一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机的制作方法

1.本发明属于新能源发电技术领域，涉及一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.当两种不同材料接触时，其表面由于接触起电效果不同，可在材料表面产生正负电荷，当这两种材料分离时在材料的背电极上将产生感应电势差，当接入负载后，此感应电势差将产生驱动电流，以上为摩擦纳米发电机的基本原理。该技术可以为低功耗电子器件实现供能，克服了传统的以化学电池为能量源带来的频繁更换，污染大的缺点，是目前物联网领域中亟需发展和完善的关键环节。
3.与电磁发电机相比，摩擦纳米发电机无需磁铁、线圈，且对于低频能量具有更好的能量转换效率，非常适合于低频、小尺度的机械能量收集。在现实环境中，人体自身就是一个优秀的能量源，借助人的按压运动或其他形式的活动，通过有效对摩擦纳米发电机开展设计，实现小功率的能量收集，满足目前低功耗电子器件的供电需求。
4.一个典型的接触分离型摩擦纳米发电机由如下结构组成：（1）具有两种不同起电性能的材料作为摩擦层，进行接触摩擦；（2）摩擦层接触摩擦的背面存在电极；（3）具有弹簧结构，通过弹簧的压缩和回复变形，使得两种材料在按压时能实现接触分离。
5.通过接触分离，一个按压周期仅有一个与激励力相对应的电压电流脉冲信号，导致其平均功率密度较低。为此，需要设计一种新型的按压式摩擦纳米发电机，通过结构设计，将低频激励力实现放大和升频，并作用在摩擦纳米发电机上，实现电压电流输出的幅值和频率提升，提高器件功率密度。
6.此外，对于摩擦起电的柔性材料，常采用厚度为微米级的薄膜，在以往的接触分离设计中，薄膜直接暴露在结构表面，在外界环境中，很容易遭受磨损、破裂和污染，导致其耐久性较差。因此，在结构设计上应对其实现有效保护，提升其使用寿命。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提出一种按压式摩擦纳米发电机，当手指或其他力输入装置对其进行按压时，在低输入力条件下，能够有效提升摩擦纳米发电机的输出电流和电压的幅值和频率，以增强功率密度。在结构设计上，本装置实现了对摩擦纳米发电机薄膜部分的有效保护，能够防止接触薄膜表面暴露在外界环境中产生的老化、损伤和污染，提升服役寿命。
8.本发明的技术方案如下：一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机，包括受力片、绝缘垫片、正电性导电板、绝缘圈、负电性薄膜、底座，所述底座内置内腔体，且底座为侧面一周封闭、仅其中一面敞开并连通其内腔体的盒体，所述底座敞开口的边缘一周与负电性薄膜电极面密封连接，所述底座内腔体与所述负电性薄膜电极面形成一个密封的空间，所述绝缘圈位于负电性薄膜无电极面的一侧，所述负电性薄膜无电极面与绝缘圈相对面周围一圈连接，所述正电性
导电板位于绝缘圈背向负电性薄膜的一侧，所述绝缘圈背向负电性薄膜的表面周围一圈与正电性导电板相对面连接，所述绝缘圈将负电性薄膜与正电性导电板彼此隔绝开，使所述将负电性薄膜、正电性导电板之间存在空隙，所述绝缘垫片的一端连接于正电性导电板背向绝缘圈的表面上，所述受力片边沿上任意一个位置与所述正电性导电板上面向所述绝缘垫片的表面连接，并且受力片面向正电性导电板的一面与绝缘垫片背向正电性导电板的一面端面接触，由绝缘垫片实现受力片上除与正电性导电板所连位置以外的其他位置相对正电性导电板呈翘起状态，通过对所述受力片上翘起端按压施力，结合受力片自身的弹性形变，获得受力片翘起端往复振动所产生的激励力，该激励力作用于绝缘垫片上，进而实现所述正电性导电板和所述负电性薄膜产生往复接触分离，从而实现所述正电性导电板、所述负电性薄膜之间产生高压。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述受力片选用弹簧钢片。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述绝缘垫片选用硬质垫片，且所述绝缘垫片的厚度小于所述受力片的弹性变形上限。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述底座为一底面开口、侧面密封的圆筒，所述正电性导电板、负电性薄膜均为圆形，所述受力片、正电性导电板、负电性薄膜的半径与所述底座圆筒底面的半径相同。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述受力片所述正电性导电板相连位置位于正电性导电板表面边沿向圆心方向预设距离的位置。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述预设距离为所述正电性导电板直径的二十分之一。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述正电性导电板以其中心向外预设距离区间内设置有至少一个贯穿所述正电性导电板两端面的圆孔，各个圆孔沿垂直于负电性薄膜无电极面方向上的投影均位于绝缘圈沿垂直于负电性薄膜无电极面方向上的投影的内径区域内。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述绝缘垫片面向正电性导电板的端面连接在所述正电性导电板相对面的中心位置，并且所述绝缘垫片与所述正电性导电板连接的端面面积小于所述正电性导电板中间无孔的面积。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述绝缘圈为一圆环，所述绝缘环的外径与所述底座外径相同，所述绝缘环的宽度与所述底座侧面壁高度相同。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述负电性薄膜选用驻极体材料，通过栅控电晕充电进行极化。
18.本发明的有益效果是：本发明设计了一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机，手指或其他力输入装置按压弹簧钢片的上翘端时，弹簧钢片将产生变形，与绝缘垫片接触。接触力将通过绝缘垫片传递，根据杠杆原理，放大后的压力作用在绝缘垫片上，并进一步作用在正电性导电板上，对正电性导电板和负电性薄膜产生激励，两种不同电性的材料产生接触，产生较大的电压和电流输出。
19.当弹簧钢片上翘端移除约束力时，弹簧钢片存储的弹性能将转变为动能，产生高频往复振动，并在振动过程中不断对绝缘垫片和下面的正电性导电板进行激励，从而产生与负电性薄膜的多次接触分离，实现了输出电信号的频率提升，增强了功率密度。本发明中
使用的负电性薄膜的安装形式，使它不暴露在结构外部，对负电性薄膜和电极实现了有效保护。并且通过对绝缘垫片的厚度进行合适设计，使得弹簧钢片和正电性导电板的变形量均可限制在一个合理的范围内，不会因变形量过大造成导电板的损坏，提高了装置的服役寿命。
20.本发明专利电信号的产生基于摩擦起电和静电感应原理，正电性材料和负电性材料选择广泛，整体结构构造简单，省力，生产成本低。
附图说明
21.图1为实施例1装置的外部整体结构示意图；图2为实施例1移除受力面后的结构示意图；图3为实施例1装置的外部整体结构的分解示意图；图4为实施例1正电性导电板的示意图；图5a至图5d为本发明的接触分离发电原理示意图；图6为实施例样品发电性能测试系统示意图；图7为测试实施例1输出电压时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图8为在图7输入力条件下，实施例1产生的输出电压波形；图9为测试实施例1短路电流时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图10为在图9输入力条件下，实施例1产生的短路电流波形；图11为对照组1摩擦纳米发电机结构示意图；图12为测试对照组1输出电压时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图13为在图12输入力条件下，对照组1产生的输出电压波形；图14为测试对照组1短路电流时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图15为在图14输入力条件下，对照组1产生的短路电流波形；图16为本发明实施例1在很小输入力按压下为电容充电的充电曲线图；图17为对照组1在很小输入力按压下为电容充电的充电曲线图；图18为本发明为小型电子器件供电的电路图；图19为实施例2装置的外部整体结构示意图；图20为实施例2移除受力面后的结构示意图；图21为实施例2装置的外部整体结构的分解示意图；图22为实施例2正电性导电板的示意图；图23为测试实施例2输出电压时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图24为在图23输入力条件下，实施例2产生的输出电压波形；图25为测试实施例2短路电流时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图26为在图25输入力条件下，实施例2产生的短路电流波形；图27为对照组2摩擦纳米发电机结构示意图；图28为测试对照组2输出电压时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图29为在图28输入力条件下，对照组2产生的输出电压波形；图30为测试对照组2短路电流时，对力传感器信号采集得到的输入激励力波形；图31为在图30输入力条件下，对照组2产生的短路电流波形。
22.附图标记：1.受力片，2.绝缘垫片，3.正电性导电板，4.绝缘圈，5.负电性薄膜，6.底座，7.圆孔。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
24.一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机，其特征在于：包括受力片1、绝缘垫片2、正电性导电板3、绝缘圈4、负电性薄膜5、底座6，所述受力片1选用弹簧钢片，这种材料具有优秀的弹性及低阻尼损耗；所述绝缘垫片2选用硬质垫片，且所述绝缘垫片2的厚度小于所述受力片1的弹性变形上限；所述负电性薄膜5选用驻极体材料，通过栅控电晕充电进行极化。
25.所述底座6内置内腔体，且底座6为一底面开口、侧面一周封闭的仅其中一面敞开并连通其内腔体的圆筒，所述正电性导电板3、负电性薄膜5均为圆形，所述受力片1、正电性导电板3、负电性薄膜5的半径与所述底座6圆筒开口底面的半径相同；所述绝缘圈4为一圆环，所述绝缘环4的外径与所述底座6外径相同，所述绝缘环4的宽度与所述底座6侧面壁高度相同。
26.所述底座6敞开口的边缘一周与负电性薄膜5电极面密封连接，所述底座6内腔体与所述负电性薄膜5电极面形成一个密封的空间，所述绝缘圈4位于负电性薄膜5无电极面的一侧，所述负电性薄膜5无电极面与绝缘圈4相对面周围一圈连接，所述正电性导电板3位于绝缘圈4背向负电性薄膜5的一侧，所述绝缘圈4背向负电性薄膜5的表面周围一圈与正电性导电板3相对面连接，所述绝缘圈4将负电性薄膜5与正电性导电板3彼此隔绝开，使所述将负电性薄膜5、正电性导电板3之间存在空隙，所述绝缘垫片2的一端连接于正电性导电板3背向绝缘圈4的表面上，所述绝缘垫片2面向正电性导电板3的端面连接在所述正电性导电板3相对面的中心位置，并且所述绝缘垫片2与所述正电性导电板3连接的端面面积远小于所述正电性导电板3中间无孔的面积。所述受力片1边沿上任意一个位置与所述正电性导电板3上面向所述绝缘垫片2的表面连接，所述受力片1所述正电性导电板3相连位置位于正电性导电板3表面边沿向圆心方向预设距离的位置，该预设距离为所述正电性导电板3直径的二十分之一。并且受力片1面向正电性导电板3的一面与绝缘垫片2背向正电性导电板3的一面端面接触，由绝缘垫片2实现受力片1上除与正电性导电板3所连位置以外的其他位置相对正电性导电板3呈翘起状态，通过对所述受力片1上翘起端按压施力，结合受力片1自身的弹性形变，获得受力片1翘起端往复振动所产生的激励力，该激励力作用于绝缘垫片2上，进而实现所述正电性导电板3和所述负电性薄膜5产生往复接触分离，从而实现所述正电性导电板3、所述负电性薄膜5之间产生高压。
27.所述正电性导电板3以其中心向外预设距离区间内设置有至少一个贯穿所述正电性导电板3两端面的圆孔7，各个圆孔7沿垂直于负电性薄膜无电极面方向上的投影均位于绝缘圈4沿垂直于负电性薄膜无电极面方向上的投影的内径区域内，所述绝缘垫片2与所述正电性导电板3连接的端面面积远小于所述正电性导电板3中间无孔的面积；正电性导电板3的外周分布有圆孔7，使得按压时正电性导电板3与负电性薄膜5之间的空气能够迅速排出，以降低空气阻尼对接触分离运动的阻碍；此外，外周小孔可以降低正电性导电板3的刚
度，使其受力产生足够的变形，由于正电性导电板3外边沿固定，在按压时，正电性导电板3的变形主要发生在中部区域，因此，正电性导电板3上设置圆孔7，不会对正电性导电板3和负电性薄膜5的接触面积造成显著影响。
28.实施例1：参见图1，为本发明提供的一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机整体结构示意图。装置的受力面1是圆形弹簧钢片，在具体实现时直径为80mm，厚度为0.3mm。
29.弹簧钢片的边沿粘贴在正电性导电板3(本实施例采用导电pla材料，3d打印制作)上表面的边沿向圆心方向大约4mm处，正电性导电板3的厚度为0.8mm。
30.若移除上部圆形弹簧钢片1后，装置外形则如图2所示。绝缘垫片2在本实施例中是直径为6mm，厚度为2mm，材料为尼龙。其与正电性导电板3的正中心进行粘合后，可以将粘合在正电性导电板3边沿上的弹簧钢片顶起，形成这种一边粘合一边开口的状态，方便进行按压。
31.如图3所示，为一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机整体分解结构示意图。其中正电性导电板3的下表面通过绝缘圈4与镀有电极的负电性薄膜5（实施例采用fep薄膜，厚度0.02mm）的无电极面粘合在一起，（实施例中，分隔胶圈4的厚度为0.1mm，宽度为5mm），正电性导电板3的上表面的中间部位与绝缘垫片2粘合在一起，弹簧钢片1的边沿与正电性导电板3的边沿粘合在一起，负电性薄膜5电极面与底座6（实施例中圆型底座6壁厚5mm，高度为12mm）的开口面粘合在一起。
32.如图4所示，为正电性导电板的示意图，其中正电性导电板3的外维均匀的分布了直径为1.5mm的圆孔7。圆孔7使得负电性薄膜5与正电性导电板3之间的空气与外界连通，使得按压激励时，正电性导电板3和负电性薄膜5之间的气体可以顺利排出，减小空气阻尼对接触分离组件造成的运动衰减。
33.如图5a至图5d表示是装置的发电原理示意图，对弹簧钢片边缘的翘起处进行按压，受力面会向下移动，弹簧钢片为柔性金属片，受力后弹簧钢片产生变形，造成弹簧钢片与绝缘垫片2接触，进而实现对正电性导电板3的按压，随之带动粘贴在其下表面的负电性薄膜5与正电性导电板3产生接触摩擦。根据静电序列，负电性薄膜5比正电性导电板3更容易获得电子，导致负电性薄膜5的摩擦接触面带有负的摩擦电荷，正电性导电板摩擦面带有正的摩擦电荷。
34.当按压力去除后，圆形弹簧钢片1向上反弹，此时弹性能向动能转换。正电性导电板3由于不受力也向上移动，与负电性薄膜5产生分离，二者在分离过程中，正负电荷无法实现相互屏蔽，使得正电性导电板3与负电性薄膜5之间产生电势差，通过一端连接正电性导电板3，一端连接在负电性薄膜5的外接负载9，驱动自由电子在两电极之间流动，形成电流。
35.由于圆形弹簧钢片1的一侧固定，因此当其向上反弹到最大值时，储存的弹性能将继续向动能转换，并在其向下运动过程中对绝缘垫片2产生撞击，带动正电性导电板3与负电性薄膜5继续接触摩擦。
36.在此过程中，由于能量转换及阻尼的影响，在上述过程多次进行时，弹簧钢片振动的能量将逐渐减小，导致摩擦纳米发电机的输出电压幅值将逐渐下降，经多个周期后，如无按压力作用，接触分离过程停止。
37.为了验证本发明装置的性能，对上述实施例搭建测试装置进行测试。
38.用符合iepe规范的动态力传感器（dytran 1051v1，灵敏度112.4 mv/n）对样品进行按压激励，用24位高精度动态数据采集卡pxi
‑
4461测得动态力信号。用高压探头接入数字万用表pxi
‑
4070，采集摩擦纳米发电机电压输出信号，用数字万用表pxi
‑
4071采集摩擦纳米发电机短路电流信号，其测试系统示意图如图6所示。
39.对样品进行激励，其测试得到激励力波形如图7所示，其输入力幅值仅有1n时，所设计的器件电压输出峰峰值可以达到近500v，如图8。在如图9所示激励力下，对本发明的实施例测试短路电流，其峰峰输出值可以达到近50μa，如图10。
40.而去掉弹簧钢片直接对正电性导电板3的中间部位进行按压，此时摩擦纳米发电机作为性能对照组，其结构如图11所示。对此结构，在如图12所示的激励力下，此时的电压只有180v左右（图13）。在如图14所示的激励力下，直接对正电性导电板3的中间部位进行按压时，短路电流只有25μa左右，如图15所示。通过此对比实验，可有力说明本发明装置取得了非常好的发电效果。从电压和电流波形上看，本发明提出的摩擦纳米发电机确实实现了电压电流输出频率和幅值的有效提升。
41.进一步的，通过对电容充电，进一步说明本发明专利的优越性。如图16所示，为本装置在0.4n的按压力下为4.7μf的电容充电，50s后就可充到10v以上的电压。而去掉弹簧钢片，直接用0.4n左右的力对正电性导电板的中间部位进行按压，如图17，为4.7μf的电容充电，50s后只充到0.6v的电压。此对比实验亦可有力说明本发明装置取得了非常好的发电效果。
42.如图18所示，在本发明实施例接上整流桥，将交流电整流成直流电后，可在较高亮度下点亮58个led灯，当继续串联led时，亮度开始下降。
43.需要说明的是，正电性导电板3上的圆孔7只需在外周即可，其圈数和孔径的选取较为自由，通常与导电圆板的材质、厚度、加工设备的条件有关。这里，为了说明此内容，使用以下实施例进行说明。
44.实施例2：参见图19，为本发明提供的一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机整体结构示意图。装置的受力面1是圆形弹簧钢片，在具体实现时直径为80mm，厚度为0.3mm。
45.弹簧钢片的边沿粘贴在正电性导电板3(本实施例采用圆形弹簧钢材料)上表面的边沿向圆心方向大约4mm处，正电性导电板3的厚度为0.2mm。正电性导电板3的外周分布了3圈小孔，直径均为1.5mm。
46.若移除上部弹簧钢片后，装置外形则如图20所示。绝缘垫片2在本实施例实现时直径为6mm，厚度为2mm，材料为尼龙。其与正电性导电板3的正中心进行粘合后，可以将粘合在正电性导电板3边沿上的弹簧钢片顶起，形成这种一边粘合一边开口的状态，方便进行按压。
47.如图21所示，为一种提升低频输出的按压式摩擦纳米发电机整体分解结构示意图。其中正电性导电板3的下表面通过分隔胶圈4将镀有电极的负电性薄膜5（实施例采用fep薄膜，厚度0.02mm）的自由面粘合在一起，（实施例中，分隔胶圈4的厚度为0.1mm，宽度为5mm），正电性导电板3的上表面的中间部位与绝缘垫片2粘合在一起，弹簧钢片1的边沿与正电性导电板3的边沿粘合在一起，负电性薄膜5电极面与底座6（实施例中圆型底座15壁厚5mm，高度为12mm）的开口面粘合在一起。
48.如图22所示，为正电性导电板3的示意图。与实施例1不同的是，此时正电性导电板材料选取为弹簧钢，其外围均匀的分布了3圈直径为1.5mm的圆形小孔16。圆形小孔7使得负电性薄膜5与正电性导电板3之间的空气与外界连通，使得按压激励时，正电性导电板3和负电性薄膜5之间的气体可以顺利排出，减小空气阻尼对接触分离组件造成的运动衰减。此外圆形小孔7可以有效降低正电性导电板3的刚度，增加其受力后的形变。
49.为了验证本发明装置的性能，对上述实施例搭建测试装置进行测试。
50.用符合iepe规范的动态力传感器（dytran 1051v1，灵敏度112.4 mv/n）对样品进行按压激励，用24位高精度动态数据采集卡pxi
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4461测得动态力信号。用高压探头接入数字万用表pxi
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4070，采集摩擦纳米发电机电压输出信号，用数字万用表pxi
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4071采集摩擦纳米发电机短路电流信号，其测试系统示意图如图6所示。
51.对样品进行激励，其测试得到激励力波形如图23所示，其输入力幅值仅有1n时，所设计的器件电压输出峰峰值可以达到近500v（图24）。在如图25所示激励力下，对本发明的实施例测试短路电流，其峰峰输出值可以达到近160μa（图26）。
52.而去掉弹簧钢片直接对正电性导电板3的中间部位进行按压，此时摩擦纳米发电机作为性能对照组，其结构如图27所示。对此结构，在如图28所示的激励力下，此时的电压只有300v左右（图29）。在如图30所示的激励力下，直接对正电性导电板3的中间部位进行按压时，短路电流只有0.6μa左右，如图31所示。通过此对比实验，可有力说明本发明装置取得了非常好的发电效果。且从电压和电流波形上看，本发明提出的摩擦纳米发电机确实实现了电压电流输出频率和幅值的有效提升。
53.本发明设计了一种通过摩擦起电和静电感应原理实现的按压式摩擦纳米发电机。由于圆形弹簧钢片仅有一部分固定，当手指或其他力输入装置按压此弹簧钢的自由端时，圆形弹簧钢片将产生变形，与绝缘垫片接触。此时，接触力将通过绝缘垫片传递。根据杠杆原理，放大后的压力将作用在绝缘垫片上，并进一步作用在导电圆板上，对导电圆板和粘贴在板下的负极性薄膜产生激励，两种不同电性的材料产生接触，产生较大的电压和电流输出。当圆形弹簧钢片端部移除约束力时，弹簧钢片存储的弹性能将转变为动能，产生升频往复振动，并在振动过程中不断对绝缘垫片和下面的导电圆板进行激励，从而产生与负电性薄膜的多次接触分离，实现了输出电信号的频率提升，增强了功率密度。本发明中使用的负极性薄膜的安装形式，使它不暴露在结构外部，对负极性薄膜和电极实现了有效保护。通过对绝缘垫片的厚度进行合适设计，使得圆形弹簧钢片和导电圆板的变形量均可限制在一个合理的范围内，不会因变形量过大造成导电板的损坏，提高了装置的服役寿命。
54.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。