CN103780137B - 一种振动开关式摩擦发电机和摩擦发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动开关式摩擦发电机和摩擦发电方法，该摩擦发电机包括：上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层、下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层以及振动式开关，振动式开关使两个电极层交替与等电位形成电学连通，振动开关的振动由发电机的机械运动所触发。在两个摩擦层周期性的接触/分开过程中，两个电极层上产生对等电位的电势，当两个电极层通过振动开关交替与等电位连通时，产生交变电流。发电机输出电流的频率由振动开关的频率决定，提高振动开关的振动频率可以提高发电机的输出频率。

Description

一种振动开关式摩擦发电机和摩擦发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别是涉及将低频机械能转化为高频电信号的摩擦发电机以及发电方法。

背景技术

摩擦发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移，能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。但是，目前，工业和家用电器适用的电源普遍需要的供电频率是50-60Hz，而摩擦发电机的输出频率受外部作用力变化频率的控制，在低频外力的作用下，无法获得高频的电学输出，不能满足电子器件高频电源的需要。

发明内容

本发明涉及一种利用振动开关的摩擦发电机将低频机械能转化为高频电学输出的发电机和发电方法，能够为电子器件提供高频电源。

为实现上述目的，本方法提供一种振动开关式摩擦发电机，包括：

第一摩擦层，所述第一摩擦层的上表面接触设置有第一电极层；

第二摩擦层，所述第二摩擦层的下表面接触设置有第二电极层；

连接件，所述连接件使所述第一摩擦层与第二摩擦层面对面设置，并且在外力作用下能够使所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面能够接触和分离；

振动式开关，所述振动式开关包括一个弹性振子、两个接触端和一个触发端，其中，两个接触端分别与所述第一电极层和第二电极层电连接；触发端跟随第一摩擦层和/或第一电极层相对于第二摩擦层同步运动；当所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面接触后分离，带动所述触发端运动并触发所述弹性振子振动，使两个接触端通过弹性振子交替与等电位源电连接，在所述弹性振子与等电位源之间产生交变电信号。

优选的，所述等电位源为地电位。

优选的，所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面分开的最大距离大于所述两个接触端之间的距离。

优选的，所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面分开的最大距离为接触表面的周长的一半。

优选的，所述弹性振子的初始振动振幅大于所述两个接触端之间距离的两倍；经过nN个振动周期后，振幅的衰减小于25%，其中，n是施加在发电机上机械力的频率，N是弹性振子的共振频率。

优选的，所述连接件为弹性结构，连接在第一摩擦层与第二摩擦层之间，或者连接在所述第一电极层与第二电极层之间。

优选的，所述振动式开关的触发端固定在所述第一摩擦层或者第一电极层上。

优选的，所述发电机还包括第一基板，所述第一电极层固定在所述第一基板上；

和/或，所述发电机还包括第二基板，所述第二电极层固定在所述第二基板上。

优选的，所述连接件为弹性结构，连接在所述第一摩擦层与第二摩擦层之间、第一电极层与第二电极层之间或者所述第一基板与第二基板之间。

优选的，所述连接件连接在所述第一基板上。

优选的，所述振动式开关的触发端固定在所述第一基板上。

优选的，所述触发端由绝缘材料组成。

优选的，所述第一摩擦层下表面和所述第二摩擦层上表面的材料之间存在摩擦电极序差异。

优选的，所述第一摩擦层下表面和所述第二摩擦层上表面为绝缘材料，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、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、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、聚四氟乙烯和派瑞林。

优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料采用金属或半导体材料；所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述半导体材料选自SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe和HgTe。

优选的，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面全部或部分具有纳米或微米尺度的微结构或者纳米材料的点缀或涂层；所述微结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。

优选的，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，其中，

在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团；

或者，在极性为正的材料表面引入正电荷，在极性为负的材料表面引入负电荷。

优选的，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为薄层状，厚度为100nm-5mm。

优选的，所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面形状相同或互补。

优选的，所述第一电极层和/或第二电极层的导电材料选自金属、合金、导电氧化物或有机物导体；其中，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

优选的，所述两个接触端和弹性振子的材料选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

优选的，所述振动式开关还包括开关支架，弹性振子的一端、两个接触端固定在所述开关支架上。

优选的，所述第一摩擦层、第一电极层、第二摩擦层、第二电极层、第一基板或第二基板为柔性材料或弹性材料。

优选的，所述两个接触端之间的设定距离为2mm到20mm。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，包括步骤：

提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层；提供下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层。

提供振动式开关，所述振动式开关包括一个弹性振子、两个接触端和一个触发端，其中，两个接触端分别与所述第一电极层和第二电极层电连接；触发端跟随第一摩擦层和/或第一电极层同步运动；弹性振子的一端与等电位源电连接；

所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触后分离，带动所述触发端碰撞弹性振子的边缘使弹性振子发生振动，弹性振子交替与第一接触端和第二接触端发生接触，在两个电极层与等电位之间交替输出交变电流信号。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

1、本发明的振动开关式摩擦发电机由于两个电极层分别通过振动式开关与等电位源形成电学通道，可以使收集的电荷量提高一倍。

2、本发明的振动开关式摩擦发电机通过第一摩擦层与第二摩擦层的相对运动，带动振动式开关的触发端运动，使弹性振子在两个接触端之间振动，两个电极层交替与等电位源电连接，可以在低频外部作用力下产生高频的电学输出。

3、通过振动开关的选择，可以将低频的电学信号调控到与供电频率相同，有助于实现摩擦发电与家用供电的结合。另外，提高输出频率，就可以提供更持续的电学输出，例如驱动LED灯时，可以一直点亮。

4、本发明的振动开关式摩擦发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以将海浪、风能、机械设备以及人体运动等产生的机械能转变为电能，具有广泛的实际用途。

5、振动开关式摩擦发电机可以在摩擦层表面进行微、纳米结构修饰或者进行表面化学改性，提高发电机的电学输出特性。

6、振动开关式摩擦发电机可以与全桥整流器结合，将输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的高频电源。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、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，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明振动开关式摩擦发电机的结构示意图；

图2为连接件连接在第一基板上表面时发电机的结构示意图；

图3为发电机的第一摩擦层采用导电材料的结构示意图；

图4中（a）-（h）为本发明振动开关式摩擦发电机的工作原理示意图；

图5为第一摩擦层表面的纳米突起结构的扫描电镜图片；

图6为振动开关式摩擦发电机一个实施例中开路电压测量结果；

图7中（a）和（b）为振动开关式摩擦发电机在2MΩ负载电阻下的输出电流曲线；

图8为振动开关式摩擦发电机的输出频率随弹性振子长度的变化曲线；

图9为振动开关式摩擦发电机的输出能量随负载电阻的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施示例中的附图，对本发明实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本发明一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本发明中的实施示例，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示例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本发明保护的范围。

本发明基于由发电机运动所触发的振动式开关，使两个电极层交替与等电位源形成电学连通，产生高频的交变电流，实现将低频的机械能转变为高频的电学信号。

下面结合附图详细介绍本发明振动开关式摩擦发电机的具体结构。

图1是振动开关式摩擦发电机的典型结构，包括：第一摩擦层101，第一摩擦层101的上表面接触设置第一电极层102；第二摩擦层201，第二摩擦层201的下表面接触设置有第二电极层202；连接件301，使第一摩擦层103与第二摩擦层203面对面设置，并且在外力作用下能够使第一摩擦层101下表面与第二摩擦层201上表面能够接触和分离。振动式开关，包括一个弹性振子402、两个接触端403、404和一个触发端405，其中，两个接触端403和404不跟随触发端405运动，分别与第一电极层102和第二电极层202电连接（连接导线在图中未示出）；触发端405跟随第一摩擦层101和/或第一电极层102相对于第二摩擦层201同步运动，当第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面接触后分离，带动触发端405运动并触发弹性振子402振动，使两个接触端403和404通过弹性振子402交替与等电位源401电连接，在弹性振子402与等电位源之间产生交变电信号。

振动式开关中，触发端405用来触发弹性振子402的振动，使两个接触端403和404通过弹性振子402交替与等电位源401电连接。等电位源可以为地电位，也可以为其他等电位源，例如等电位电路。

弹性振子402与等电位源之间可以连接检测设备检测产生的交变电流或电压信号，交变电流或电压信号的频率由振动式开关的弹性振子的振动频率决定。负载如LED灯可以连接在振动式开关的弹性振子402与地电位之间，也可以连接在第一电极层102与弹性振子402之间或者第二电极层202与弹性振子402之间。

振动式开关的弹性振子402、第一接触端403、第二接触端404、触发端405的固定有多种方式，在这里不做特别限定，只需要满足两个接触端不跟随所述触发端运动，触发端405能够触发弹性振子402的振动，并且弹性振子402在振动时能交替与第一接触端403和第二接触端404发生接触即可。在实际使用中，可以将振动式开关的两个接触端403和404分别进行固定，使发电机在工作时，振动式开关中只有触发端405跟随第一电极层102或者第一摩擦层101相对于第二摩擦层201运动，而两个接触端403和404相对于第二摩擦层201位置不变。弹性振子402和两个接触端403和404的材料可以选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。触发端405材料的选择根据触发端固定位置的不同，可以进行适应性选择，优选在触发端405与弹性振子402接触时，第一导电层102与弹性振子402不导通，本领域的技术人员可以根据实际使用情况进行合适的选择，具体材料的选择不应限定本发明的保护范围。触发端405材料可以选择具有较高机械强度的绝缘材料，例如：陶瓷、玻璃等无机材料，以及PTFE、PMMA等有机聚合物。

连接件301的作用为使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面面对面设置，并且在静止状态下使第一摩擦层103下表面与第二摩擦层203上表面保持一定距离；在受到外力作用时可以使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面互相接触和分离。因此连接件301可以连接在第一电极层102与第二电极层202之间（如图1所示），也可以连接在第一摩擦层101与第二摩擦层201之间，连接件301采用弹性材料或者弹性结构，优选采用绝缘材料。当外力作用在发电机上（例如第一电极层或第二电极层上）时，弹性的连接件被压缩，使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面接触，撤去所述外力时，由于第一连接件的弹性回复作用使第一摩擦层103的下表面与第二摩擦层203的上表面分离。

弹性的连接件优选为弹性结构，例如弹簧或者弹片等。弹性的连接件结构有多种，可以为多个弹簧单元排列共同构成，也可以是一个整体的弹性部件。

本发明的振动开关式摩擦发电机利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。这里所述的“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。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。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，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

本发明中所述的“摩擦电荷”或“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

本发明的振动开关式摩擦发电机中，第一摩擦层101和第二摩擦层201需要满足：第一摩擦层101下表面的材料与第二摩擦层201上表面的材料存在摩擦电极序差异。当然，第一摩擦层和第二摩擦层可以整体为单一结构，只要能够满足能够互相接触的表面的材料存在摩擦电极序差异即可。

参见图2，在其他实施例中，还可以包括第一基板103，可以将第一电极层102固定在第一基板103上，第一基板103的设置可以使发电机的第一电极层102受到保护；同时，对于第一摩擦层101和第一电极层102比较薄的情况，将第一电极层102的上表面固定在第一基板的下表面，第一基板还可以增加第一摩擦层的强度，或者使第一摩擦层的下表面保持一定形状。同样的，还可以包括第二基板203，将第二电极层202固定在第二基板上，第二基板203的设置可以使发电机的第二电极层202受到保护；同时，对于第二摩擦层201和第二电极层202比较薄的情况，将第二电极层202的上表面固定在第二基板的上表面，第二基板还可以增加第二摩擦层的强度，或者使第二摩擦层的下表面保持一定形状，可以将连接件301固定在第一基板103上，由连接件301带动第一摩擦层（触发端）101相对于第二摩擦层201进行靠近或远离的运动。

类似图1中的情况，对于包括第一基板103或第二基板203的摩擦发电机，也可以将弹性的连接件301连接在第一基板103与第二基板203之间，

参见图2，振动式开关的触发端405也可以固定在第一基板103上，在外力作用下，被第一基板103带动跟随第一摩擦层运动。振动式开关还可以包括开关支架406，将弹性振子402的一端、两个接触端403和404固定在开关支架406上，使两个接触端403和404不跟随触发端405运动。

在其他实施例中，连接件301的一端可以连接在第一基板101的上表面上，另一端与其他装置连接，通过其他装置的运动来控制第一基板的运动，参见图2所示，通过控制连接件301来调节第一摩擦层101与第二摩擦层201的距离。

绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦层101、第二摩擦层201的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：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。

相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层103或第二摩擦层203的原料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等，因此以下列出的半导体材料均可作为本发明中的第一摩擦层或者第二摩擦层的材料：SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe、HgTe等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的可以作为第一摩擦层和第二摩擦层的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当第一摩擦层101下表面与第二摩擦层201上表面材料的得电子能力相差越大（即在摩擦电极序中的位置相差越远）时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层101、第二摩擦层201，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、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、铜、铝、金、银和钢。

第一摩擦层或第二摩擦层可以采用导电材料制备，这样可以同时起到电极层和摩擦层的作用，第一摩擦层或第二摩擦层替换第一电极层或第二电极层。图3是发电机的第一摩擦层采用导电材料的结构示意图，第一摩擦层101（或第一电极层）的上表面直接设置在第一基板103的下表面，弹性的连接件301固定在第一基板103的下表面和第二基板203的上表面，使第一摩擦层101与第二摩擦层201面对面设置，并且在外力作用下能够使第一基板103与第二基板203之间的距离发生改变，使第一摩擦层101下表面与第二摩擦层201上表面能够接触和分离。振动开关的触发端405固定在第一基板103的边缘，弹性振子402的一端与地电位连接。发电机的其他部件与前述实施例的相同，在此不再复述。当触发端405碰撞弹性振子402的边缘时，弹性振子402发生振动，并能够交替与第一接触端403和第二接触端404发生接触，使第一电极层102和第二电极层202交替与地电位连通，输出交变电学信号。以上描述的是第一摩擦层采用导电材料、第二摩擦层采用非导电材料的发电机结构，对于第一摩擦层采用非导电材料、第二摩擦层采用导电材料的发电机结构相似，这里不再复述。

本实施示例中，除了第一摩擦层或第二摩擦层需要使用导电材料外，发电机各部分的材料选择与图1实施例中的相同，在这里不再复述。同时，导电的第一摩擦层或第二摩擦层同时起到了第一电极层或第二电极层的作用。在发电机的第一摩擦层101相对于第二摩擦层201往复运动中，振动式开关的接触方式、发电机的发电原理与前述内容相同，这里不再复述。

下面以图3所示的发电机结构为例，介绍本发明振动开关式摩擦发电机的工作原理。图4中（a）-（h）是振动开关式摩擦发电机的工作原理示意图。设置在第一基板103下表面的导电层111既是第一电极层也是第一摩擦层。最初，当第一基板103受到向下的作用力时，带动第一摩擦层111向着第二摩擦层201运动，当第一摩擦层/电极层111与第二摩擦层203接触时，在两个摩擦层的表面产生摩擦电荷。以第一摩擦层111的材料处于摩擦序列表的更正的位置，第二摩擦层201的材料处于摩擦序列表的更负的位置为例。因此，当第一摩擦层111下表面与第二摩擦层201上表面接触时，第一摩擦层111的下表面产生正的接触电荷，第二摩擦层201的上表面产生负的接触电荷。此时，由于正、负接触电荷在垂直方向上没有分离，因此在远离摩擦层接触面的位置，正负电荷所产生的电场相互抵消，第一电极层111（即第一摩擦层）和第二电极层202之间没有产生电势差，如图4中（a）所示。触发端405随着第一基板一起运动，并与弹性振子402碰撞，使其产生振动。当外力撤回时，第一摩擦层111和第二摩擦层201发生分离，在第一电极层111和第二电极层202分别产生正的和负的对地电势差。当弹性振子402接触第一接触端403时，第一电极层111和大地连通，第一电极层111上的正电荷流向大地，产生正电流；由于第二摩擦层201上的负电荷所产生的负电势，达到电学平衡时，第一电极层111上仍有部分正电荷，如图4中（b）所示。当弹性振子402接触第二接触端404时，第二电极层202和大地连通，第二电极层202上的负电荷流向大地，产生负电流，使第二电极层202上产生正电荷；由于第一摩擦层111上的正电荷所产生的正电势，达到电学平衡时，第二电极层102的电荷量小于第二摩擦层201上的电荷量，如图4中（c）所示。此后，随着弹性振子402交替接触第一接触端403和第二接触端404，正电流和负电流交替产生，多次接触之后，达到最终的电学平衡，此时，第一摩擦层111上的电荷量为零，第二电极层202上的正电荷的数量与第二摩擦层201上负电荷的数量相同，如图4中（d）所示。随后，当第一基板103受到向下的作用力时，第一基板103向下运动，第一摩擦层111和第二摩擦层203之间的距离逐渐减小。当第一摩擦层111下表面和第二摩擦层201上表面之间的距离d远大于第二摩擦层201的厚度d1（第二摩擦层上下表面之间的距离）时，第一电极层111和第二电极层202的对地电势近似为零，此时，当弹性振子402与两个接触端403和404接触时，不产生电流，如图4中（e）所示。当第一摩擦层111接触第二摩擦层201后，第一电极层111和第二电极层202分别产生负的和正的对地电势差。当弹性振子402接触第一接触端403时，第一电极层112和大地连通，产生负电流，如图4中（f）所示。当弹性振子402接触第二接触端404时，第二电极层202和大地连通，产生正电流，如图4中（g）所示。随着弹性振子402交替接触第一接触端403和第二接触端404，负电流和正电流交替产生，多次接触之后，达到最终的电学平衡，如图4中（h）所示。到此，发电机完成了一个发电周期。随着周期性外力的作用，发电机沿着图4中（a）-（h）所示的循环过程产生交变电流输出。

本发明提供的振动开关式摩擦发电机中，振动式开关使两个电极层交替与等电位形成电学连通，振动开关的振动由发电机的机械运动所触发。在两个摩擦层周期性的接触/分开过程中，两个电极层上产生对等电位的电势，当两个电极层通过振动开关交替与等电位连通时，产生交变电流。发电机输出电流的频率由振动开关的频率决定，提高振动开关的振动频率可以提高发电机的输出频率。

本发明的第一摩擦层101、第二摩擦层201的厚度无特别要求，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为10nm-5mm，优选10nm-1mm，更优选100nm-500μm。

在实验中发现，当第一摩擦层111下表面和第二摩擦层201上表面之间分开的最大距离d为接触表面的周长的一半时，发电机的输出电压基本饱和，如第一摩擦层111下表面和第二摩擦层201上表面为面积相等的正方形表面，边长为A，并且在外力作用下能够完全接触，当d为2A时发电机的输出电压基本饱和，因此，d的范围优选为小于2A。d继续增大时，对提高输出没有显著提高，反而会更多地消耗机械能，并降低输出频率。另外，为了保证振动式开关的触发端405的行程，d优选大于两个接触端403和404之间的距离。对于第一摩擦层下表面为边长20mm的长方形，d的范围可以为20-40mm，两个接触端之间的距离可以为2-5mm。。这里所述的“接触表面的周长”是指第一摩擦层111下表面和第二摩擦层201上表面互相接触时实际接触的表面区域的周长，并不是第一摩擦层111下表面或第二摩擦层201上表面的周长。

弹性振子402的振动频率由其长度来调节，长度越小，振子的振动频率越大。实验中发现，振子的长度调节范围优选为5-50mm。为了保证弹性振子402振动时能够与两个接触端403和404碰撞接触，优选的，弹性振子402的初始振动振幅大于两个接触端403和404之间距离的两倍；经过nN个振动周期后（n是施加在发电机上机械力的频率，N是弹性振子的共振频率），振幅的衰减小于25%，即：nN个振动周期后，弹性振子402的振幅大于两个接触端距离的1.5倍，以保证发电机工作过程中，弹性振子402始终可以与两个接触端相接触。优选的，弹性振子402的宽度为2-5mm，厚度0.1-0.5mm。

本发明的振动开关式摩擦发电机中，还可以对第一摩擦层101的下表面和/或第二摩擦层201的上表面进行物理改性，使其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，以增强第一摩擦层101与第二摩擦层201之间的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、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。优选为在第一摩擦层101的下表面、第二摩擦层201的上表面包括上述微、纳米结构形成的阵列。

另外，还可以在第一摩擦层101的下表面和/或第二摩擦层201的上表面进行化学改性，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。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互摩擦的第一摩擦层和第二摩擦层，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在摩擦电极序相对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相互接触时的转移量，从而提高摩擦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、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是对于相互摩擦的第一摩擦摩擦层和第二摩擦层，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。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯（TEOS），而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层或电极层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

优选的，第一摩擦层101和第二摩擦层201选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。同样，第一电极层102、第二电极层202、第一基板103或第二基板203也可以为弹性材料或者柔性材料，使本发明的发电机成为一个柔性器件。

尽管附图中所示的发电机结构中，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面均为平面，实际中第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面可以为曲面或者不平整的凹凸结构表面，优选的，第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面形状相同或互补，使得在有外力施加时，第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面完全接触。

第一电极层102、第二电极层202的材料可以选择常用的电极材料，例如金属、合金、导电氧化物或有机物导体等，其中，金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等；合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢等。具体电极材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素。实际中，本领域的技术人员可以根据各摩擦层材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件。电极层与摩擦层可以采用直接叠合在一起的方式结合，也可以采用导电胶粘贴等多种方式进行结合。

本发明中，第一基板与第二基板为第一电极层与第二电极层提供支撑的部件，因此，第一基板和第二基板的材料选择无特殊要求，可以为导体、绝缘体或半导体，例如铝板或硅片。第一基板和第二基板可以为柔性基板也可以为硬性基板，例如橡胶或玻璃板。第一电极层与第一基板之间，以及第二电极层与第二基板之间的固定可以采用常规的粘贴等固定方式。

对于只起支撑和固定作用的第一基板103、第二基板203和振动开关支架406、以及触发端405，其材料选择无特别要求，优选为绝缘材料，可以选自玻璃，有机玻璃，聚乙烯板材或聚氯乙烯等绝缘材料。

本发明的振动开关式摩擦发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在收集海浪、风能、机械和人体的运动等产生的机械能，具有广泛的实际用途。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，包括步骤：

提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层，提供下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层；

提供振动式开关，所述振动式开关包括一个弹性振子、两个接触端和一个触发端，其中，两个接触端分别与所述第一电极层和第二电极层电连接；触发端跟随第一摩擦层和/或第一电极层同步运动；弹性振子的一端与等电位源电连接；

所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触后分离，带动所述触发端碰撞弹性振子的边缘使弹性振子发生振动，弹性振子交替与第一接触端和第二接触端发生接触，在两个电极层与等电位之间交替输出交变电流信号。

通过控制第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触和分离的周期，可以获得连续的高频电信号。

所述的摩擦发电方法中，第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层以及振动式开关的各部分，其材料选择以及结构都可以与前述振动开关式摩擦发电机的各部分的材料和结构相同，在这里不在复述。

本发明提供的摩擦发电方法，输出电流的频率由振动开关的弹性振子的振动频率决定。在不改变外部机械作用力频率的情况下，提高弹性振子的振动频率可以提高发电机的输出频率。可以将负载连接在弹性振子与等电位源之间，为负载提供高频电信号。等电位源可以选择地电位，即将负载连接在弹性振子和地电位之间实现弹性振子与地电位的电连接，也可以选择等电位电路作为等电位源。

在以上所有示例中，都可以通过对摩擦层表面进行微米、纳米尺度的结构加工、材料修饰以提高两个摩擦层之间的接触面积。下面以一个实际示例为例，说明振动开关式摩擦发电机的制备过程及摩擦层的表面修饰过程。

首先，将DVD光盘的塑料树脂层从光盘上剥离下来，通过激光切割的方法加工第一基板103，然后利用磁控溅射的方法在第一基板103的下表面蒸镀尺寸为5cm×5cm、厚度为100纳米的Al薄膜作为第一电极层，并同时利用第一电极层作为第一摩擦层111。图5是第一电极层111的电子扫描显微镜（SEM）图片，如图所示，表面由尺寸为300-800纳米范围内的凸起结构组成。以有机玻璃PMMA为材料，通过激光切割的方法加工第二基板203、振动开关支架406、触发端405。然后利用磁控溅射的方法在第二基板203的上表面蒸镀100纳米厚度的Al薄膜作为第二电极层202。在第二电极层202的上表面利用旋转涂膜的方法制备尺寸为5cm×5cm、厚度为0.5mm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作为第二摩擦层201。切割长条形的不锈钢薄片作为弹性振子402，利用球形不锈钢珠作为第一接触端403和第二接触端404，两个接触端放置在弹性振子的两侧，两个接触端之间的距离为5mm，两个接触端分别和两个电极层通过导线电连接。在两个摩擦层周期性的接触/分开过程中，两个电极层上产生对地电势，当两个电极层通过振动开关与大地联通时，产生交变电流。

当发电机受到周期性外力的作用下，可以在振动式开关的弹性振子与地电位之间输出交流脉冲信号。下面以制备完成的振动开关式摩擦发电机器件为例，展示振动开关式摩擦发电机的输出特性。图6是发电机的开路电压特性，两个电极层的对地开路电压（V_OC-1和V_OC-2）具有相反的极性和相近的绝对值（大约80V）。图7中（a）是发电机负载为2MΩ时多周期的输出电流曲线，图7中（b）是发电机负载为2MΩ时单周期的输出电流曲线，发电机的运动频率是2Hz。曲线表明，在一个发电周期内，可以输出大约30个电流峰，正电流和负电流交替出现，两个同方向的电流峰之间的时间间隔是0.02s，对应的输出电流频率为50Hz。图8是发电机的输出频率和1/L之间的关系曲线，其中L是弹性振子的长度。曲线表明，输出频率随着1/L的增大而线性增大，输出频率的变化范围是25-50Hz。图9是发电机在一个周期内输出能量随负载电阻的变化曲线，曲线表明，输出能量随负载电阻的减小而略有降低。

本发明各实施示例的振动开关式摩擦发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端（振动开关和等电位源之间）连接全桥整流器，将发电机的输出信号整流为单向脉冲电信号。发电机输出的单向脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明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发明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示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (25)

1.一种振动开关式摩擦发电机，其特征在于，包括：

第一摩擦层，所述第一摩擦层的上表面接触设置有第一电极层；

第二摩擦层，所述第二摩擦层的下表面接触设置有第二电极层；

连接件，所述连接件使所述第一摩擦层与第二摩擦层面对面设置，并且在外力作用下能够使所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面能够接触和分离；

振动式开关，所述振动式开关包括一个弹性振子、两个接触端和一个触发端，其中，两个接触端分别与所述第一电极层和第二电极层电连接；触发端跟随第一摩擦层和/或第一电极层相对于第二摩擦层同步运动；当所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面接触后分离，带动所述触发端运动并触发所述弹性振子振动，使两个接触端通过弹性振子交替与等电位源电连接，在所述弹性振子与等电位源之间产生交变电信号。

2.根据权利要求1所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述等电位源为地电位。

3.根据权利要求1或2所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面分开的最大距离大于所述两个接触端之间的距离。

4.根据权利要求1或2所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面分开的最大距离为接触表面的周长的一半。

5.根据权利要求1或2所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述弹性振子的初始振动振幅大于所述两个接触端之间距离的两倍；经过nN个振动周期后，振幅的衰减小于25％，其中，n是施加在发电机上机械力的频率，N是弹性振子的共振频率。

6.根据权利要求1或2所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述连接件为弹性结构，连接在第一摩擦层与第二摩擦层之间，或者连接在所述第一电极层与第二电极层之间。

7.根据权利要求1或2所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述振动式开关的触发端固定在所述第一摩擦层或者第一电极层上。

8.根据权利要求1或2所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述发电机还包括第一基板，所述第一电极层固定在所述第一基板上；

和/或，所述发电机还包括第二基板，所述第二电极层固定在所述第二基板上。

9.根据权利要求8所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述连接件为弹性结构，连接在所述第一摩擦层与第二摩擦层之间、第一电极层与第二电极层之间或者所述第一基板与第二基板之间。

10.根据权利要求8所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述连接件连接在所述第一基板上。

11.根据权利要求9或10所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述振动式开关的触发端固定在所述第一基板上。

12.根据权利要求1-2及9-10任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述触发端由绝缘材料组成。

13.根据权利要求1-2及9-10任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层下表面和所述第二摩擦层上表面的材料之间存在摩擦电极序差异。

14.根据权利要求13所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层下表面和所述第二摩擦层上表面为绝缘材料，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、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、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、聚四氟乙烯和派瑞林。

15.根据权利要求13所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料采用金属或半导体材料；所述导体选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述半导体材料选自SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe和HgTe。

16.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面全部或部分具有纳米或微米尺度的微结构或者纳米材料的点缀或涂层；所述微结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。

17.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的下表面和/或第二摩擦层的上表面经过化学改性，其中，

在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团；

或者，在极性为正的材料表面引入正电荷，在极性为负的材料表面引入负电荷。

18.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层为薄层状，厚度为100nm-5mm。

19.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层上表面形状相同或互补。

20.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极层和/或第二电极层的导电材料选自金属、合金、导电氧化物或有机物导体；其中，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

21.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述两个接触端和弹性振子的材料选自金属或合金；所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢。

22.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述振动式开关还包括开关支架，弹性振子的一端、两个接触端固定在所述开关支架上。

23.根据权利要求9或10所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第一电极层、第二摩擦层、第二电极层、第一基板或第二基板为柔性材料或弹性材料。

24.根据权利要求1-2、9-10及14-15任一项所述的振动开关式摩擦发电机，其特征在于，所述两个接触端之间的设定距离为2mm到20mm。

25.一种摩擦发电方法，其特征在于，包括步骤：

提供上表面接触设置第一电极层的第一摩擦层；提供下表面接触设置第二电极层的第二摩擦层；

提供振动式开关，所述振动式开关包括一个弹性振子、两个接触端和一个触发端，其中，两个接触端分别与所述第一电极层和第二电极层电连接；触发端跟随第一摩擦层和/或第一电极层同步运动；弹性振子的一端与等电位源电连接；

所述第一摩擦层的下表面与所述第二摩擦层的上表面接触后分离，带动所述触发端碰撞弹性振子的边缘使弹性振子发生振动，弹性振子交替与第一接触端和第二接触端发生接触，在两个电极层与等电位之间交替输出交变电流信号。