基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器，该旋转式摩擦电纳米发电机包括转动体和导电部件，所述转动体由基体和设置在所述基体上的若干个摩擦件组成，所述导电部件通过负载或者测试设备连接至等电位，当基体连续转动或者滚动，若干个表面带有电荷或者不带电荷的摩擦件依次与导电部件接触后分离或者靠近后远离，在导电部件与地电位之间产生交变的电流或电压信号。相应的，本发明专利技术还提供利用所述发电机的流体流速的传感器，无需外部电源驱动，即可对流体流速进行检测。采用本发明专利技术的发电机，能够方便的将机械能转变为电能，而且运动的转动体上无电极，可以方便的进行电路连接，有利于在工业上的推广和应用。

【技术实现步骤摘要】
基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器
本专利技术涉及摩擦发电
，尤其涉及一种将机械能转变为电能的旋转式摩擦电纳米发电机，以及应用该发电机的流体流速传感器。
技术介绍
随着人类社会的快速发展，能源短缺越来越严峻。我们的日常生活、工业生产中大量存在着各种机械能，收集这些浪费掉的机械能并将其转换成电能是一条解决能源危机非常有希望的、行之有效的途径。目前将机械能转换为电能的发电机主要有静电式、磁电式以及压电式。但是这三种发电机，成本高，技术要求高，无法收集环境中任何时间、任何地点都存在的机械能。从2012年开始，基于摩擦电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种具有前景的途径。但是，基于现有的摩擦电纳米发电机中，两个相互运动的摩擦层均附着有电极，并通过导线与负载连接，这种结构设计很大程度地限制了摩擦电纳米发电机的应用，使其无法有效收集环境中任意的自由运动物体的机械能，特别是无法收集不计其数的汽车的轮胎转动的机械能。
技术实现思路
要解决的技术问题本专利技术所要解决的技术问题是现有摩擦电纳米发电机结构中需要有两个电极，并且电极随着摩擦层的运动而运动，限制了发电机的应用范围。技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，利用导电材料的导电部件既作为电极层也提供一个摩擦表面，将附着在转动基体上的若干个摩擦件依次与导电部件接触摩擦，由于摩擦件表面与导电部件表面的接触产生摩擦电荷并且整体为电中性，摩擦件与电极层互相分离后，由于导电部件带有的电荷在导电部件与地电位之间重新分配，因此在导电部件与地电位之间形成电信号。多个摩擦件依次与导电部件形成接触分开，在导电部件与地电位之间会形成脉冲电信号，可以将环境中随时、随处存在的机械能转变为电能。本专利技术提供一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，包括转动体和导电部件，其中，导电部件电连接至等电位；所述转动体由基体和若干个设置在所述基体上的摩擦件组成；所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个所述摩擦件依次与所述导电部件滑动摩擦，在导电部件与等电位之间产生电信号；或者，所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个表面带有电荷的所述摩擦件依次靠近和/或远离所述导电部件，在导电部件与等电位之间产生电信号。优选的，所述等电位为地电位或者等电位电路。优选的，所述基体为柱体，若干个所述摩擦件设置在所述基体的外侧面上。优选的，所述基体为筒状结构，若干个所述摩擦件设置在所述基体的内侧面上；所述导电部件设置在所述基体内侧面围成的空间内。优选的，所述基体为绕转轴转动的悬臂结构，所述悬臂的个数与摩擦件的个数相同；每个悬臂上设置一个摩擦件；基体的转轴垂直于或者平行于导电部件与摩擦件接触的表面。优选的，所述基体为轴对称结构，若干个所述摩擦件在基体转动或者滚动方向上均匀或非均匀分布。优选的，所述轴对称结构为圆柱形、圆筒形、棱柱形、锥形或锥台形。优选的，所述摩擦件与导电部件接触的表面的材料为绝缘体或者半导体。优选的，所述绝缘体为下列绝缘体材料中的一种或多种：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯；所述半导体材料为下列材料中的一种或多种：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、半导体氧化物。优选的，所述摩擦件的下表面和/或导电部件的上表面部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层；所述微结构为下列结构中的一种或几种：纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。优选的，所述摩擦件为多层结构，或者为组分均匀的一体结构。优选的，所述导电部件的个数为1个。优选的，所述导电部件的上表面材料为金属或铟锡氧化物，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金中的一种或者几种。优选的，所述导电部件为块状、薄片状、薄膜，或者为在基材外表面形成导电层的非均匀结构。优选的，所述摩擦件的下表面与导电部件的上表面的形状互补。优选的，还包括衬底，所述导电部件设置在所述衬底上。优选的，所述摩擦件、导电部件和/或衬底优选为柔性材料。优选的，在所述基体转动或者滚动过程中，所述导电部件最多只与一个摩擦件接触。优选的，所述摩擦件的个数为1、2、4、6、7或8。相应的，本专利技术还提供一种流体流速传感器，包括上述任一项所述的发电机，所述基体上固定有施力装置，所述施力装置，用于接受外力的作用带动所述基体转动和/或滚动。优选的，所述施力装置为风杯或者扇叶。与现有技术相比，本专利技术的发电机具有下列优点：1、本专利技术提供的发电机，只需要一个导电部件即可对外输出电信号，在运动或者旋转的转动体的摩擦件上无需设置电极，不仅简化了器件结构和制备工艺，降低了生产成本，而且避免了电极随着摩擦件运动的缺陷，可以方便的进行电路连接，有利于在工业上的推广和应用。2、本专利技术的发电机可以应用在收集车轮转动的机械能，或者收集流体例如风能、水流能等的流动的能量，发电机与全桥整流器结合输出的电能既可以直接驱动一些电子器件，也可以储存在锂离子电池中，对商业电池充电。3、根据本专利技术提供发电机的输出信号的强度与转动体中基体的转动速度成线性关系，可以设计流体流速的传感器，提供了一种无需外部电源驱动的流体流速传感器，可以在收集利用流体流动能量的同时，灵敏的探测流速。这种无需电源驱动的传感器可以应用在气候恶劣或者偏远的地方，进行环境或者洋流监测。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、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，重点在于显示出本专利技术的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术。图1和图2为本专利技术基于独立摩擦层的纳米发电机的结构示意图；图3为摩擦件表面带有摩擦电荷后在基体转动带动下与导电部件靠近时的结构示意图；图4为转动体中摩擦件非对称分布的发电机结构示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，包括转动体和导电部件，其中，导电部件电连接至等电位；所述转动体由基体和若干个设置在所述基体上的摩擦件组成；所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个所述摩擦件依次与所述导电部件滑动摩擦，在导电部件与等电位之间产生电信号；或者，所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个表面带有电荷的所述摩擦件依次靠近和/或远离所述导电部件，在导电部件与等电位之间产生电信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，包括转动体和导电部件，其中，导电部件电连接至等电位；所述转动体由基体和若干个设置在所述基体上的摩擦件组成；所述摩擦件与导电部件的表面的材料为绝缘体或者半导体；所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个所述摩擦件依次与所述导电部件滑动摩擦，在导电部件与等电位之间产生电信号；或者，所述基体围绕转轴转动和/或在导电部件上方滚动时，带动若干个表面带有电荷的所述摩擦件依次靠近和/或远离所述导电部件，在导电部件与等电位之间产生电信号。2.根据权利要求1所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述等电位为地电位或者等电位电路。3.根据权利要求1所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为柱体，若干个所述摩擦件设置在所述基体的外侧面上。4.根据权利要求1所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为筒状结构，若干个所述摩擦件设置在所述基体的内侧面上；所述导电部件设置在所述基体内侧面围成的空间内。5.根据权利要求1所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为绕转轴转动的悬臂结构，所述悬臂的个数与摩擦件的个数相同；每个悬臂上设置一个摩擦件；基体的转轴垂直于或者平行于导电部件与摩擦件接触的表面。6.根据权利要求3-5任一项所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述基体为轴对称结构，若干个所述摩擦件在基体转动或者滚动方向上均匀或非均匀分布。7.根据权利要求6所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述轴对称结构为圆柱形、圆筒形、棱柱形、锥形或锥台形。8.根据权利要求1所述的旋转式摩擦电纳米发电机，其特征在于，所述绝缘体为下列绝缘体材料中的一种或多种：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：张虎林，杨亚，王中林，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11