CN107959438A - 一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，摩擦层、第一电极填充层、第二电极填充层、第一装配层以及第二装配层；第一装配层以及第二装配层的内侧开设有凹槽沟道；第一电极填充层填充于第一装配层对应的凹槽沟道内，并形成第一接触摩擦面；第二电极填充层填充于第二装配层对应的凹槽沟道内，并形成第二接触摩擦面；摩擦层设置于第一接触摩擦面以及第二接触摩擦面之间。本发明所提出的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，通过在运动中收集运动信号并产生电流，可为穿戴设备电池提供充电功能和机械运动监控，并且具有很好的透光性、防水性和生物相容性。对于电子皮肤发展和穿戴设备产业具体重要的意义。

Description

一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置。

背景技术

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。可穿戴设备多具备与人体行为互动、监控、协助、增强拓展人体机能的功能。这样的设备需要有一定的计算传输能力和互动探测能力，例如能够探测人体生理变化并分析传输至可操作的终端上。要将这样复杂的元器件做成质量、性能、材料都符合要求的产品是很困难的。其中，非常重要的就是产品的续航能力，功耗大产品、携带大电池的产品必然不适合于穿戴设备；具有携带性的需要频繁充电的产品，用户体验就难以提升。这样的产品常常需要微小集成化的、功能智能化的、无线移动化的和自驱动化的。

机械在运动中会产生多种信号，捕捉这些信号进行处理将可以让机械产生触觉。而最直接的方法就是以简单的结构附着于机械表面的电子皮肤。电子皮肤可以加工成各种形状，能像衣服一样附着再设备表面，能够让机械感知到物体的地点、方位和环境信息，以及设备作用力的大小。同样这可以运用于人体，感测人体运动生理变化，反馈给终端给予健康情况的报告。这样的产品必然是柔性的、可以拉伸的、耐用、环境友好且适应多种环境的。

当前日常使用的电能通常是通过电磁发电机（EMG）所产生，由机械能通过磁场中的线圈产生位移电流，经过一系列的变换到达我们当前的设备中。因为电磁发电机体积大、成本高，虽然具有高可用性但不可能便携使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，包括：摩擦层、第一电极填充层、第二电极填充层、第一装配层以及第二装配层；所述第一装配层以及所述第二装配层的内侧开设有凹槽沟道；所述第一电极填充层填充于所述第一装配层对应的凹槽沟道内，并形成第一接触摩擦面；所述第二电极填充层填充于所述第二装配层对应的凹槽沟道内，并形成第二接触摩擦面；所述摩擦层设置于所述第一接触摩擦面以及所述第二接触摩擦面之间。

在本发明一实施例中，所述摩擦层为多孔结构聚二甲基硅氧烷，具有10um以下的孔洞结构，包括液态PDMS、惰性不导电杂质以及NaCl颗粒，且厚度为10um至1mm。

在本发明一实施例中，所述惰性不导电杂质为半径10um以下的聚乙烯球。

在本发明一实施例中，所述第一电极填充层以及所述第二电极填充层为银纳米线AgNWs，厚度为100nm至5um。

在本发明一实施例中，所述第一装配层以及所述第二装配层为聚二甲基硅氧烷，其凹槽沟道深度大于等于1um。

在本发明一实施例中，按照如下步骤制备：

步骤S1：选择衬底，并清洁衬底表面；

步骤S2：选择光刻胶，通过刮涂机匀胶机在表面涂敷光刻胶，并通过掩模板曝光显影，形成厚度在10um至100nm之间，间距在10um至1mm的间隔的障壁，障壁宽度在10um至1mm之间；

步骤S3：在所述衬底上通过涂敷聚二甲基硅氧烷，在150°温度下固化，剥离衬底，形成具备凹槽沟道的第一装配层或第二装配层；

步骤S4：将所述第一装配层或第二装配层，在氧气的环境下进行10min的等离子亲水处理后，在所述第一装配层或第二装配层的表面涂敷银纳米线AgNWs，厚度在100nm至5um之间，形成所述第一电极填充层或第二电极填充层；

步骤S5：在所述第一电极填充层或第二电极填充层对应的接触摩擦面涂敷多孔结构聚二甲基硅氧烷，厚度在10um至1mm之间，形成摩擦层；

步骤S6：将经所述步骤S4获取的结构与经所述步骤S5获取的结构进行拼接，并经第一电极填充层以及第二电极填充层从引出电极，封装。

在本发明一实施例中，所述衬底采用硅。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，所述多孔结构聚二甲基硅氧烷通过将液态PDMS加入NaCl颗粒后，与半径小于10um聚乙烯球混合均匀，并经固化后，通过超纯水清洗获得。

在本发明一实施例中，在外力的作用下，柔性拉伸该发电装置，发生扭曲、形变、延展和压缩，第所述一电极填充层与第二电极填充层分别经所述第一接触摩擦面与第二接触摩擦面与所述摩擦层相摩擦，在所述第一接触摩擦面与第二接触摩擦面形成相反的电荷，感应电荷通过外接电极与外负载回路达到平衡；通过所述外负载回路将经感应电荷产生的脉冲电流收集，完成发电。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，通过在运动中收集运动信号并产生电流，可为穿戴设备电池提供充电功能和机械运动监控，并且具有很好的透光性、防水性和生物相容性。防水防潮，具有自驱动性，配合外界电路可为设备供电，对于电子皮肤发展和穿戴设备产业具体重要的意义。

附图说明

图1为本发明中基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置的结构图。

图2为本发明一实施例中衬底以及障壁的结构图。

图3为本发明一实施例中制作有沟渠的聚二甲基硅氧烷PDMS的结构图。

图4为本发明一实施例中涂覆有银纳米线AgNWs以及多孔结构聚二甲基硅氧烷的结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

摩擦致电纳米发电机（TENG）比其他产生电能的技术相比，更加容易收集随机的能量。摩擦致电纳米发电机是结合了摩擦起电和静电感应技术，它具有高效率，低重量，低损耗的特点，重要的是这种技术可以收集自然界产生的能量，包括人类运动所产生的能量。通常使用两种介电材料，在物理接触之后，在各自表面电子发生转移，局部电荷不平衡所产生的感应电荷通过介质层后的导体在外电流回路中得到平衡，而这个过程就将机械能转化成了电能。

针对当下电子产业发展的趋势，本发明提出一种基于摩擦生电的柔性可拉伸发电装置。该装置采用以上材料和机理可以实现收集人体运动摩擦所产生能量。通过该装置采集的能量可为可穿戴设备提供电能支持和数据分析。

进一步的，该基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，包括：摩擦层、第一电极填充层、第二电极填充层、第一装配层以及第二装配层；第一装配层以及第二装配层的内侧开设有凹槽沟道；第一电极填充层填充于第一装配层对应的凹槽沟道内，并形成第一接触摩擦面；第二电极填充层填充于第二装配层对应的凹槽沟道内，并形成第二接触摩擦面；摩擦层设置于第一接触摩擦面以及第二接触摩擦面之间。

进一步的，在本实施例中，摩擦层为多孔结构聚二甲基硅氧烷，具有10um以下的孔洞结构，包括液态PDMS、惰性不导电杂质以及NaCl颗粒，且厚度为10um至1mm，较佳的，厚度在生产中为最适合剥取。惰性不导电杂质为半径10um以下的聚乙烯球。

进一步的，在本实施例中，第一电极填充层以及第二电极填充层为银纳米线AgNWs，厚度为100nm至5um，较佳的，AgNWs平均厚度为1um。

进一步的，在本实施例中，第一装配层以及第二装配层为聚二甲基硅氧烷，厚度为1um至1mm，其凹槽沟道深度大于等于1um，较佳的，厚度为500um。

进一步的，在本实施例中，聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane-PDMS），是一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃。尤其在固态下的二甲基硅氧烷疏水防水，无色无毒，成本极低，生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量导致的结构高弹性。

进一步的，在本实施例中，如图1所示，第一装配层或第二装配层采用可拉伸外包覆的聚二甲基硅氧烷PDMS101，其内部具有锯齿结构或凹槽沟道，并作为容器。第一电极填充层或第二电极填充层采用涂敷在锯齿结构上的银纳米线AgNWs102，紧贴于PDMS101，具有粗糙度，起伏在1um以上。锯齿结构或凹槽沟道为内部填充物银纳米线AgNWs102提供了拉伸能力和摩擦接触面增大的作用。摩擦层采用多孔结构聚二甲基硅氧烷103。

进一步的，在本实施例中，按照如下步骤制备：

步骤S1：选择适当大小的衬底202，较佳地，衬底采用硅，并清洁衬底表面；

步骤S2：如图2所示，选择光刻胶，通过刮涂机匀胶机在表面涂敷光刻胶，并通过掩模板曝光显影，形成厚度在10um至100nm之间，较佳的，转印厚度为500um；间距在10um至1mm的间隔的障壁201，较佳的，在生产中间距为100um；障壁宽度在10um至1mm之间，较佳的，在生产中宽度为100um；

步骤S3：如图3所示，在衬底202上通过涂敷聚二甲基硅氧烷，在150°温度下固化，剥离衬底，形成具备凹槽沟道的PDMS结构301，以作为第一装配层或第二装配层；

步骤S4：如图3所示，将在氧气的环境下进行10min的等离子亲水处理后的具备凹槽沟道的PDMS结构403，在其表面涂敷银纳米线AgNWs402，厚度在100nm至5um之间，较佳的，在生产中厚度为1um，形成第一电极填充层或第二电极填充层；

步骤S5：在第一电极填充层或第二电极填充层对应的接触摩擦面涂敷多孔结构聚二甲基硅氧烷401，厚度在10um至1mm之间，形成摩擦层，较佳的，在生产中厚度为500um；

步骤S6：如图4所示，将经步骤S4获取的结构与经步骤S5获取的结构进行拼接，也即将经涂覆银纳米线AgNWs后形成电极摩擦层的结构与涂覆多孔结构聚二甲基硅氧烷后形成摩擦层的结构拼接，并经第一电极填充层以及第二电极填充层从引出电极，封装。

进一步的，在本实施例中，在步骤S4中，多孔结构聚二甲基硅氧烷通过将液态PDMS加入NaCl颗粒后，与半径小于10um聚乙烯球混合均匀，并经固化后，通过超纯水清洗获得。

进一步的，在本实施例中，在外力的作用下，柔性拉伸该发电装置，发生扭曲、形变、延展和压缩，第一电极填充层与第二电极填充层分别经第一接触摩擦面与第二接触摩擦面与摩擦层相摩擦，在第一接触摩擦面与第二接触摩擦面形成相反的电荷，感应电荷通过外接电极与外负载回路达到平衡；通过外负载回路将经感应电荷产生的脉冲电流收集，完成发电。在不同运动状态下说产生的电流脉冲信号在频率和强度上必然存在差异，可作为自驱动运动探测器，以用于分析运动的情况。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，包括：摩擦层、第一电极填充层、第二电极填充层、第一装配层以及第二装配层；所述第一装配层以及所述第二装配层的内侧开设有凹槽沟道；所述第一电极填充层填充于所述第一装配层对应的凹槽沟道内，并形成第一接触摩擦面；所述第二电极填充层填充于所述第二装配层对应的凹槽沟道内，并形成第二接触摩擦面；所述摩擦层设置于所述第一接触摩擦面以及所述第二接触摩擦面之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，所述摩擦层为多孔结构聚二甲基硅氧烷，具有10um以下的孔洞结构，包括液态PDMS、惰性不导电杂质以及NaCl颗粒，且厚度为10um至1mm。

3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，所述惰性不导电杂质为半径10um以下的聚乙烯球。

4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，所述第一电极填充层以及所述第二电极填充层为银纳米线AgNWs，厚度为100nm至5um。

5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，所述第一装配层以及所述第二装配层为聚二甲基硅氧烷，其凹槽沟道深度大于等于1um。

6.根据权利要求1所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，其特征在于，按照如下步骤制备：

步骤S1：选择衬底，并清洁衬底表面；

步骤S2：选择光刻胶，通过刮涂机匀胶机在表面涂敷光刻胶，并通过掩模板曝光显影，形成厚度在10um至100nm之间，间距在10um至1mm的间隔的障壁，障壁宽度在10um至1mm之间；

步骤S3：在所述衬底上通过涂敷聚二甲基硅氧烷，在150°温度下固化，剥离衬底，形成具备凹槽沟道的第一装配层或第二装配层；

步骤S4：将所述第一装配层或第二装配层，在氧气的环境下进行10min的等离子亲水处理后，在所述第一装配层或第二装配层的表面涂敷银纳米线AgNWs，厚度在100nm至5um之间，形成所述第一电极填充层或第二电极填充层；

步骤S5：在所述第一电极填充层或第二电极填充层对应的接触摩擦面涂敷多孔结构聚二甲基硅氧烷，厚度在10um至1mm之间，形成摩擦层；

步骤S6：将经所述步骤S4获取的结构与经所述步骤S5获取的结构进行拼接，并经第一电极填充层以及第二电极填充层从引出电极，封装。

7.根据权利要求6所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，所述衬底采用硅。

8.根据权利要求6所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，在所述步骤S4中，所述多孔结构聚二甲基硅氧烷通过将液态PDMS加入NaCl颗粒后，与半径小于10um聚乙烯球混合均匀，并经固化后，通过超纯水清洗获得。

9.根据权利要求1所述的一种基于摩擦起电的柔性可拉伸发电装置，其特征在于，其特征在于，在外力的作用下，柔性拉伸该发电装置，发生扭曲、形变、延展和压缩，第所述一电极填充层与第二电极填充层分别经所述第一接触摩擦面与第二接触摩擦面与所述摩擦层相摩擦，在所述第一接触摩擦面与第二接触摩擦面形成相反的电荷，感应电荷通过外接电极与外负载回路达到平衡；通过所述外负载回路将经感应电荷产生的脉冲电流收集，完成发电。