平面滑动摩擦纳米发电机、光束方向调节器和光衰减器组制造技术

本发明专利技术提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组。该平面滑动摩擦纳米发电机包括：动摩擦块；下静摩擦层，包括两个下摩擦块，该两个下摩擦块沿第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层，包括两个上摩擦块，该两个上摩擦块沿第二方向排列并彼此相互绝缘；当动摩擦块沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层中的两个下摩擦块产生摩擦，从而在该两个下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的两个上摩擦块产生摩擦，从而在该两上摩擦块之间产生第二电势差。本发明专利技术可以将环境中的机械能转化为电能，能够取代传统蓄电池作为自驱动电源设备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米及微/纳机电系统(MEMS/NEMS)
，尤其涉及一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组。
技术介绍
近年来，王中林教授研究组专利技术了摩擦纳米发电机，其原理基于摩擦生电和静电感应现象，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，两种聚合物具有不同的得失电子能力，从而产生电荷分离并形成电势差，两个金属极板通过静电感应在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势的驱动下流经外电路即可形成电流。对于仅3cm2大小的单层摩擦纳米发电机，其输出电压可以高达200～1000V，输出电流为100μA，可以瞬时带动几百个LED灯、无线探测和传感系统以及为手机电池充电等。摩擦纳米发电机的特点是以柔性聚合物膜为基本结构，易加工，器件使用寿命长，容易和其他加工工艺集成，相比压电纳米发电机和其他形式的能量采集器具有更高的输出电压和功率，可以为个人电子产品、环境监控、医学科学等中的MEMS/NEMS器件提供自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力。随着微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的发展，及其在人体健康实时监测、基础设施监测、环境监测、物联网以及军事技术上的广泛应用，解决小范围的用电问题显得格外重要。由于蓄电池技术具有供电持久性差、对环境污染严重和材料资源消耗大等局限性，无法满足传感器网络的工作环境和MEMS/NEMS技术日益发展的需求。因此，大力开发微纳级可持续性自驱动电源技术，解决MEMS/NEMS器件对可持续性自驱动电源的需求将是未来科技发展的一个重心。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组，以利用平面滑动摩擦纳米发电机输出的高电压驱动压电式和静电式的光调制器，实现对光束方向和强度的调控，解决微机械器件和MEMS器件对外电源的依赖和自驱动技术等问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机。该平面滑动摩擦纳米发电机包括：动摩擦块120；下静摩擦层110，位于动摩擦块120的下方，包括：沿第二方向延伸的两下摩擦块-第一下摩擦块111和第二下摩擦块112，该两下摩擦块111、112沿与第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层130，位于动摩擦块120的上方，包括沿第一方向延伸的两上摩擦块-第一上摩擦块131和第二上摩擦块132，该两上摩擦块131、132沿第二方向排列并彼此相互绝缘；其中，下摩擦块111、112的材料与上摩擦块131、132的材料相同或不同，且两下摩擦块111、112和两上摩擦块131、132的材料与动摩擦块120的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；当动摩擦块120沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块111和第二下摩擦块112产生摩擦，从而在该两下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的第一上摩擦块131和第二上摩擦块132产生摩擦，从而在该个两上摩擦块之间产生第二电势差。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的光束方向调节器。该光束方向调节器还包括：第一压电双晶片210；以及第二压电双晶片220，其在水平面的投影与第一压电双晶片210在水平面的投影相互垂直；其中，平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111、112分别电性连接至第二压电双晶片220的两电压输入端，用于控制该第二压电双晶片220的弯曲变形；两上摩擦块131、132分别电性连接至第一压电双晶片210的两电压输入端，用于控制该第一压电双晶片210的弯曲变形。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种利用上述光束方向调节器的光束方向调节方法。该光束方向调节方法中，光源的出射光束依次经过第二压电双晶片220和第一压电双晶片210末端的两次反射后出射；平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111、112输出的电势差用于驱动第二压电双晶片220产生弯曲变形，从而使得出射光束在上下方向产生位移；平面滑动摩擦纳米发电机中两上摩擦块131、132输出的电势差用于驱动第一压电双晶片210产生弯曲变形，从而使得出射光束在左右方向产生位移。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的双路光衰减器组。该双路光衰减器组还包括：第一光衰减器310；以及第二光衰减器320；其中，平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块(111、112)分别电性连接至第一光衰减器310的两电压输入端，由该两上摩擦块输出的电势差来控制该第一光衰减器310的衰减率；两上摩擦块131、132电性连接至第二光衰减器320的两电压输入端，由该两下摩擦块输出的电势差来控制该第二光衰减器320的衰减率。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种利用上述双路光衰减器组的主动式光衰减方法。该主动式光衰减方法中，第一光衰减器310的前端通过光纤连接至第一激光器330，后端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两下摩擦块111、112，由该两下摩擦块输出的第一电势差控制该第一光衰减器310的衰减率，进而调节第一激光器330的输出功率；第二光衰减器320的前端通过光纤连接至第二激光器350，后端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两上摩擦块131、132，由该两上摩擦块输出的电势差控制该第二光衰减器320的衰减率，进而调节第二激光器350的输出功率。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组具有以下有益效果：(1)通过平面滑动摩擦纳米发电机将环境中的机械能转化为电能，直接用于对微执行器供电，避免了使用蓄电池技术所带来了供电持久性差、对环境污染严重等问题，具有加工能耗低、材料绿色环保等优点；(2)能够实现宏观运动对微观运动的控制，无需外接电源和机械连接，对实现高效、节能的MEMS/NEMS器件、微/纳机器人、光开关和物联网等领域中的应用具有积极意义。附图说明图1为根据本专利技术实施例平面滑动摩擦纳米发电机的结构示意图；图2为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在X方向运动的工作原理图；图3为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在Y方向运动的工作原理图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：动摩擦块(120)；下静摩擦层(110)，位于所述动摩擦块(120)的下方，包括：沿第二方向延伸的两下摩擦块‑第一下摩擦块(111)和第二下摩擦块(112)，该两下摩擦块(111、112)沿与所述第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层(130)，位于所述动摩擦块(120)的上方，包括沿第一方向延伸的两上摩擦块‑第一上摩擦块(131)和第二上摩擦块(132)，该两上摩擦块(131、132)沿第二方向排列并彼此相互绝缘；其中，所述下摩擦块(111、112)的材料与所述上摩擦块(131、132)的材料相同或不同，且两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)的材料与动摩擦块(120)的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；当所述动摩擦块(120)沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块(111)和第二下摩擦块(112)产生摩擦，从而在该两下摩擦块之间产生第一电势差；当所述动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的第一上摩擦块(131)和第二上摩擦块(132)产生摩擦，从而在该个两上摩擦块之间产生第二电势差。...

【技术特征摘要】
1.一种平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
动摩擦块(120)；
下静摩擦层(110)，位于所述动摩擦块(120)的下方，包括：沿第
二方向延伸的两下摩擦块-第一下摩擦块(111)和第二下摩擦块(112)，
该两下摩擦块(111、112)沿与所述第二方向正交的第一方向排列并彼此
相互绝缘；以及
上静摩擦层(130)，位于所述动摩擦块(120)的上方，包括沿第一
方向延伸的两上摩擦块-第一上摩擦块(131)和第二上摩擦块(132)，该
两上摩擦块(131、132)沿第二方向排列并彼此相互绝缘；
其中，所述下摩擦块(111、112)的材料与所述上摩擦块(131、132)
的材料相同或不同，且两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)
的材料与动摩擦块(120)的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；
当所述动摩擦块(120)沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层的
第一下摩擦块(111)和第二下摩擦块(112)产生摩擦，从而在该两下摩
擦块之间产生第一电势差；当所述动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与
上静摩擦层的第一上摩擦块(131)和第二上摩擦块(132)产生摩擦，从
而在该个两上摩擦块之间产生第二电势差。
2.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)均呈长方形片状，
其中：所述两下摩擦块(111、112)的长边沿第二方向；所述两上摩擦块
(131、132)的长边沿第一方向。
3.根据权利要求2所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块(111、112)的短边尺寸相等；所述两上摩擦块(131、
132)的短边尺寸相等。
4.根据权利要求3所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块(111、112)和所述两上摩擦块(131、132)的形状相同。
5.根据权利要求4所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述动摩擦块(120)呈正方形片状，其边长与所述两下摩擦块(111、112)

\t和两上摩擦块(131、132)的短边的尺寸相等。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的平面滑动摩擦纳米发电机，
其特征在于，所述动摩擦块(120)的材料为绝缘材料。
7.根据权利要求6所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述绝缘材料为以下材料中至少一种构成的材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、
乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、
纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚
邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯
乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人
造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(涤纶)、聚异丁烯、聚氨
酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共
聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双
酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、
聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇
酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、
派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。
8.根据权利要求7所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述动摩擦块(120)的材料为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求7所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
在所述动摩擦块(120)的上表面和/或下表面：
分布有微米或次微米量级的微结构阵列；
点缀或涂覆有纳米材料；和/或
进行化学改性，以提高电荷在接触瞬间的转移量。
10.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块(111、112)的材料与所述两上摩擦块(131、132)的材
料为导电材料，该导电材料为：金属、导电氧化物或导电高分子。
11.根据权利要求10所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于：
所述金属为以下材料中至少一种构成的材料：金、银、铂、铝、镍、
铜、钛、铬和硒；
所述导电氧化物为以下材料中至少一种构成的材料：掺铝氧化锌

\t(AZO)和铟锡氧化物(ITO)。
12.根据权利要求11所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)均由铝板制备。
13.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块(111、112)和两上摩擦块(131、132)均由非导电材料
制备；
所述两下摩擦块(111、112)的底部和所述两上摩擦块(131、132)
的顶部还形成有导电层，用于将摩擦块产生的电势差向外传递。
14.根据权利要求1所述的平面滑动摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述两下摩擦块之间不互相接触，采用绝缘材料进行绝缘；两上摩擦块之<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，唐伟，逄尧堃，韩昌报，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