CN104426420B - 一种插齿结构摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插齿结构摩擦纳米发电机，主要包括通过弹性部件连接的2个摩擦部件，其中至少一个部件上由若干摩擦单元排列成插齿结构，该插齿结构能够与另一部件上的摩擦单元形成紧密咬合的状态，在弹性部件的作用下，2个部件之间的相对位置能够因外力而发生周期性的变化，从而促成了摩擦发电的过程，使发电机能够向外输出电信号。本发明的发电机通过2个摩擦单元与弹性部件的配合，首次实现了利用滑动摩擦对震动能量的有效摄取；同时，通过插齿状分布的第一摩擦单元和与其配合的第二摩擦单元之间的咬合，增大了滑动摩擦的面积，改善了发电机的电输出性能。

Description

一种插齿结构摩擦纳米发电机

技术领域

本发明属于摩擦式纳米发电机领域，尤其是一种插齿结构摩擦纳米发电机。

背景技术

自2006年王中林教授发明了首个纳米发电机以来，纳米发电机因其自驱动、体积小和对微小机械能的有效收集等特性而得到广泛关注，人们预测纳米发电机将在自驱动传感和微小能源收集等领域带来革命性的变化。

纳米发电机分为压电式和静电式两种，静电式纳米发电机也被称为摩擦纳米发电机，根据其摩擦面的接触方式不同，又被分为接触-分离式摩擦纳米发电机和滑动式摩擦纳米发电机。其中，用于摄取震动能量进行电信号输出的主要是接触-分离式摩擦纳米发电机。这种发电机的结构必须要在两个平行相对的摩擦面之间形成空隙，以完成发电过程。为了保持该空隙，常在两个摩擦面之间设置空间隔离装置，但是该装置常会引起摩擦面间的接触不充分，影响发电性能，同时对微小震动的感应也存在不足。

虽然滑动摩擦的电输出性能相对较好，但是已经公开的滑动摩擦发电机都是两个平面的摩擦层相互接触并滑动，当接触面积发生变化时才会有电信号产生。因此如果要产生足够强度的电信号，则需要两个摩擦面的接触错位足够大，亦即要求外力能够带动摩擦面运动相当长的距离。而震动所产生的外力则不具备这种特性，因此目前还没有通过滑动摩擦来摄取震动能量的纳米发电机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种插齿结构摩擦发电机，其特征在于包括，第一部件、第二部件和弹性部件，其中所述第一部件包括呈插齿状排列的若干第一摩擦单元，每个所述第一摩擦单元的外侧面为第一摩擦层，所述第一摩擦层的内表面直接贴合第一电极；所述第二部件包括若干与所述第一摩擦单元互补的第二摩擦单元，每个所述第二摩擦单元与所述第一摩擦层接触的表面为第二摩擦层的外表面，所述第二摩擦层的内表面直接贴合第二电极；所有所述第一电极电连接形成一个输出端，所有所述第二电极电连接形成另一个输出端；所述第一摩擦单元与第二摩擦单元能够相互咬合，使得所述第一部件和第二部件在外力作用下发生相对位移时，所述第一摩擦层与第二摩擦层之间能够形成摩擦面积发生变化的相对滑动摩擦和/或接触-分离式摩擦；所述弹性部件固定在所述第一部件和/或第二部件上，使得外力撤销后第一部件和第二部件能够恢复初始的相对位置；

优选地，所述第一摩擦单元为柱体、椎体、圆台、棱台、板状或片状结构；

优选地，在所述第一摩擦单元与第二摩擦单元完全咬合的情况下，所述第一摩擦层和第二摩擦层至少有一个侧面完全接触；

优选地，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元均呈插齿状排列；

优选地，呈插齿状排列的所有所述第一摩擦单元的形状和尺寸均相同，和/或，呈插齿状排列的所有所述第二摩擦单元的形状和尺寸均相同；

优选地，所有所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元的形状和尺寸均相同；

优选地，所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元均呈规则的矩阵排列；并且所述矩阵中相邻各排的间距相等，和/或，相邻各列的间距相等；

优选地，相邻2个第一摩擦单元之间的间距与相应的第二摩擦单元的尺寸相匹配，同时相邻2个第二摩擦单元之间的间距与相应的第一摩擦单元的尺寸相匹配，使得第一摩擦单元和第二摩擦单元能够完全紧密咬合；

优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，并均选自绝缘材料和半导体材料；

优选地，所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：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；

优选地，所述第一摩擦层或第二摩擦层选自导体，并且该第一摩擦层或第二摩擦层同时作为相应的第一电极或第二电极存在；

优选地，所述导体选自：包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒的金属，由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金，氧化铟锡ITO和选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩的导电有机物；

优选地，所述第一摩擦单元的整个外表面均为所述第一摩擦层，和/或，所述第二摩擦单元的与所述第一摩擦单元接触的所有表面均为所述第二摩擦层；

优选地，所述第一部件所有能够与第二部件接触的表面均由第一摩擦层的材料制成，和/或，所述第二部件所有能够与第一部件接触的表面均由所述第二摩擦层的材料制成；

优选地，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面，和/或，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构；

优选地，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由这些结构形成的阵列；

优选地，所述第一电极和第二电极选自：包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒的金属，由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金和氧化铟锡ITO；

优选地，所有所述第一电极的上端均与一个第一导电平板接触连接，再通过该第一导电平板与输出端的一端电连接，和/或，所有第二电极的下端均与一个第二导电平板接触连接，再通过该第二导电平板与输出端的另一端电连接；

优选地，所述弹性部件选自弹簧、弹性薄片或弹性悬臂梁，数目可以是1个或2个以上；

优选地，还包括为所述第一部件提供支撑表面的第一基底，和/或，为所述第二部件提供支撑表面的第二基底。

本发明所公开的插齿结构摩擦发电机具有以下优势：

1、首次设计并制备出了利用滑动摩擦来摄取震动能量的纳米发电机；

2、通过独特的插齿结构，在有限的运动空间中显著的增加了摩擦面积，有效地提高了电信号的输出性能；

3、解决了接触-分离式摩擦发电机中空间隔离件的使用所带来的摩擦面接触不充分、对微小震动无法感知等缺陷。

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是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的一种典型剖面结构示意图；

图2是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的一种典型结构示意图；

图3是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图4是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图5是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图6是本发明插齿结构摩擦纳米发电机弹性部件的典型安装结构示意图；

图7是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图8是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图9是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图10是本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。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发明。

图1所示的是本发明插齿结构摩擦发电机的一种典型结构，包括：第一部件10、第二部件20和弹性部件30，其中第一部件10包括呈齿状排列的若干第一摩擦单元101，每个第一摩擦单元101的外侧面为第一摩擦层11，第一摩擦层11的内表面直接贴合第一电极12；第二部件20包括若干与第一摩擦单元101互补的第二摩擦单元201，每个第二摩擦单元201与第一摩擦层11接触的表面为第二摩擦层21的外表面，第二摩擦层21的内表面直接贴合第二电极22；所有第一电极12均通过导线40电连接形成一个输出端50，所有第二电极22均通过导线40电连接形成另一个输出端50；呈插齿状排列的第一摩擦单元101和与其形状互补的第二摩擦单元201相互咬合，使得第一部件10和第二部件20在外力作用下发生相对位移时，第一摩擦层11与第二摩擦层21之间能够形成摩擦面积发生变化的相对滑动摩擦；弹性部件30的两端分别固定在第一部件10和第二部件20上，使得外力撤销后第一部件10和第二部件20能够恢复初始的相对位置。需要说明的是，本发明的“互补”并不要求第一部件10和第二部件20必须在形状和尺寸上都严格匹配，从而能够形成紧密咬合，这种情况只是本发明的优选情况；本发明的“互补”表明当第一部件10和第二部件20面对面作相对运动时，第二部件20与插齿状排列的第一摩擦单元101相对应的部分为凹陷，使得第一摩擦单元101能够***，但是凹陷的形状和尺寸可以与第一摩擦单元101相同，也可以不同。

在没有外力作用的情况下，因为有弹性元件30的支撑，第一部件10和第二部件20保持相对静止，没有任何电信号输出。当有震动或其他外力传导到发电机上时，弹性元件30会发生弹性形变，从而带动第一部件10和第二部件20之间产生相对位移，导致第一摩擦层11与第二摩擦层21之间发生接触面积不断变化的滑动摩擦。在滑动摩擦的过程中，因为两个摩擦层材料对电子的束缚能力不同，会导致两个摩擦层上发生电子的转移，电子束缚能力较弱的一个摩擦层上的电子转移到电子束缚能力较强的另一个摩擦面上，从而使一个摩擦层表面带正电，另一个摩擦层表面带负电。在接触面积没有发生变化时，这两种表面电荷电性相反、电量相等，对外没有电信号输出。但是因为弹性元件30的作用，外力作用撤销后第一摩擦层11和第二摩擦层21的接触面积无法一直保持不变，而是会随着弹性元件30的压缩（或拉伸）与恢复发生周期性的减小（或增加）和增加（或减小）。当两个摩擦层接触面积发生变化时，就会造成一部分表面电荷没有相应的相反电荷来平衡，形成了电荷失配的不稳定态势，为了使电荷重新达到平衡，外电路的电子会被驱使按照一定方向流动，从而形外电路电流，在输出端50就会收集到产生的电信号。以上为本发明插齿结构摩擦发电机的工作原理，下面将结合图1所示的实施方式，对本发明发电机的主要部件进行详细说明。

第一摩擦层11和第二摩擦层21的摩擦材料不同，并可以选自下面一些常用的绝缘材料：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。相对于绝缘体，半导体和导体均具有容易失去电子的摩擦电特性，因此也可以作为摩擦材料。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。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材料，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；常用的导体包括金属、某些氧化物、掺杂的半导体和导电有机物，其中金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；氧化物常见的是氧化铟锡ITO；导电有机物一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

根据本发明，第一摩擦层11和第二摩擦层21优选具有对电子束缚能力差别较大的材料，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为聚苯乙烯、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、铂和钢。

上述摩擦材料的表面可以进行物理改性，使第一摩擦层11面向第二摩擦层21的表面，和/或，第二摩擦层21面向第一摩擦层11的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。参照图1，可以对第一摩擦层11外表面和/或第二摩擦层21的外表面进行物理改性，以增加第一摩擦层11与第二摩擦层21之间的接触面积和摩擦效果，从而增大摩擦材料的表面电荷密度。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

也可以对摩擦材料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。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互接触的摩擦材料，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相互滑动时的转移量，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，从而在摩擦材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性为正的摩擦材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦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PDMS摩擦材料表面利用溶胶-凝胶（英文简写为sol-gel）的方法修饰上正硅酸乙酯（英文简写为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，故会使整个摩擦材料变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦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。

所述第一摩擦层11和第二摩擦层21的厚度对本发明的实施效果没有显著影响，本发明优选的摩擦层为薄膜，厚度为100nm～1mm，优选1μm～500μm，更优选10μm～300μm，最优选50μm～100μm，这些厚度对本发明所有的技术方案都适用。

第一电极12和第一电极22是导电元件，作为发电机的电极，只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，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，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等；常用的导电氧化物包括氧化铟锡ITO、离子掺杂型的半导体和导电有机物。导电层最好与相应的摩擦层的表面紧密接触，以保证电荷的传输效率，可以将摩擦层和相应的电极通过导电胶带或导电浆体（如银浆）粘结在一起，或者在电极的外表面通过旋涂的方式制备摩擦层，以实现二者的紧密接触。更为优选的方式是将导电材料通过沉积的方式在相应摩擦层的内表面形成薄膜，薄膜厚度可以为50nm-500μm，优选为100nm-500nm；具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀，优选为磁控溅射或等离子体溅射。

摩擦层和相应的电极形成摩擦单元的方式有很多种，图1所示的是在柱形实心电极的外表面通过导电胶粘结一层摩擦层，若干分立的摩擦单元呈齿状排列。还可以先在摩擦层的下表面沉积一层电极材料，形成双层复合材料，再将该双层复合材料围绕一支撑元件形成一个外侧面为摩擦层、中间层为电极、最内侧为支撑元件的摩擦单元。另外，如果上述双层复合材料的强度足够，还可以在无需支撑元件的条件下，通过薄膜的折叠成型，胶体的模具成型等常规方式加工成所需的摩擦单元。

第一摩擦单元101和第二摩擦单元201均可以为柱体（参见图3），也可以呈板状或片状（参见图2）。优选摩擦单元在其固定的平面上呈垂直的插齿状排列。由片状摩擦单元所形成的插齿结构，能够沿片状延伸的Y-Z平面内的任何方向发生滑动摩擦（参见图2）；而柱形摩擦单元所形成的插齿结构，则在沿柱的每个外侧面上均能发生滑动摩擦，例如图3中的摩擦单元沿X-Z和Y-Z两个平面内的各个方向都能够发生滑动摩擦，适用范围更为广泛。当然柱形摩擦单元的横截面可以为各种形状，优选规则的多边形，例如三角形、矩形，更优选为正多边形，例如正六边形、正八边形。边的数目越多，就能够在更多方向发生滑动摩擦，适应性也就越好。优选呈插齿状排列的所有第一摩擦单元101的形状和尺寸均相同，和/或，呈插齿状排列的所有第二摩擦单元201的形状和尺寸均相同。更优选呈插齿状排列的所有的摩擦单元形状和尺寸相同，更优选所有摩擦单元呈规则的矩阵排列，更优选矩阵中相邻各排的间距相等和/或各列的间距相等。优选在第一摩擦单元101与第二摩擦单元201完全咬合的情况下，第一摩擦层11和第二摩擦层21至少有一个侧面完全接触，为了使2个摩擦层的接触面积达到最大、发电效率最高，更优选，相邻2个第一摩擦单元101之间的间距最好与相应的第二摩擦单元201的尺寸相匹配，且相邻2个第二摩擦单元201之间的间距也与相应的第一摩擦单元101的尺寸相匹配，使得第一摩擦单元101和第二摩擦单元201能够完全紧密咬合，即当第一部件10和第二部件20之间发生相对位移时，所有的第二摩擦单元201完全***第一摩擦单元101之间的空隙中，且第二摩擦层21能够同时与相邻的第一摩擦层11均形成紧密接触。

同时，第二摩擦单元201还可以是与第一摩擦单元101互补的其它形状，例如当第一摩擦单元101为柱体时，第二摩擦单元201可以是与柱体相配的套筒结构（参见图4），即由内层的第二摩擦层21、贴合在第二摩擦层21外侧的电极层22和包围在最外侧的保护层24构成（参见图4右侧的小图），此处的“相配”含义为当第一摩擦单元101与第二摩擦单元201完全咬合时，第一摩擦层11和第二摩擦层21能够完全接触。为方便加工并提高发电机的机械强度，还可以将最外侧的保护层24做成一体结构（参见图5），第二电极22和第二摩擦层21依次在其内部的孔表面加工形成即可。

弹性部件30的作用是将外力转化为能驱使第一部件10和第二部件20发生相对滑动的能量：在初始状态或平衡状态下，弹性部件30的形态保持固定不变；当有外力作用时，弹性部件30会在某一方向上发生弹性形变，从而带动与其相连的第一部件10和/或第二部件20发生相对移动；当外力撤销后弹性部件30为恢复初始状态，会带动与弹性部件30相连的第一部件10和/或第二部件20发生发生反方向的位移，从而形成一个类似弹簧振子的受迫振动模式，使得第一部件10和第二部件20在外力撤销后仍能在一段时间内发生方向周期性反转的往复运动，持续向外输出电信号。由于第一摩擦层11和第二摩擦层21的摩擦会消耗部分能量，因此第一部件10和第二部件20相对往复运动的振幅呈逐渐减小的趋势。该弹性部件30可以采用本领域常用的弹簧、弹性薄片或弹性悬臂梁来充当，其中弹簧可以是螺旋状、盘状、异型弹簧或锥形弹簧等常规形状。

弹性部件30的安装方式有很多种，既可以如图1所示，两端分别安装在两个基底上；也可以如图6-A所示，仅在一个部件上安装；还可以在每个第一摩擦单元101和/或每个第二摩擦单元201的顶部安装，如图6-B所示。另外，还可以使用弹性薄片来充当弹性部件30，如图6-C所示。

弹性部件30的具体数目可以根据实际需求进行调整，如果第一部件10和/或第二部件20尺寸较大、质量较重，为了保证弹性部件30是在其弹性限度内工作，可以设置2个以上弹性部件30。

第一基底13和第二基底23不是本发明必须的部件，但是如果包含该部件，则可以将整个能量采集装置集成在该支撑部件之上，使整个装置具备更好的便携性，组装和使用也更为简单。基底最重要的是要为摩擦单元的插齿状排列和固定提供支撑表面，可以是平板、框架、箱体等各种常规能够提供一定表面的结构，还可以由与本发明发电机结合使用的其他设备来提供。基底最好是刚性的，以提供较好的支撑和固定功能，可以用本领域常规绝缘有机板材：聚甲基丙烯酸甲酯板（英文缩写PMMA）、聚乙烯板（英文缩写PE）、聚碳酸酯板（英文缩写PC）、聚氯乙烯板（英文缩写PVC）、环氧树脂板、玻璃纤维板等。插齿结构的摩擦单元可以通过本领域常规的方式固定在基底表面，例如胶粘、压板固定、钻孔螺栓固定、冲压等。

以上参照图1至图6说明了本发明插齿结构摩擦纳米发电机的基本结构以及各组成部件的功能、结构和材料选择。以下将结合具体的实施例，并参照附图对本发明的各种实施方式作进一步的详细说明，以使公众对本发明能量采集装置的结构变形方式有更为明确的了解。因为这些实施例都是在图1所示基本结构的基础上进行适当变形得到的，除另有说明外，各组成部件均可直接采用上述提到的设置。

图7所示的为本发明插齿结构摩擦纳米发电机的另一种典型结构，包括：第一部件10、与第一部件10呈齿状啮合的第二部件20和弹性部件30，其中第一部件10包括呈齿状排列的若干第一摩擦单元101，每个第一摩擦单元的外表面为第一摩擦层11，第一摩擦层11的内表面直接贴合第一电极12；第二部件20包括与第一摩擦单元101呈互补的插齿状排列的若干第二摩擦单元201，每个第二摩擦单元201的外表面为第二摩擦层21，第二摩擦层21的内表面直接贴合第二电极22；所有第一电极12的上端均与一个第一导电平板接触连接，再通过该第一导电平板与输出端50的一端电连接；所有第二电极22的下端均与一个第二导电平板接触连接，再通过该第二导电平板与输出端50的另一端电连接；呈插齿状排列的第一摩擦单元101和第二摩擦单元201相互咬合，使得第一部件10和第二部件20在外力作用下发生相对位移时，第一摩擦层11与第二摩擦层21之间能够形成相对滑动摩擦；弹性部件30的两端分别固定在第一部件10和第二部件20上，使得外力撤销后第一部件10和第二部件20能够恢复初始位置。

该实施方式与图1所示实施方式的主要区别在于：1、所有第一电极12和第二电极22均通过一端连接到一个导电平板上，再通过该导电平板与输出端连接。这种连接方式减小了由每个电极通过导线与输出端连接时产生的电阻，能够有效地提高电信号的输出效率。2、每个第一摩擦单元的整个外表面都是第一摩擦层11，而不仅仅是外侧面为摩擦层，更优选，每个第二摩擦单元201与第一摩擦单元101接触的表面均为第二摩擦层21，这种结构的设计使整体成型的加工方式成为可能。

更优选，第一部件10所有能够与第二部件接触的表面均由第一摩擦层的材料制成，和/或，第二部件20所有能够与第一部件10接触的表面均由第二摩擦层的材料制成。这样，不仅两个摩擦单元的侧面能够参与滑动摩擦发电，当外力足够大使得第一摩擦单元101的顶部能够与第二部件接触时，第一摩擦单元101的顶部也能与其接触的第二部件的表面产生接触-分离式的摩擦发电，这种发电原理在很多文章中已经有详细的报道，属于现有技术，在此不再赘述。可见，这种实施方式在一定程度上增大了摩擦电荷的产生面积，对增强电信号输出性能比较有利。

图8所示的是本发明插齿结构发电机的另一种典型实施方式，其主要结构与图7所示的相同，区别仅在于：导电的第二摩擦层21同时作为第二电极22存在。这种结构的优势主要体现在加工成本的大幅下降和加工工序的简化，使得该发电机的推广和应用更为容易。同时，另一个很重要的因素是由导电材料作为一个摩擦层对电输出性能的优化非常有利，原因是导电材料与绝缘材料之间的摩擦电特性一般相差较大，且金属对电子的束缚能较弱，二者摩擦后更容易产生表面电荷的转移，提高电信号的输出。

其中，插齿结构的第二电极22可以通过机械成型的方式加工，例如金属薄片的折叠成型、车削加工和挤压成型等。

图9所示的是本发明插齿结构摩擦发电机的另一种典型结构，其主要结构与图1所示的实施方式相同，区别仅在于第一摩擦单元101和第二摩擦单元201的纵向剖面为三角形，而图1所示的实施方式中，二者的纵向剖面为矩形。本发明所称的纵向是与摩擦单元在形成插齿结构时所固定的平面相垂直的方向。

同图1所示的实施方式类似，第一摩擦单元101和第二摩擦单元201既可以是长条的棱柱（参见图10-A和图10-B），也可以是棱锥（参见图10-C）。需要说明的是，虽然图9和图10中示出的是三棱柱和三棱锥，但是本领域的技术人员可以预想到，四棱柱、四棱锥、五棱柱、五棱锥、圆台和棱台等其他与之类似的形状都是可以使用的，因此这些形状都在本发明的保护范围内。

本实施方式可以通过两种方式发电，一种是两个摩擦单元沿着第一摩擦层11和第二摩擦层21的接触面滑动，并通过滑动摩擦的过程来发电；另一种是第一摩擦层11和第二摩擦层21在第一部件10和第二部件20发生相对震动时，发生周期性的接触和分离，从而通过接触摩擦的过程来发电。对于图10-B和图10-C两种实施方式，第一摩擦层11和第二摩擦21在其每个侧面的方向上均可以发生滑动摩擦，这极大的扩展了本发电机的应用范围。

实施例

以片状聚酰亚胺（Kapton）薄膜作为第一摩擦层11，在其表面沉积一层铜薄膜作为第一电极21，从而形成一个摩擦层和电极复合的片层。通过薄膜折叠的方式，将该复合片层形成插齿状第一摩擦单元并固定在镀铜的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板做成的基底上，使Kapton薄膜成为第一摩擦单元的外表面；第一电极在挤压成型后位于每个插齿结构的中心，同时其与PMMA基底镀铜一侧接触的固定端互相连接到铜导电薄层上，这样就完成了对第一部件的制备。用同样的方法制备第二部件，区别仅在于第二摩擦层21和第二电极22使用同一种材料——铝箔。因此，只需将铝箔按照与第一摩擦单元类似的方式折叠并固定在PMMA板上形成插齿结构的第二摩擦单元即可。需要注意的是第一摩擦单元的尺寸与相邻第二摩擦单元之间的尺寸相匹配，同时第二摩擦单元与相邻第一摩擦单元之间的尺寸相匹配，使得第一部件和第二部件完全咬合时，每个第一摩擦单元的第一摩擦层11均与至少2个摩擦单元的第二摩擦层21紧密接触。

在第一基底的表面周边、围绕由若干第一摩擦单元101形成的插齿结构设置4个弹簧。然后，将第一部件和第二部件的插齿结构相对放置，调整位置，使得第一部件和第二部件在静止时，两个基底之间具有一定的间隙，而二者相向运动时，两个部件中的插齿结构能够相互咬合。调整好位置后，将弹簧的另一端固定在第二基底的相应部位即可。

将该插齿结构的摩擦发电机放置于马达附近，当马达启动后，震动传递到发电机上，电压表和电流表显示有电信号输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种插齿结构摩擦纳米发电机，其特征在于包括：

第一部件、第二部件和弹性部件，

其中，所述第一部件包括呈插齿状排列的若干第一摩擦单元，每个所述第一摩擦单元的外侧面为第一摩擦层，所述第一摩擦层的内表面直接贴合第一电极；

所述第二部件包括若干与所述第一摩擦单元互补的第二摩擦单元，每个所述第二摩擦单元与所述第一摩擦层接触的表面为第二摩擦层的外表面，所述第二摩擦层的内表面直接贴合第二电极；

所有所述第一电极电连接形成一个输出端，所有所述第二电极电连接形成另一个输出端；

所述第一摩擦单元与第二摩擦单元能够相互咬合，使得所述第一部件和第二部件在外力作用下发生相对位移时，所述第一摩擦层与第二摩擦层之间能够形成摩擦面积发生变化的相对滑动摩擦和/或接触-分离式摩擦；

所述弹性部件固定在所述第一部件和/或第二部件上，使得外力撤销后第一部件和第二部件能够恢复初始的相对位置。

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元为柱体、椎体、圆台、棱台、板状或片状结构。

3.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，在所述第一摩擦单元与第二摩擦单元完全咬合的情况下，所述第一摩擦层和第二摩擦层至少有一个侧面完全接触。

4.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元均呈插齿状排列。

5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，呈插齿状排列的所有所述第一摩擦单元的形状和尺寸均相同，和/或，呈插齿状排列的所有所述第二摩擦单元的形状和尺寸均相同。

6.如权利要求5所述的发电机，其特征在于，所有所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元的形状和尺寸均相同。

7.如权利要求5或6所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元和所述第二摩擦单元均呈规则的矩阵排列；并且所述矩阵中相邻各排的间距相等，和/或，相邻各列的间距相等。

8.如权利要求7所述的发电机，其特征在于，相邻2个第一摩擦单元之间的间距与相应的第二摩擦单元的尺寸相匹配，同时相邻2个第二摩擦单元之间的间距与相应的第一摩擦单元的尺寸相匹配，使得第一摩擦单元和第二摩擦单元能够完全紧密咬合。

9.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，并均选自绝缘材料和半导体材料。

10.如权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：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。

11.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层选自导体，并且该第一摩擦层或第二摩擦层同时作为相应的第一电极或第二电极存在。

12.如权利要求11所述的发电机，其特征在于，所述导体选自：包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒的金属，由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金，氧化铟锡ITO和选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩的导电有机物。

13.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元的整个外表面均为所述第一摩擦层，和/或，所述第二摩擦单元的与所述第一摩擦单元接触的所有表面均为所述第二摩擦层。

14.如权利要求13所述的发电机，其特征在于，所述第一部件所有能够与第二部件接触的表面均由第一摩擦层的材料制成，和/或，所述第二部件所有能够与第一部件接触的表面均由所述第二摩擦层的材料制成。

15.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面，和/或，所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。

16.如权利要求15所述的发电机，其特征在于，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由这些结构形成的阵列。

17.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一电极和第二电极选自：包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬的金属，由金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬中的2种以上物质所形成的合金和氧化铟锡ITO。

18.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所有所述第一电极的上端均与一个第一导电平板接触连接，再通过该第一导电平板与输出端的一端电连接，和/或，所有第二电极的下端均与一个第二导电平板接触连接，再通过该第二导电平板与输出端的另一端电连接。

19.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述弹性部件选自弹簧、弹性薄片或弹性悬臂梁，数目可以是1个或2个以上。

20.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，还包括为所述第一部件提供支撑表面的第一基底，和/或，为所述第二部件提供支撑表面的第二基底。