CN109818521A - 一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器，包括敏感电极、导电电极和驻极体薄膜；敏感电极和导电电极为波浪状结构，驻极体薄膜位于敏感电极和导电电极之间构成单层波浪状结构；多个单层波浪状结构通过层间错位的叠加方式而形成三维多层蜂窝式结构；所述层间错位为波峰相对，波谷远离；当三维蜂窝结构受到外部按压信号时，两电极受压导致电极间电压的变化，将机械能转换为电能。本发明具有结构简单、体积小、重量轻，耐用持久，发电效率高等优点，且具有微小的位移时就能产生极大的输出电压和输出性能，可以广泛用于采集低频微弱的振动信号。

Description

一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器

技术领域

本发明属于微能源***领域内的能量转化装置，涉及一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器，具体涉及一种将机械能转换成电能的三维蜂窝式驻极体/静电能量采集器。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，不同类型的传感器被普遍的应用到保健检测、医疗护理、环境保护、工业生产和产品安全等领域。他们都需要供电单元具有高机动性、独立工作和可自持、免维护的特性。传统的电池供电方法并不利于物联网技术的发展，其有限的使用寿命和适用环境，将会对电量监测、更换、回收和重复利用等工作造成巨大的困难，并且还会导致不可逆的环境污染。作为感知世界的“触角”——传感器，其所处环境周围具有大量的“闲置”机械能，包括振动、压力、声波、线性位移、旋转、热能等，虽然能量微弱，但是他们分布广泛、能量持久、现场可收集，更具有环境友好和极大的便利性。因此，将这些环境中的能量作为传感器的能量来源，将是解决无线传感器网络可自持、免维护问题的最优解。

最近，柔性压电，摩擦电或驻极体发电机已经被开发出来以解决以上问题。特别是驻极体发电机，其拥有易于制造，低成本，高转换效率和环保无化学处理等优点，能适合众多复杂环境，且能与无线电子器件融合，因此有着广泛的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，在专利号为“CN 105634323 A”，题为“一种基于驻极体薄膜的能量采集器”专利中报道了一种基于双性驻极体薄膜的双层可变电容构件能量采集器，然而，文中提出的能量收集器是刚性的，并且整个器件仅有两层，发电量很低。Weiqing Yang等人在“3D Stack Integrated Triboelectric Nano-generator forHarvesting Vibration Energy”(Advanced Functional Materials，2014，24(26)，4090-4096)(中文题目“面向振动能的3D堆叠集成式摩擦纳米发电机”国际期刊：先进功能材料)文章中报道了一种三维多层集成的摩擦纳米发电机，用以收集环境中的振动能量。然而，由于文中结构只能是面内振荡运动，极板相对面积相对较小，并且它利用机械弹簧作为缓冲，降低了能量转换的效率，其输出功率相对较小。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器。

技术方案

一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于包括敏感电极、导电电极和驻极体薄膜；敏感电极和导电电极为波浪状结构，驻极体薄膜位于敏感电极和导电电极之间构成单层波浪状结构；多个单层波浪状结构通过层间错位的叠加方式而形成三维多层蜂窝式结构；所述层间错位为波峰相对，波谷远离；当三维蜂窝结构受到外部按压信号时，两电极受压导致电极间电压的变化，将机械能转换为电能。

所述敏感电极和导电电极采用AgNWs/PET膜。

所述驻极体薄膜为具有电荷存储能力的电介质材料。

所述驻极体薄膜采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅。

所述AgNWs/PET膜是：将AgNWs聚合物涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯PET膜上下表面黏结而成。

所述敏感电极和导电电极的波浪状结构，是通过波浪形模具，采用热塑法进行永久定形的结构。

所述驻极体薄膜通过粘结剂黏贴到两个电极之间。

一种所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器的电晕极化方法，其特征在于：采用针尖发射高速离子轰击驻极体膜，进行预充电处理。

有益效果

本发明提出的一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器，包括单层波浪状结构、三维多层蜂窝式结构。单层波浪状结构涉及驻极体薄膜和上下电极，由热塑工艺进行永久定型；三维多层蜂窝式结构由单层波浪状结构堆叠而成，层间采用错位分布。本发明蜂窝式驻极体发电机具有结构简单紧凑、自我恢复能力强、可收集多方向的机械能、发电效率高等特点。

本发明具有结构简单、体积小、重量轻，耐用持久，发电效率高等优点，且具有微小的位移时就能产生极大的输出电压和输出性能，可以广泛用于采集低频微弱的振动信号。多层的蜂窝结构使得输出性能进一步的提高，在触摸板技术、个人签名、智能墙纸、机器人和安全监控设备等领域具有广泛的潜在应用。

与现有技术相比，本发明的蜂窝式驻极体发电机具有以下几个优点：

1、本发明所述的蜂窝式驻极体发电机具备三维多层结构，不仅可以在水平方向弯曲和扭曲，也可在垂直方向上按压。由于轻巧，灵活性好，它可以很容易地用在可穿戴应用中。

2、本发明所述的蜂窝式驻极体发电机使用AgNWs聚合物和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜一起构成敏感层和导电层，用于构成多层结构的基板并形成自恢复的弹簧结构。

3、本发明所述的蜂窝式驻极体发电机通过使用预充电驻极体，很容易可以使驻极体的功率密度最大化，在不依赖摩擦发电复杂的表面修饰即可得到高性能输出。

4、本发明所述的蜂窝式驻极体发电机，成本低廉、结构简单，可用作便携式电子器件的电源装置。

附图说明

图1：为本发明蜂窝式驻极体发电机实施例1的整体结构示意图；

图2：为本发明蜂窝式驻极体发电机实施例1的蜂窝单元发电原理示意图；

图3：为本发明蜂窝式驻极体发电机实施例1热塑法所用模具的结构示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的蜂窝式驻极体/静电能量采集器。其特征在于：它是由单层波浪状结构通过层间错位叠加而形成的三维蜂窝结构，波浪状结构包括电极和驻极体薄膜，其中驻极体薄膜贴附在波浪形电极上，通过电晕极化使薄膜产生偏置电压。

当三维蜂窝结构受到外部按压信号时，两电极受压，相互间距减少而发生接触。压力消失时，两波浪状电极提供回复力使电极间恢复原位。其工作原理是摩擦起电与静电感应的耦合作用：当外部按压导致两电极发生相对移动时，静电感应两电极间电容的变化使得预植在驻极体薄膜上的电荷发生重新排布，导致了电极间电压的变化；当上下电极接触时，进一步触发摩擦起电，从而将机械能转换为电能。

具体实施例：

如图1所示蜂窝结构是由多层导电PET/AgNWs薄膜1和驻极体薄膜2通过多层错位叠加而成。导电PET/AgNWs薄膜1通过热压固定成波浪状结构。上下两个波浪状结构通过错位叠加，形成一个蜂窝状孔结构4，驻极体薄膜2粘附在两层波浪形导电PET/AgNWs薄膜1之间，形成一个波浪形发电单元5。该结构既可以用于静电感应的极板间距离控制，又有效地提高了空间利用率。

所述的电极为基材，由AgNWs聚合物和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上下黏结而成，形成AgNWs/PET膜。

所述的驻极体薄膜为具有电荷存储能力的电介质材料，可以采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon和二氧化硅等驻极体材料中的一种。

所述的波浪形是通过波浪形模具，采用热塑法进行永久定形的结构。

图3所示是本实例热塑法所用压膜模具示意图。图中5为压制完成的波浪状发电单元，6为上、下模具，由耐高温材料组成。压膜之前，通过采用透明胶带将上下波浪形模具6固定，然后放入加热炉中，十分钟后，取出模具，将胶带松开，便可获得成型的波状结构5。最后，通过透明双面胶带堆叠多层蜂窝结构。通过这种压膜方式，我们可以将多层驻极体发电机所采用的大表面接触分成几层小的拱形空间。每个小拱是一个单元。通过这些单元紧密堆叠在一起，可以有效地利用整个空间来获得高空间电荷密度。更重要的是，为了实现有效的接触分离，我们可以使波浪部分变平，从而延长了平面部分，因此这种结构对于收获拉伸机械能也是有效的。

所述的多层错位叠加是指邻层间的拱形结构为位错分布，从而构成蜂窝状结构，以获得最大化的空间利用率。

所述的三维蜂窝结构，是由多层波浪形薄膜通过逐层叠加，形成类似蜂窝状的多孔结构。

所述的驻极体薄膜贴附是指将驻极体薄膜黏贴到波浪形电极上，可以通过双面胶，树脂等多种粘结剂。

所述的电晕极化是指利用针尖发射高速离子轰击驻极体膜，进行预充电处理。

本实例的工作原理：驻极体薄膜2经过电晕极化，其内部偶极子及空间电荷发生极化并用表面等效电荷表征，再对表面进行电晕放电后薄膜表面具有很高的电压，薄膜通过自身电场在上下两电极上感应出电荷，当受到外部振动信号时，蜂窝状孔结构4空隙减小，PET/AgNWs薄膜1和PET/AgNWs薄膜3之间受压贴合，间隙的变化引起薄膜1和3之间的电荷重新进行排布，从而将机械能转化成电能。

图2示出了本发明中蜂窝单元的发电原理示意图。按压器件使其压缩或弯曲，在波浪状发电单元5敏感材料的内表面和驻极体薄膜3间会发生紧密接触并产生电荷转移，从而使得一个电极的内表面带正电，驻极体薄膜3的内表面带负电。相反的摩擦电荷将会在两个面之间产生一个电场，从而形成一个电势差。为了屏蔽这个电势差，电子就会被驱动着经过外电路从一个电极流到另一个电极，此时，如果在外电路接一个电阻，就会有电流流过这个电阻。在按压的过程中产生的电流将会持续，直到两个电极的电势达到相等。在这个过程中，按压的机械能便转化成了外电路可用的电能。如果持续按压，就会有持续的电流输出，就把持续按压的机械能转化成了电能。

Claims (8)

1.一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于包括敏感电极、导电电极和驻极体薄膜；敏感电极和导电电极为波浪状结构，驻极体薄膜位于敏感电极和导电电极之间构成单层波浪状结构；多个单层波浪状结构通过层间错位的叠加方式而形成三维多层蜂窝式结构；所述层间错位为波峰相对，波谷远离；当三维蜂窝结构受到外部按压信号时，两电极受压导致电极间电压的变化，将机械能转换为电能。

2.根据权利要求1所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于：所述敏感电极和导电电极采用AgNWs/PET膜。

3.根据权利要求1所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于：所述驻极体薄膜为具有电荷存储能力的电介质材料。

4.根据权利要求1或3所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于：所述驻极体薄膜采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅。

5.根据权利要求2所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于：所述AgNWs/PET膜是：将AgNWs聚合物涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯PET膜上下表面黏结而成。

6.根据权利要求1所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于：所述敏感电极和导电电极的波浪状结构，是通过波浪形模具，采用热塑法进行永久定形的结构。

7.根据权利要求1所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器，其特征在于：所述驻极体薄膜通过粘结剂黏贴到两个电极之间。

8.一种权利要求1所述蜂窝式驻极体/静电能量采集器的电晕极化方法，其特征在于：采用针尖发射高速离子轰击驻极体膜，进行预充电处理。