，该摩擦纳米发电机包括由整齐排列的M×N个分立的发电机单元构成的发电机阵列，该发电机单元包括：第一基板10、第一基板上的第一导电薄膜层11、第一导电薄膜层上的绝缘薄膜层12；第二基板20、第二基板上的第二导电薄膜层21；弹性连接体30；柔性防水薄膜层40。其中，每个弹性连接体30一端连接至与其对应的一个第二基板20，另一端连接第一绝缘薄膜层12，使绝缘薄膜层12与第二导电薄膜层21相对；所述柔性防水薄膜层40连接在第一基板之间、第二基板之间以及第一基板和第二基板之间的间隙中，用于防水。
图3示出了本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机的工作状态图。参见图3所示，当第二基板20所处的位置受到小面积如雨滴的作用力时，第二基板20在雨滴的重力作用下克服弹性连接体30的弹力，向下带动第二导电薄膜层21和与其相对的绝缘薄膜层12接触，雨滴作用消失时，在弹性连接体30的回复力作用下第二基板20带动第二导电薄膜层21与绝缘薄膜层12分离；第二基板20所处的位置未受到雨滴作用时，该基板保持不动；具有摩擦电极序差异的绝缘薄膜12和第二导电薄膜层21之间通过接触发生表面电荷转移，产生交流脉冲信号并输出。本实用新型提供的摩擦纳米发电机中，优选为设置多个与雨滴尺寸相匹配的第二基板，充分利用雨滴下落的能量。
具体的，绝缘薄膜层12与所述第二导电薄膜层21之间发生表面电荷转移，是由于绝缘薄膜层12与所述第二导电薄膜层21的材料存在摩擦电极序差异而引起的。这里的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可。
图4示出了本实用新型提供的接触-分离式摩擦纳米发电机的工作原理示意图。参见图4所示，第二基板20在未受到雨滴作用时，绝缘薄膜层12与第二导电薄膜层21分离，见图4中a图所示；受到雨滴作用时，第二导电薄膜层21和绝缘薄膜层12相互接触，在接触的瞬间发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷，见图4中b图所示。由于绝缘薄膜层12与第二导电薄膜层21的材料在摩擦电极序中的位置不同，绝缘薄膜层12表面产生负电荷，而第二导电薄膜层21表面产生正电荷，两种电荷的电量大小相同。当雨滴作用消失时，由于弹性连接体30的回复作用，绝缘薄膜层12与第二导电薄膜层21发生分离，产生间隙。由于间隙的存在，绝缘薄膜层12表面的负电荷对第一导电薄膜层11上电子的排斥作用力大于第二导电薄膜层21表面的正电荷对第一导电薄膜层11上电子的吸引作用。因此，电子将从第一导电薄膜层11经过外电路流向第二导电薄膜层21，并在第一导电薄膜层11上产生正电荷，参见图4中c图的箭头e所示。该过程即产生了通过外电路／负载的瞬时脉冲电流。当再次受到雨滴作用时，在绝缘薄膜层12表面的负电荷的排斥力作用下，第二导电薄膜层21上的电子又再度流回第一导电薄膜层11，形成方向相反的瞬时电流，参见图4中d图的箭头所示。如此往复，形成交流脉冲电流。
本实用新型提供的接触-分离式摩擦纳米发电机中，第一导电薄膜层11对材料类别无特殊要求，可以采用电子束蒸发或者等离子体溅射等方法制备的Cu、Al等金属薄膜、ITO等导电薄膜，旋涂导电高分子薄膜以及导电碳纳米管薄膜层。第二导电薄膜层21为导电材料，同时作为发电机的另一个电极，第二导电薄膜层21对材料类别无特殊要求，表面水平、光滑的导电薄膜即可，可以采用电子束蒸发或者等离子体溅射等方法制备的Cu、Al等金属薄膜、ITO导电薄膜，也可采用旋涂的方法制备高分子导电薄膜。绝缘薄膜层12为一非导电材料，该材料要求与第二导电薄膜层21在摩擦电极序中的极性存在较大的差异，可选的绝缘薄膜材料包括但不限于聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜等。
本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机中，第一基板10和第二基板20采用不可变形的硬性材料，本实用新型中对第一基板10和第二基板20的材料无特殊要求，只要是能够承受机械冲击的材料即可，例如有机玻璃板材、PE板材、PVC板材、PP板材、PC板材、ABS板材等。第一基板10和第二基板20之间通过弹性连接体30相连接和支撑，未受雨滴作用时，保持第二导电薄膜层21和绝缘薄膜层12相分离，互相之间留有间隙，该间隙即第二导电薄膜层21与绝缘薄膜层12之间的距离一般比绝缘薄膜层12的厚度大一个数量级以上。弹性连接体30可以采用弹簧、弹性有机物等弹性材料，
参见图1和图2，本实用新型提出的上述接触-分离式摩擦纳米发电机包括多个分立的发电机单元，且所述多个分立的发电机单元组成发电机单元阵列，其响应灵敏度非常高，很适合微小雨滴等动力较小但密集发生的这种动力源的收集；由于雨滴落下的冲击力对发电机的基板产生向下的作用力，但在同一时刻，雨滴并不同时落下，故采用M×N个与雨滴尺寸相匹配的发电机单元进行设计，保证充分利用雨滴动力，柔性防水薄膜在相邻的第二基板之间形成凹槽，便于水流的导出。
另外，本实用新型提出的发电机中每个发电机单元的第一基板、第二基板均为硬质材料，其对雨滴的冲力有很好的响应，且由于第一、第二基板之间由弹性连接体连接，其在雨滴间隙时能够迅速恢复原状。
根据本实用新型的一个优选实施例为，所述第一导电薄膜层11采用厚度为100nm、尺寸为5cm×5cm的金属铜薄膜层，绝缘薄膜层12采用厚度为10微米、尺寸为5cm×5cm的PTFE薄膜层，第二导电薄膜层21采用厚度为100nm的金属铝薄膜层，弹性连接体30采用弹簧，弹簧一端与第二基板20连接，另一端与PTFE薄膜层相连。第二基板20所处的位置未受到雨滴作用时，金属铝薄膜层和PTFE薄膜层分离，互相之间留有1mm的间隙，即金属铝薄膜层和PTFE薄膜层之间的距离为1mm。另外，所述绝缘薄膜层12和第二基板之间间隙的距离比第二导电薄膜层21的厚度大一个数量级以上。
由于PTFE材料在摩擦电极序中具有极负的极性，而金属铝在电极序中的极性较正，本实施例的材料组合有利于提高接触-分离式摩擦纳米发电机的输出。
通过上述接触-分离式摩擦纳米发电机的金属铝薄膜层和金属铜薄膜层引出导线后，与全桥整流器相连，使脉冲发电机产生的交流电流输出转化为直流电流输出。其中，所述第一导电薄膜层11上的电荷经由导线导出，并通过全桥整流器进行整流后输出，第二导电薄膜层21上的电荷经由导线导出或经由与第二基板20相连接的弹性连接体30导出，并通过全桥整流器进行整流后输出。
本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机中，还可以对第二金属薄膜层21和／或绝缘薄膜层12的表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第二金属薄膜层21与绝缘薄膜层12的接触面积，从而增大接触电荷量。
本实用新型的接触-分离式摩擦纳米发电机中，还可以对相互接触的第二金属薄膜层21和／或绝缘薄膜层12的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性方法又分为如下两种类型：
一种方法是，对于相互接触的第二金属薄膜层21和绝缘薄膜层12的材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，都能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基等。
另外一种方法是化学修饰方法，在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的材料表面引入负电荷。
相应地，根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种接触-分离式摩擦纳米发电机组，该发电机组包括多个上述接触-分离式摩擦纳米发电机，多个所述的接触-分离式摩擦纳米发电机堆叠成金字塔形的阶梯状结构。
图5示出了根据本发明另一实施例提供的接触-分离式摩擦纳米发电机组的结构示意图。参见图5所示，该摩擦纳米发电机组包括堆叠成金字塔形的阶梯状结构的多个所述接触-分离式摩擦纳米发电机。其中，多个摩擦纳米发电机上下堆叠，顶层可以为单个发电机单元或者M×N个发电机单元，发电机单元数目向下依次增加，形成金字塔形阶梯状结构，图5所示为顶层为单个发电机单元的示意图，堆积在同一垂直线上的摩擦纳米发电机共用同一个弹性连接体，且上层摩擦纳米发电机上的第一导电层固定在下层摩擦纳米发电机的第二基板上。
多个所述摩擦纳米发电机之间形成串联和／或并联连接。这样获得的发电机组与单个发电机相比，可以提高器件的输出功率，金字塔形的阶梯状结构有利于水流的导出，达到防水的效果。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种接触-分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括由M×N个分立的发电机单元构成的发电机单元阵列，其中M和N为自然数；且每个发电机单元包括：
第一摩擦件，其背面设置有第一导电层；
硬质的上基板，其正面固定有导电的第二摩擦件；
弹性连接件，其用于连接第一摩擦件和上基板，使得上基板和第一摩擦件之间具有一定间隙，且仅在上基板受到外力作用后，其正面固定的第二摩擦件和与其对应的第一摩擦件正面接触，并通过第一导电层和第二摩擦件向外输出交流脉冲信号。
2.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，第一摩擦件由绝缘材料制成。
3.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦件上有通孔，并且所述弹性连接件穿过所述通孔固定于上基板。
4.如权利要求1-3任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括下基板，所述第一摩擦件固定在上述下基板上。
5.如权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括柔性防水层，用于连接相邻下基板之间的空隙、相邻上基板之间的空隙以及发电机两个端部的下基板与上基板之间的空隙。
6.如权利要求1-3、5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和上基板之间间隙的距离比第二摩擦件的厚度大一个数量级以上。
7.如权利要求1-3、5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦件面向第一摩擦件，和第一摩擦件面向第二摩擦件的全部或部分表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列。
8.如权利要求1-3、5任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一导电层上的电荷经由导线导出，并通过全桥整流器进行整流后输出，第二摩擦件上的电荷经由导线导出或经由与上基板相连接的弹性连接体导出，并通过全桥整流器进行整流后输出。
9.一种包括多个如权利要求1-8任一项所述的摩擦纳米发电机的发电机组。
10.如权利要求9所述的发电机组，其特征在于，多个所述摩擦纳米发电机堆叠成金字塔状的阶梯结构。
11.如权利要求9-10任一项所述的发电机组，其特征在于，多个所述摩擦纳米发电机上下堆叠，且顶层为单个发电机单元或者M×N个发电机单元，发电机单元数目向下依次增加，形成金字塔形阶梯状结构，且上层摩擦纳米发电机上的第一导电层固定在下层摩擦纳米发电机的上基板上。
12.如权利要求11所述的发电机组，其特征在于，堆叠在同一垂直线上的发电机单元共用一个弹性连接体。
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