CN104980059A - 一种包含周期性弯曲结构的电信号输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明利用具有周期性弯曲结构的摩擦发电装置，实现了对宽频机械能的有效收集。具体结构包括平板结构的第一部件和具有周期性弯曲结构并且能发生弹性形变的第二部件，其中所述第一部件包括第一电极层和贴合于所述第一电极层下表面的第一摩擦层，所述第二部件包括第二电极层，所述第一摩擦层的部分下表面和第二部件的部分上表面在没有外力的作用下呈周期性互相接触状态，并且在外力的作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，同时通过所述第一电极层和第二电极层向外电路输出电信号。本发明的重要应用在于对江河湖海中波涛能的收集以及水文分析。

Description

一种包含周期性弯曲结构的电信号输出装置

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦发电的电信号输出装置，尤其是一种包含周期性弯曲结构的电信号输出装置，以及该装置在液体机械能收集和水文分析中的应用。

背景技术

摩擦起电现象虽然早就为人熟知，但是利用该效应成功进行发电则是在2012年摩擦纳米发电机被成功研发才开始的。这种发电机具有体积小、重量轻、成本低、易于制备、能量转化效率高、输出功率密度高等诸多优势，具有很广阔的应用前景。

海水中蕴藏着巨大的能量，主要通过潮汐能和海浪能来体现。但是到目前为止，这些能量几乎完全没有被利用。原因是潮汐能和海浪能的频率很低，目前常用的电磁发电机无法有效对这样的低频机械能进行收集。同时，海水由于没有河道的限制，能量分布比较分散，需要大范围的铺设发电机，成本相当高。而且，海水的腐蚀对于构造精密的电磁发电***造成了严重的威胁。因此，为了有效收集海水的能量，亟需开发一种全新的技术以取代目前使用电磁发电机的方案。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是利用摩擦纳米发电机的优势，设计并制备出一种能够适用于大规模、低频能量，特别是海水能量收集的电信号输出装置，以及该装置的应用方法。为此，本发明首先提供一种电信号输出装置，包括平板结构的第一部件和具有周期性弯曲结构并且能发生弹性形变的第二部件，其中所述第一部件包括第一电极层和贴合于所述第一电极层下表面的第一摩擦层，所述第二部件包括第二电极层，所述第一摩擦层的部分下表面和第二部件的部分上表面在没有外力的作用下呈周期性互相接触状态，并且在外力的作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，同时通过所述第一电极层和第二电极层向外电路输出电信号；

优选地，所述周期性弯曲结构为波浪结构；

优选地，所述第二部件的上表面由所述第二电极层的上表面构成；

优选地，所述第二部件还包含第二支撑层，所述第二支撑层的上表面完全贴合于所述第二电极层的下表面；

优选地，制备所述第二支撑层的材料具有弹性形变的特性；

优选地，制备所述第二支撑层的材料选自聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯：

优选地，所述第二支撑层的厚度为50μm-200μm；

优选地，还包括置于所述第二部件下方的第三部件，所述第三部件包括第三电极层和贴合于所述第三电极层上表面的第三摩擦层，所述第二部件还包含第四电极层，所述第二支撑层的下表面完全贴合于所述第四电极层的上表面，所述第四电极层的下表面和第三摩擦层的上表面在外力作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，并且通过所述第四电极层和第三电极层向外电路输出电信号；

优选地，还包括置于所述第二部件下方的第三部件，所述第三部件包括第三电极层和贴合于所述第三电极层上表面的第三摩擦层，所述第二部件的下表面由所述第二电极层的下表面构成，并且在第二部件的下表面与第三部件的上表面发生接触面积变化的表面摩擦过程中，能够通过所述第二电极层和第三电极层向外电路输出电信号；

优选地，所述第一摩擦层相对于第二电极层，与所述第三摩擦层相对于所述第二电极层，具有相同的摩擦电极序趋势；

优选地，所述第一部件与第三部件之间的间距即为所述第二部件的厚度；

优选地，通过固定件连接使所述第一部件与第三部件之间的位置相对固定；

优选地，所述固定件为绝缘胶带，并且在所述第一部件和第三部件的边缘之间进行粘结；

优选地，所述第一摩擦层和/或第三摩擦层为绝缘材料；

优选地，所述第一摩擦层和/或第三摩擦层选自聚四氟乙烯、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、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、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、醋酸酯、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，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；

优选地，所述第一摩擦层下表面的局部或全部和/或所述第三摩擦层上表面的局部或全部设有微纳结构；

优选地，所述微纳结构选自自纳米线，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，微米沟槽，以及由上述结构组成的阵列；

优选地，还包括第一支撑层和/或第三支撑层，所述第一支撑层固定在所述第一电极层的上表面，所述第三支撑层固定在所述第三电极层的下表面；

优选地，所述第一电极层和第一支撑层之间，和/或，所述第三电极层和第三支撑层之间还设有辅助层；

优选地，所述辅助层为聚二甲基硅氧烷；

优选地，还包括封装结构，所述封装结构置于整个电信号输出装置的最外侧，用于密封。

本发明还提供一种液体动能的收集方法，包括将前述电信号输出装置密封后固定在有液体流动经过的地方，并通过电信号输出端来收集电能。

本发明还提供一种水文分析方法，包括将前述电信号输出装置密封后固定在有液体流动经过的地方，并对电信号输出端输出的电信号进行采集和分析。

本发明所提供的电信号输出装置的优势在于：第一，使用了平板和周期性弯曲结构相结合的结构，并且具有周期性弯曲结构的第二部件能够发生弹性形变，其作用类似于弹簧，使得装置在受到冲击后能够发生弹性形变，并且在冲击撤销后可以恢复到原本的形状，由此将垂直于装置平面的力和位移转化为能够高效起电的平行于器件平面的滑动摩擦。第二，周期性弯曲结构的力学性质决定它的弹簧系数有非线性成分，这使得此电信号输出装置可以收集频率范围很宽的机械能。第三，本电信号输出装置具有重量小，灵活性强的特点，使它可以同时收集大规模和小规模的机械能。第四，在将装置密封后，它能够有效的收集水波的能量。第五，该电信号输出装置能够区分不同的水波触发模式，展现了其在水文分析领域的应用前景。

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。并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。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发明。

图1是本发明电信号输出装置的一种典型结构示意图；

图2是本发明电信号输出装置的工作原理图；

图3是本发明电信号输出装置的另一种典型结构示意图；

图4是本发明电信号输出装置的另一种典型结构示意图；

图5是本发明电信号输出装置的另一种典型结构示意图；

图6是实施例1所示电信号输出装置的制备过程示意图；

图7是实施例1所示电信号输出装置的电信号输出谱图，其中（a）为不同输出频率下的电压输出谱图，（b）为不同输出频率下的电流输出谱图，（c）为平均峰值电压与输出频率的关系，（d）为平均峰值电流与输出频率的关系；

图8是不同负载下输出的平均峰值电压和电流（a）和峰值功率（b）；

图9是实施例3所测得的电压（a）和电流（b）输出信号，以及停止搅动后电压（c）和电流（d）随时间的变化谱图；

图10是实施例4所述的不同搅动方式，以及在不同搅拌方式下所获得的电信号谱图，（a）方式一，搅动方向垂直于第一部件表面，（b）方式二，搅动方向平行于第一部件表面，（c）方式三，搅动方向与第一部件表面成45°角；（d）方式一的电压输出，（e）方式二的电压输出，（f）方式三的电压输出；（g）方式一电压输出的傅里叶变换，（h）方式二电压输出的傅里叶变换，（i）方式三电压输出的傅里叶变换。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

图1为本发明一种典型的电信号输出装置，包括平板结构的第一部件和具有周期性弯曲结构并且能发生弹性形变的第二部件，其中所述第一部件包括第一电极层10和贴合于所述第一电极层10下表面的第一摩擦层11，第二部件包括第二电极层20，所述第一摩擦层的部分下表面和第二部件的部分上表面在没有外力的作用下呈周期性互相接触状态，并且在外力的作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，同时通过所述第一电极层10和第二电极层20向外电路输出电信号。以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。

本发明电信号输出装置的工作原理参见图2。图2（a）为电信号输出装置在平衡状态下的剖面图。当受到外力冲击后，具有周期性弯曲结构的第二部件在垂直方向被压缩，在平行方向延伸，如图2（b）所示；当冲击力消失后，由于具有弹性弯曲形变的特性，第二部件在垂直方向发生反弹，在平行方向收缩，如图2（c）所示。电信号输出装置的工作原理包括两部分：电荷的转移和分离。电荷的转移是通过第二部件和第一部件之间的表面接触以及摩擦完成的，其中一方失电子，另一方得电子。电荷的分离是通过两个部件上的电极层之间所构成的电容的电容量变化完成的。该装置的等效电路如图2右半部分所示。与第二电极20发生接触摩擦后，第一摩擦层11的下表面带有一定量的静电荷（此处以带有负电荷为例），这些负电荷在第一电极层10和第二电极层20上都会感生出正电荷。在冲击力的作用下，两个电极层之间的间距变小，并且第二电极层20在第一电极层10上的投影面积变大，如图2-B所示。因此，第二电极层20上感生出的正电荷变多，第一电极层10上感生出的正电荷变少，这导致了电子在外电路的流动。当冲击力小时，相反的，两个电极层之间的距离变大，第二电极层20在第一电极层10上的投影面积变小，如图2-C所示。因此第二电极层20上感生出的正电荷变少，而第一电极层10上感生出的正电荷变多，这导致了电子在外电路反方向的流动。以上便是本发明***号输出装置的基本工作原理。发明人还利用有限元分析的办法，对图2A-C三种情况下的静电场分布情况进行模拟。模拟得到的结果与我们以上的分析一致，即电容的变化导致了电场分布的改变，并进一步导致了电子在外电路的流动。

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。

第一摩擦层11为本发明电信号输出装置提供一个摩擦表面，其材料选择主要考虑与其配合使用的另一个摩擦面材料的摩擦电性质。在本实施例中，与第一摩擦层11配合使用的摩擦面是导电的第二电极层20，因此该第一摩擦层11的下表面材料应选自与导体有较大摩擦电性质差异的绝缘材料和半导体材料，使得二者在发生摩擦的过程中容易产生表面接触电荷。其中，绝缘体可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：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、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、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、醋酸酯、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，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

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第一摩擦层11，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。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出一些具体的材料供人们参考，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，当第一部件和第二部件相互接触的表面材料之间的摩擦电性质相差越大时，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11和第二部件的接触表面，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电性质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；具有正极性摩擦电性质的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、聚乙烯醇和聚酯。

为了进一步增加第一摩擦层11与第二部件上表面之间的接触面积，从而增大接触电荷量，还可以在第一摩擦层11的下表面的局部或全部设置有微米或次微米量级的微结构阵列。具体的设置方法包括光刻蚀、化学刻蚀和等离子体刻蚀等。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，微米沟槽，以及由上述结构组成的阵列。此外，为了达到上述目的，还可以在第一摩擦层11的下表面点缀或涂覆纳米材料。该纳米材料可以选自纳米颗粒，纳米管，纳米线和纳米棒。

此外，为了达到上述目的，也可以对第一摩擦层11下表面行化学改性，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：一种方法是对第一摩擦层11，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子基团），或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子基团），都能够进一步提高电荷在摩擦过程中的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子基团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子基团包括：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，从而在材料表面引入氨基。另外一种方法是在极性为正的基板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基板表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯，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，故会使整个基板变成带正电性。本领域的技术人员可以根据基板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。

第一摩擦层11一般为单层的薄层或薄膜，厚度在100nm-1mm之间，优选500nm-800μm，更优选10μm-500μm。可以使用市售的薄膜，也可以通过旋涂等方法制备。

第一电极层10由导电材料构成，所述的导电材料可选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，第一电极层10可以为平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，优选为100nm-500μm，更优选100nm-1μm。本领域常用的材料为：金属，包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的一种或多种所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，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。第一电极层10可通过直接贴合或溅射、沉积等常规方式固定在第一摩擦层11的下表面，以形成紧密接触。第一电极层10与第一摩擦层11的形状和尺寸近似或相等，以保证第一摩擦层11表面产生的所有摩擦电荷都能在第一电极层10上产生感生电荷，从而达到被有效利用的目的。

本发明并不限定第一电极层10和第一摩擦层11必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度对触摸动作的感知和电信号的输出效果并没有明显影响。如需摩擦面维持平面，还可以通过在第一电极层10的上表面设置第一支撑层来实现，该第一支撑层的硬度最好比第二部件要大。为了使第一支撑层和第一电极层的结合更为紧密，可以在第一支撑层和第一电极层之间设置一个辅助层，例如聚二甲基硅氧烷，先将该辅助层固化在第一支撑层的表面，然后再将第一电极层与该辅助层贴合。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择第一电极层10和第一摩擦层11的材料硬度。

所述第二部件具有的周期性弯曲结构是本发明的关键。该周期性弯曲结构既可以是方形波，也可以是波浪结构。其振幅和周期的长度对于电信号输出装置的输出性能有一定影响，一般而言，振幅越大电信号输出性能越大，周期长度越小电信号输出性能越大。但是在实际应用时，也要结合制备难度和成本等问题同时考虑。第二部件的周期性延伸方向与第一摩擦层下表面的平面延伸方向一致，从而使得第二部件的部分上表面与第一摩擦层11的部分下表面呈现周期性接触。当电信号输出装置受到方向与第一部件表面垂直的外力作用时，第二部件相应的会被压缩，从而处于振幅减小、整体长度增加的被压缩状态（参见图2-b）。当外力撤销后，由于第二部件的弹性形变特性，会使其倾向于恢复原状，但是由于惯性的原因，在恢复原状的过程中可能会经历振幅增加、整体长度减小的释放态（参见图2-c）。并且经过在释放态和压缩态之间的振荡最终恢复为初始的平衡态（参见图2-a）。为了提高材料的利用率，第二部件处于振幅减小的被压缩状态时的整体长度，应该小于或等于第一部件，特别是第一摩擦层11的长度。由于第二部件的周期性弯曲结构形成了一个非理想弹簧，因此对于外界应力具有非线性的响应效应，能够实现宽频的能量收集。

第二电极层20的材料选择与第一电极层10的材料选择范围相同，并且这两个电极层的材料可以相同，也可以不同。由于第二电极层20需要具有弹性形变的特性，并且能够形成周期性弯曲结构，因此，其厚度最好不超过1μm，优选为100nm-1μm。如果第二电极层20的材料本身弹性不能满足需要，则可以在第二电极层20的下表面贴合设置一个第二支撑层22，具体结构可参见图3。其中第二支撑层22具有与第二电极层20相同的周期性弯曲结构，第二支撑层22的上表面完全贴合于第二电极层20的下表面。可以选择容易加工成型且具有弹性形变特性的材料制备，例如热塑性材料，具体为聚酰亚胺或对苯二甲酸乙二醇酯。第二电极层20和第二支撑层22之间可以独立制备并通过粘合的方式固定在一起，或者也可以先制备第二支撑层22，并且在其形成所需周期性弯曲结构之后，再在其上表面直接制备第二电极层20，例如通过溅射或沉积的方式形成导电材料薄层。第二支撑层22的厚度为10μm-1mm，优选50μm-200μm。

图4为本发明电信号输出装置的另一种典型结构，包括平板结构的第一部件、具有周期性弯曲结构并且能发生弹性形变的第二部件和平板结构的第三部件，其中所述第一部件包括第一电极层10和贴合于所述第一电极层10下表面的第一摩擦层11，第二部件包括第二电极层20，第三部件包括第三电极层30和贴合于所述第三电极层30上表面的第三摩擦层31，所述第一摩擦层11的部分下表面和第二电极层20的部分上表面在没有外力的作用下呈周期性互相接触状态，并且在外力的作用下，第一摩擦层11的下表面与第二电极层20的上表面以及第三摩擦层31的上表面与第二电极层20的下表面之间，能够发生接触面积变化的表面摩擦，同时通过所述第一电极层10和第二电极层20、以及第三电极层30和第二电极层20向外电路输出电信号。

该实施方式中第一部件和第二部件中各组分的选材和结构均与前述图1所示实施方式中的各部件相同，在此不再赘述。第三部件中的第三摩擦层31选材与第一摩擦层11选材范围相同，并且第三摩擦层31的材料与第一摩擦层11的材料可以相同，也可以不同，如果二者材料不同，应保证第一摩擦层11相对于第二电极层20的摩擦电性质趋势，与第三摩擦层31相对于第二电极层20的摩擦电性质趋势相同，亦即当第一摩擦层11相对于第二电极层20具有较负的摩擦电性质时，第三摩擦层31相对于第二电极层20也具有较负的摩擦电性质，反之亦然。这样才能确保在与第一摩擦层11和第三摩擦层31摩擦的过程中，第二电极层20上产生的表面电荷电性相同，不会相互抵消。

第三部件的形状和尺寸优选与第一部件相同或近似。在没有外力作用时，第三摩擦层31与第二电极层20可以呈周期性的局部接触，即与第一摩擦层11和第二电极层20之间的结构关系类似。此时，第一部件和第三部件之间的间距即为第二部件的厚度。可以通过固定连接件将第一部件和第三部件的相对位置进行固定，从而形成第二部件在中间、第一部件和第三部件在两端、相对固定的夹心结构。该固定连接件可以是本领域常规的各种组件，优选使用绝缘胶带，并且在第一部件和第三部件的边缘之间粘结。该固定连接件同时起到阻尼器的作用，能增强整个电信号输出装置的非线性效应。

同前面实施方式中的第一部件一样，第三部件中也可以包含第三支撑层和/或辅助层，用来为整个部件提供刚性。

在另一种典型的结构中，在没有外力作用时，第三部件与第一部件和第二部件呈相对分离的状态，当有外力作用后，第三部件与第二部件的表面接触，并且压迫第二部件与第一部件之间形成接触面积变化的表面摩擦。这种结构将第三部件与第一部件和第二部件拆分安装，对环境的适应性更强。

图5为本发明电信号输出装置的另一种典型结构，其主要结构与图4所示的电信号输出装置相同，区别仅在于在第二部件中还包括第二支撑层22和第四电极层40，其中第二支撑层22的上表面与第二电极层20的下表面贴合，第二支撑层22的下表面与第四电极层40的上表面贴合，从而实现对第二电极层20和第四电极层40的支撑作用，所述第四电极层40的下表面和第三摩擦层31的上表面在外力作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，并且通过所述第四电极层40和第三电极层30向外电路输出电信号。该第二支撑层22与图3所示电信号输出装置中的第二支撑层22一致，为具有弹性的绝缘材料。第四电极层40和第二电极层20的选材范围一致，二者可以相同，也可以不同。由于二者之间被绝缘的第二支撑层22隔离，因此，对于二者与第一摩擦层11和第三摩擦层31之间的摩擦电极序差异趋势并没有限定。同图3所示的结构类似，优选第二电极层20和第四电极层40直接在第二支撑层22表面制备，可以选择本领域常规的方法，例如溅射或沉积。

本发明的上述电信号输出装置还可以用于海浪能的收集，为此需要在电信号输出装置的最外侧设置一个封装结构，用于将整个电信号输出装置密封，以便能在液体环境中应用。所述的封装结构可以使用本领域常规的密封材料，例如橡胶、聚四氟乙烯、聚酰亚胺。

本发明的上述电信号输出装置可以用于液体动能的收集，具体方法可以将上面的任意一种电信号输出装置进行密封后，固定在有液体流动经过的地方，例如用来盛放液体的容器器壁、有水流经过的大坝、岸边的海滩等等，使液体在与第一部件表面垂直的方向能够对所述电信号输出装置产生冲击，这样当液体流经所述电信号输出装置时，所述电信号输出装置就会在流体的冲击下进行工作，从而可以通过电信号输出端来收集电能。

发明人通过实验发现，本发明的上述电信号输出装置在不同的液体流动环境下能够输出不同的电信号，因此该电信号输出装置还可以用作水文分析。具体可以将前述任意一种电信号输出装置密封后固定在有液体流动经过的地方，并对电信号输出端输出的电信号进行采集和分析。当液体流动方向与电信号输出装置的第一部件表面垂直时，其流动对所述电信号输出装置的冲击力最大，输出的电信号最强，当液体流动方向与电信号输出装置的第一部件表面平行时，其流动对所述电信号输出装置的冲击力最小，输出的电信号也最弱。同时液体流动过程中漩涡、气泡等条件都会影响其对电信号输出装置的冲击方向和力度，从而导致输出的电信号强度和频率不同。通过对这些信号进行采集和分析就可以还原液体的流动状态。

实施例1电信号输出装置的制备

原材料包括125μm厚的聚酰亚胺（简称为Kapton）薄膜，125μm厚的聚四氟乙烯（简称为PTFE）薄膜，30mm厚的有机玻璃（Acrylic）和铜溅射源。首先对Kapton薄膜进行周期性的弯曲。所用方法如图6（a）所示，利用金属棒的直径和间距调节Kapton弯曲的参数，并用两对金属板分别固定金属棒的两端。随后整体送入马弗炉中在360摄氏度的温度下烘烤四个小时。根据杜邦公司提供的数据表，Kapton薄膜是一种热塑材料，其玻璃化温度在360摄氏度到400摄氏度之间。因此烘烤之后在室温下Kapton薄膜将稳定的保持其波浪形的形状。此后在Kapton薄膜两面都溅射200nm的金属铜作为电极，以形成本发明的第二部件。另一方面，取两片大小合适的PTFE薄膜，对其一个表面溅射少量的金属金之后进行等离子刻蚀的处理，得到如图6（b）所示的纳米结构。如此处理的目的是为了增加材料表面的粗糙度，以增强摩擦起电的效应。在两片PTFE的另外一面同样溅射200nm厚的铜作为电极。由于所用的PTFE比较薄，不足以支撑器件的结构，我们选取了适当大小的两块聚丙烯（Acrylic）作为基底，在其上覆盖很薄的一层聚二甲基硅氧烷（即PDMS）。经过固化后，把PTFE镀有铜的一面紧密的粘贴在PDMS上，形成本发明的第一部件和第三部件。最后，将波浪形Kapton夹在第一部件和第三部件之间（PTFE的一面向内），我们得到了如图6（c）所示的器件。放大的示意图如图6（d）所示，其中位于PTFE表面的纳米结构与波浪形Kapton夹心周期性的接触。为了固定器件的结构，在其四个边使用绝缘胶带进行粘贴。最终器件的光学照片如图6（e）所示。

为了测试电信号输出装置的性能，我们将其固定在一个振荡器上。开路电压和闭路电流均用Keithley6514静电计测量。测量的频率范围是5Hz到500Hz，期间振荡器的振荡幅度保持不变。在5Hz振荡频率下的电压输出如图7（a）（a1）所示，其平均峰值电压在4.2V左右。100Hz振荡频率下的电压输出如图7（a）（a2）所示，其平均峰值电压高达72V。500Hz的振荡频率下的电压输出如图7（a）（a3）所示，其平均峰值电压回落到7.5V左右。在这三种频率下相应的电流输出依次显示在图7（b）（b1）-（b3）。5Hz的平均峰值电流为3.3μA，100Hz的平均峰值电流为31μA，500Hz的平均峰值电流为5.2μA。平均峰值电压电流的输出随频率的变化分别如图7（c）和（d）所示。从图中我们可以看到，装置的共振频率在100Hz左右。而对应电压、电流的两条曲线的半高宽分别为127Hz和100Hz，比大部分现有的震荡能量收集器的有效频率范围都要宽。

实施例2电信号输出装置对负载的带动能力测试

使用实施例1制备的电信号输出装置，在100Hz的振荡频率下，利用变阻器提供了从1KΩ到100MΩ的不同阻值的负载电阻，并测试在这些电阻下电信号输出装置的输出性能。测试电压时静电计与负载电阻并联；测试电流时静电计与负载电阻串联。图8（a）展示了我们测试的结果。可以看出，平均峰值输出电压随负载电阻值的增大而增大，平均峰值输出电流随负载电阻值的减小而增大。瞬间输出峰值功率与电阻值变化的关系如图8（b）所示，在5MΩ处达到最高的0.4W/m2。为了对于电信号输出装置带动负载的能力有更直观的认识，我们将104颗绿光LED串联在发电机的两端并且用振荡器来提供机械能的来源，当启动振荡器并使振荡频率达到100Hz后，所有的LED均被点亮。

除了像100Hz的高频机械能外，本发明的电信号输出装置对低频机械能也具有高效的收集能力。将发电机至于一块地毯下方，串联同样的104颗LED。当人走过地毯踩到发电机的时刻，全部的LED都被点亮。

实施例3电信号输出装置对海浪能的收集

采用实施例1制备的电信号输出装置，并用浴池中水的波动来模拟海浪的情形。电信号输出装置首先被封装于一个轻薄的橡胶口袋中以达到防水的目的，之后被固定于浴池的侧壁。通过搅动浴池中的水，制造出的波浪周期性的冲击发电机的表面，冲击的机械能被转化成电能。测量到的输出电压信号由图9（a）所示，其平均峰值电压在24V左右。在停止搅动之后，水的运动不会马上停止。从图9（b）所显示的电压信号可以看到，输出幅度随时间减小，即便在搅动停止一分钟之后，发电机仍然可以给出1.2V左右的电压输出。相应的电流输出由图9（c）所示，给出的平均峰值电流在6μA左右。搅动停止之后的电流输出如图9（d）所示。在搅动停止一分钟之后，发电机仍然可以给出幅度为0.3μA的输出电流。值得一提的是，在本演示中器件的面积和水波中所含的机械能都十分有限。在实际应用中，器件的覆盖面积可以以很低的成本扩大，并且海浪所带来的机械能也是十分巨大的。根据我们的设计和模型，大规模的海浪能量收集是极有可能实现的。

实施例4电信号输出装置在水文分析中的应用

本发明的电信号输出装置还可以作为自驱动传感器使用，当使用三种幅度、频率相同，方向不同的温和的搅动方式来触发该装置时，会得到不同的电信号输出。这三种不同的搅动方式如图10（a）、（b）、（c）所示。图10（a）中的搅动方向垂直于第一部件表面，称之为方式一；图10（b）中的搅动方向平行于第一部件表面，称之为方式二；图10（c）中的搅动方向与第一部件表面成45度角，称之为方式三。方式一对应的电压输出由图10（d）所示；方式二对应的电压输出由图10（e）所示；方式三对应的电压输出由图10（f）所示。虽然三种搅动方式的频率和幅度一致，但方向的不同会导致水波前进方向的不同，以及互相干涉的方式不同，从而使水波中的机械能量包到达发电机表面的顺序和时间不同。这不仅会使发电机输出信号的频率、幅度不同，也会导致一个周期内波形的不同。通过比较方式一和方式二的输出信号，我们发现他们有非常类似的输出幅度和频率；通过比较方式三和前两种方式，我们发现方式三有较小的输出幅度和较高的输出频率。这意味着在方式三中，水波能量被分成更小的能量包，并且彼此之间有相位差使得他们到达发电机表面的时间不同。另外，三组输出信号的波形在细节上均彼此不同。为了揭示他们在频域上的区别，我们对三组信号进行了傅里叶变换。相应的傅里叶频谱如图10（g）、（h）、（i）所示。可以看到三组频谱之间有显著的不同。比如在图10（g）中，主峰的右侧依次有一个弱峰和两个强峰；主峰的左侧依次有一个弱峰和一个强峰。在图10（h）中，主峰的右侧依次有三个强峰；主峰的左侧依次有一个强峰和一个弱峰。在图10（i）中，主峰的右侧依次有三个强峰；主峰的左侧也依次有三个强峰。尽管三种搅动模式有着同样的频率和幅度，但通过分析输出信号的幅度、频率以及相应的傅里叶变换的频谱特征，我们成功的区分了三种不同的搅动模式。这展示了本发明在水文分析领域的应用前景。

Claims (23)

1.一种电信号输出装置，其特征在于，

包括平板结构的第一部件和具有周期性弯曲结构并且能发生弹性形变的第二部件，其中所述第一部件包括第一电极层和贴合于所述第一电极层下表面的第一摩擦层，所述第二部件包括第二电极层，所述第一摩擦层的部分下表面和第二部件的部分上表面在没有外力的作用下呈周期性互相接触状态，并且在外力的作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，同时通过所述第一电极层和第二电极层向外电路输出电信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周期性弯曲结构为波浪结构。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二部件的上表面由所述第二电极层的上表面构成。

4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第二部件还包含第二支撑层，所述第二支撑层的上表面完全贴合于所述第二电极层的下表面。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，制备所述第二支撑层的材料具有弹性形变的特性。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，制备所述第二支撑层的材料选自聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

7.根如权利要求4-6任一项所述的装置，其特征在于，所述第二支撑层的厚度为50μm-200μm。

8.如权利要求4-7任一项所述的装置，其特征在于，还包括置于所述第二部件下方的第三部件，所述第三部件包括第三电极层和贴合于所述第三电极层上表面的第三摩擦层，所述第二部件还包含第四电极层，所述第二支撑层的下表面完全贴合于所述第四电极层的上表面，所述第四电极层的下表面和第三摩擦层的上表面在外力作用下能够发生接触面积变化的表面摩擦，并且通过所述第四电极层和第三电极层向外电路输出电信号。

9.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，还包括置于所述第二部件下方的第三部件，所述第三部件包括第三电极层和贴合于所述第三电极层上表面的第三摩擦层，所述第二部件的下表面由所述第二电极层的下表面构成，并且在第二部件的下表面与第三部件的上表面发生接触面积变化的表面摩擦过程中，能够通过所述第二电极层和第三电极层向外电路输出电信号。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层相对于第二电极层，与所述第三摩擦层相对于所述第二电极层，具有相同的摩擦电性质趋势。

11.如权利要求4-10任一项所述的装置，其特征在于，所述第一部件与第三部件之间的间距即为所述第二部件的厚度。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，通过固定件连接使所述第一部件与第三部件之间的位置相对固定。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述固定件为绝缘胶带，并且在所述第一部件和第三部件的边缘之间进行粘结。

14.如权利要求1-13任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第三摩擦层为绝缘材料。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第三摩擦层选自聚四氟乙烯、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、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、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、醋酸酯、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，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦层下表面的局部或全部，和/或，所述第三摩擦层上表面的局部或全部设有微纳结构。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述微纳结构选自纳米线，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，微米沟槽，以及由上述结构组成的阵列。

18.如权利要求1-17任一项所述的装置，其特征在于，还包括第一支撑层和/或第三支撑层，所述第一支撑层固定在所述第一电极层的上表面，所述第三支撑层固定在所述第三电极层的下表面。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第一电极层和第一支撑层之间，和/或，所述第三电极层和第三支撑层之间还设有辅助层。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述辅助层为聚二甲基硅氧烷。

21.如权利要求1-20任一项所述的装置，其特征在于，还包括封装结构，所述封装结构置于整个电信号输出装置的最外侧，用于密封。

22.一种液体动能的收集方法，其特征在于包括如下步骤：将权利要求1-21任一项所述的电信号输出装置密封后固定在有液体流动经过的地方，使液体在与所述第一部件表面垂直的方向能够对所述电信号输出装置产生冲击，并通过所述电信号输出端来收集电能。

23.一种水文分析方法，其特征在于包括将权利要求1-21任一项所述的电信号输出装置密封后固定在有液体流动经过的地方，并对所述电信号输出端输出的电信号进行采集和分析。