一種懸臂式脈沖發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種懸臂式脈沖發(fā)電機，包括：分別有一端被固定的第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂，其中，第一懸臂的下表面設置有第一電極層和第一摩擦層；彈性的第二懸臂上表面設置有第二電極層和第二摩擦層，下表面設置第三電極層和第三摩擦層；第三懸臂的上表面設置有第四電極層和第四摩擦層；在受到振動等外力作用時，第二懸臂在第一懸臂與第三懸臂之間振動，使至少部分第二摩擦層上表面與第一摩擦層下表面接觸和分離、至少部分第三摩擦層下表面與第四摩擦層上表面接觸和分離，第一電極層與第二電極層之間和/或第三電極層與第四電極層之間有脈沖電信號輸出。本發(fā)明的發(fā)電機可以將海浪、高速公路、橋梁等形成的振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> 【專利說明】一種懸臂式脈沖發(fā)電機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，特別是涉及將振動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能的懸臂式脈沖發(fā)電機。
【背景技術】
[0002]振動機械能是廣泛存在的能量形式，包括海浪、發(fā)動機的振動、汽車經(jīng)過時高速公路、橋梁和隧道的振動等形式，以及人體運動如步行、跑動、扭動等形式，都會產(chǎn)生振動機械能，這些振動機械能雖然廣泛存在，但是常常被忽視，沒有有效的收集手段加以利用，通常被浪費。
[0003]目前，機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機所利用的原理主要有靜電感應，電磁感應和特殊材料的壓電性能、靜電脈沖發(fā)電機等。然而，已經(jīng)發(fā)明的靜電感應發(fā)電機，存在體積大、適用性窄等缺點，電磁感應發(fā)電機和壓電發(fā)電機則普遍存在結(jié)構(gòu)復雜，對材料有特殊要求和成本較高等缺陷。靜電脈沖發(fā)電機在小型化和輕量化方面有所不足，輸出功率密度較小，不能滿足對各種振動機械能收集的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明涉及一種可以將海浪、高速公路、橋梁等等形式的振動機械能轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)簡單的懸臂式脈沖發(fā)電機，能夠為微型電子器件如航標、路標、警示牌等提供匹配的電源。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種懸臂式脈沖發(fā)電機，包括:分別有一端被固定的
第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂，其中，
[0006]所述第一懸臂的下表面設置有第一電極層，所述第一電極層的下表面接觸設置有
第一摩擦層；
[0007]所述第二懸臂的上表面設置有第二電極層，所述第二電極層的上表面接觸設置有第二摩擦層，所述第二摩擦層的上表面與所述第一摩擦層的下表面相對設置；所述第二懸臂的下表面設置第三電極層，所述第三電極層的下表面接觸設置有第三摩擦層；所述第二懸臂為彈性懸臂；
[0008]所述第三懸臂的上表面設置有第四電極層，所述第四電極層的上表面接觸設置有第四摩擦層；所述第四摩擦層的上表面與所述第三摩擦層的下表面相對設置；
[0009]所述發(fā)電機受到外力作用時，所述第二懸臂在所述第一懸臂與第三懸臂之間振動，使至少部分所述第二摩擦層上表面與所述第一摩擦層下表面接觸和分離、至少部分所述第三摩擦層下表面與所述第四摩擦層上表面接觸和分離，所述第一電極層與第二電極層之間和/或所述第三電極層與第四電極層之間有脈沖電信號輸出。
[0010]優(yōu)選的，所述第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂的自由端都在固定端的同一側(cè)。
[0011]優(yōu)選的，所述第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂固定在同一固定裝置上。
[0012]優(yōu)選的，所述第二懸臂還包括重物，所述重物設置在所述第二懸臂的自由端。[0013]優(yōu)選的，所述第一懸臂和/或第三懸臂為彈性懸臂。
[0014]優(yōu)選的，所述第二懸臂為導電材料，所述第二懸臂替代所述第二電極層和第三電極層。
[0015]優(yōu)選的，所述第一懸臂和/或第三懸臂采用導電材料；所述第一懸臂替代所述第一電極層，和/或所述第三懸臂替代所述第四電極層。
[0016]優(yōu)選的，所述第二摩擦層和所述第三摩擦層采用導電材料，所述第二懸臂代替所述第二摩擦層和所述第三摩擦層。
[0017]優(yōu)選的，所述第二懸臂的上表面和/或下表面設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層。
[0018]優(yōu)選的，所述第一摩擦層采用導電材料，所述第一懸臂代替所述第一摩擦層；
[0019]和/ 或，
[0020]所述第四摩擦層采用導電材料，所述第三懸臂代替所述第四摩擦層。
[0021]優(yōu)選的，所述第一懸臂的下表面和/或第三懸臂的上表面設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層。
[0022]優(yōu)選的，所述微結(jié)構(gòu)陣列修飾層包括:
[0023]設置在所述懸臂上表面和/或下表面的微結(jié)構(gòu)陣列；
[0024]沉積在制備有所述微結(jié)構(gòu)陣列的懸臂表面的導電薄膜層。
[0025]優(yōu)選的，所述微結(jié)構(gòu)陣列選自氧化物半導體的納米線、納米錐、納米棒陣列。
[0026]優(yōu)選的，所述微結(jié)構(gòu)陣列的高度為200納米至2微米。
[0027]優(yōu)選的，所述導電薄膜層選自金屬薄膜層，所述薄膜層的厚度為50納米至400納米。
[0028]優(yōu)選的，所述導電材料選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金，或者不銹鋼和鈹銅合金。
[0029]優(yōu)選的，所述第一懸臂、第二懸臂和/或第三懸臂為片狀結(jié)構(gòu)。
[0030]優(yōu)選的，所述第一摩擦層材料與第二摩擦層材料之間存在電極序差異；所述第三摩擦層材料與第四摩擦層材料之間存在電極序差異。
[0031]優(yōu)選的，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第三摩擦層和/或第四摩擦層的厚度為
0.1-0.8 毫米。
[0032]優(yōu)選的，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第三摩擦層和/或第四摩擦層選自絕緣體或半導體材料。
[0033]優(yōu)選的，所述絕緣體材料選自高分子聚合物材料:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、酚醛樹脂薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、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鹽薄膜，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、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯；[0034]所述半導體材料選自硅、鍺、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物及由II1- V族化合物和I1- VI族化合物組成的固溶體。
[0035]優(yōu)選的，所述第一摩擦層或第二摩擦層選自導電材料；和/或，所述第三摩擦層或第四摩擦層選自導電材料。
[0036]優(yōu)選的，所述導電材料選自金屬、合金或?qū)щ娧趸铮渲?，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼、鈹銅合金。
[0037]優(yōu)選的，所述第一摩擦層的下表面、第二摩擦層的上表面、第三摩擦層的下表面和/或第四摩擦層的上表面具有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)或者納米材料的點綴或涂層；所述微結(jié)構(gòu)選自納米線、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)。
[0038]優(yōu)選的，所述第一摩擦層和第四摩擦層選自聚二甲基硅氧烷，所述第二摩擦層和第三摩擦層選自鈹銅合金。
[0039]優(yōu)選的，所述外力為周期性外力，所述周期性外力的頻率接近所述發(fā)電機的共振頻率。
[0040]優(yōu)選的，所述發(fā)電機連接負載的電阻值在兆歐量級。
[0041]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0042]1、本發(fā)明提供的懸臂式脈沖發(fā)電機具有上下排列的三個懸臂，因此，在一個振動周期內(nèi)，彈性的第二懸臂在第一懸臂與第二懸臂之間的振動使發(fā)電機產(chǎn)生四次靜電脈沖，能夠有效的將振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> [0043]2、采用導電懸臂代替設置在其表面的電極層，可以簡化發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。進一步的，第一摩擦層或第二摩擦層采用導電材料，第三摩擦層或第四摩擦層采用導電材料，可以用導電的懸臂直接代替導電的摩擦層材料，使發(fā)電機的結(jié)構(gòu)進一步簡化。
[0044]3、對于采用導電的懸臂代替摩擦層的發(fā)電機，可以在導電懸臂的表面進行微結(jié)構(gòu)修飾，即可提高發(fā)電機的輸出功率。另外，與全橋整流器結(jié)合可以將輸出的交流電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以為電容器或者鋰離子電池充電，也可以為各種小型便攜式電子器件提供所需電源。
[0045]4、本發(fā)明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡便，對材料無特殊要求，可以收集海浪、高速公路、橋梁、機械設備以及人體運動等產(chǎn)生的振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有廣泛的實際用途。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。
[0047]圖1和圖3為本發(fā)明發(fā)電機實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖2為本發(fā)明發(fā)電機的發(fā)電原理示意圖；
[0049]圖4和圖5為本發(fā)明發(fā)電機實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖6和圖7為本發(fā)明發(fā)電機實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；[0051]圖8和圖9為實施例四中在導電懸臂表面設置微結(jié)構(gòu)陣列修飾層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖10為本發(fā)明發(fā)電機實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖11在鈹銅合金彈片的表面制備出的氧化鋅納米陣列，并在其上沉積銅納米薄膜的電鏡照片；
[0054]圖12為發(fā)電機在頻率為3.7Hz外力作用下的開路電壓測量結(jié)果；
[0055]圖13為發(fā)電機在頻率為3.7Hz外力作用下的整流短路電流測量結(jié)果；
[0056]圖14為發(fā)電機在頻率為2.0Hz?5.0Hz外力作用下的開路電壓測量結(jié)果；
[0057]圖15為多懸臂靜電脈沖振動發(fā)電機在頻率為2.0Hz?5.0Hz外力作用下的整流短路電流測量結(jié)果。
【具體實施方式】
[0058]在高度集成化的微電子器件快速發(fā)展的今天，相應的能源供應系統(tǒng)的研究卻相對滯后。為了適應小型化、便攜化、多功能等需求，這些微電子器件的能源都直接或者間接地來自電池這種傳統(tǒng)的供能器件。而電池由于自身難以克服的局限性，包括較大的體積和重量、有限的使用壽命，對環(huán)境和人體的潛在危害等，很難適應可持續(xù)、低成本、綠色環(huán)保等要求。因此，開發(fā)出滿足需求的替代供能方式具有重大的意義。
[0059]本發(fā)明提供一種將海浪、高速公路、橋梁、隧道以及人體運動等自然存在的振動機械能轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)簡單的懸臂式脈沖發(fā)電機，能夠為微型電子器件提供匹配的電源。本發(fā)明的發(fā)電機的技術方案為，采用上中下的三個彈性懸臂結(jié)構(gòu)，在相鄰兩懸臂的相對表面設置摩擦層，當發(fā)電機受到外界作用力時，中間的懸臂在上下懸臂之間振動，使兩摩擦層互相接觸，在相互接觸的瞬間會通過電子或者離子發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移，互相分離后在與摩擦層接觸設置的電極層之間產(chǎn)生脈沖電信號輸出。
[0060]下面結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明懸臂式脈沖發(fā)電機的【具體實施方式】。
[0061]實施例一:
[0062]參見圖1，懸臂式脈沖發(fā)電機包括第一懸臂100、第二懸臂200和第三懸臂300，三個懸臂中至少第二懸臂200為彈性，第一懸臂100、第二懸臂200和第三懸臂300分別有一端被固定；其中，第一懸臂100的下表面設置有第一電極層101,第一電極層101的下表面接觸設置有第一摩擦層102 ;第二懸臂200的上表面設置有第二電極層201，第二電極層201的上表面接觸設置有第二摩擦層202，并且，第二摩擦層202的上表面與第一摩擦層102的下表面相對設置；第二懸臂200的下表面設置有第三電極層203，第三電極層203的下表面接觸設置有第三摩擦層204 ;第三懸臂300的上表面設置有第四電極層301，第四電極層301的上表面接觸設置有第四摩擦層302，并且，第四摩擦層302的上表面與第三摩擦層204的下表面相對設置。發(fā)電機受到外力作用(振動作用)時，第二懸臂200在第一懸臂100與第二懸臂300之間振動，使至少部分第二摩擦層202上表面與第一摩擦層102下表面接觸和分離、至少部分第三摩擦層204下表面與第二摩擦層302上表面接觸和分離，在第一電極層101與第二電極層201之間和/或第三電極層203與第四電極層301之間有脈沖電信號輸出。
[0063]本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機中，第二摩擦層202上表面與第一摩擦層102下表面(或者第三摩擦層204下表面與第二摩擦層302上表面)可以完全接觸后完全分開，也可以部分接觸后分開，也就是第二懸臂在第一懸臂與第三懸臂之間的振動，使得第二摩擦層202上表面與第一摩擦層102下表面(或者第三摩擦層204下表面與第二摩擦層302上表面)的接觸面積發(fā)生不斷的變化。
[0064]本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機利用了具有不同摩擦電極序的摩擦層材料接觸時發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移的原理。本發(fā)明中所述的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對電荷的吸引程度將其進行的排序，兩種材料在相互接觸的瞬間，在接觸面上正電荷從摩擦電極序中極性較負的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較正的材料表面。迄今為止，還沒有一種統(tǒng)一的理論能夠完整的解釋電荷轉(zhuǎn)移的機制，一般認為，這種電荷轉(zhuǎn)移和材料的表面功函數(shù)相關，通過電子或者離子在接觸面上的轉(zhuǎn)移而實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。需要說明的是，摩擦電極序只是一種基于經(jīng)驗的統(tǒng)計結(jié)果，即兩種材料在該序列中相差越遠，接觸后所產(chǎn)生電荷的正負性和該序列相符合的幾率就越大，而且實際的結(jié)果受到多種因素的影響，比如材料表面粗糙度、環(huán)境濕度和是否有相對摩擦等。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果兩種材料在摩擦電極序中處于較接近的位置，接觸后電荷分布的正負性可能并不符合該序列的預測。需要進一步說明是，電荷的轉(zhuǎn)移并不需要兩種材料之間的相對摩擦，只要存在相互接觸即可，因此，從嚴格意義上講，摩擦電極序的表述是不準確的，但由于歷史原因而一直沿用至今。
[0065]本發(fā)明中所述的“接觸電荷”，是指在兩種摩擦電極序極性存在差異的材料在接觸并分離后其表面所帶有的電荷，一般認為，該電荷只分布在材料的表面，分布最大深度不過約為10納米。研究發(fā)現(xiàn)，該電荷能夠保持較長的時間，根據(jù)環(huán)境中濕度等因素，其保持時間在數(shù)小時甚至長達數(shù)天，而且其消失的電荷量可以通過再次接觸得以補充，因此，本發(fā)明人認為，在本發(fā)明中接觸電荷的電量可以近似認為保持恒定。需要說明的是，接觸電荷的符號是凈電荷的符號，即在帶有正接觸電荷的材料表面的局部地區(qū)可能存在負電荷的聚集區(qū)域，但整個表面凈電荷的符號為正。
[0066]本發(fā)明的發(fā)電機中，第一摩擦層、第二摩擦層、第三摩擦層和第四摩擦層的材料選擇，只要滿足:第一摩擦層材料與第二摩擦層材料存在摩擦電極序差異，第三摩擦層材料與第四摩擦層材料存在摩擦電極序差異。本發(fā)明的發(fā)電機相當于在第一懸臂和第二懸臂之間的第一電極層101、第一摩擦層102、第二摩擦層202和第二電極層201形成第一摩擦納米發(fā)電單元，第二懸臂和第三懸臂之間的第三電極層203、第三摩擦層204、第四摩擦層302和第四電極層301形成第二摩擦納米發(fā)電單元。本發(fā)明的發(fā)電機包含的兩個摩擦納米發(fā)電機可以通過外電路進行并聯(lián)或串聯(lián)，可以獲得較高的輸出功率。
[0067]結(jié)合圖2對所述的第一摩擦納米發(fā)電單元工作原理進行說明。圖2中第一摩擦層102和第二摩擦層202是2種存在摩擦電極序差的材料，在沒有外力作用的初始狀態(tài)下，由于分別有一端被固定的第一懸臂100與第二懸臂200的存在，第一摩擦層102和第二摩擦層202之間存在一定的間隔(參見圖2中A步驟)。當有外力(振動)作用時，由于至少第二懸臂200為彈性懸臂，第二懸臂200向著第一懸臂100運動，使第一摩擦層102和第二摩擦層202相互接觸，所以在接觸的瞬間發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移，形成一層表面接觸電荷(參見圖2中B步驟)。由于第一摩擦層102和第二摩擦層202的材料在摩擦電極序中的位置不同，第二摩擦層202表面產(chǎn)生負電荷，而第一摩擦層102表面產(chǎn)生正電荷，兩種電荷的電量大小相同，因此在第一電極層101和第二電極層201之間沒有電勢差，也就沒有電荷流動。由于第一懸臂100對第二懸臂200的阻礙作用，使第二懸臂200向著遠離第一懸臂100的方向運動，第一摩擦層102與第二摩擦層202開始分離，此時由第一電極層101和第一摩擦層102所構(gòu)成的整體具有凈剩正電荷，而第二電極層104和第二摩擦層103所構(gòu)成的整體具有凈剩負電荷，因此在第一電極層101和第二電極層201之間產(chǎn)生了電勢差。為平衡該電勢差，電子通過外接導線由第二電極層201流入第一電極層101，從而在外電路產(chǎn)生由第一電極層到第二電極層的瞬時電流(參見圖2中C步驟)，當?shù)谝荒Σ翆?02回到初始位置時，它與第二摩擦層202之間的間距達到最大，二者的電荷都達到平衡，在第一電極層101和第二電極層201之間沒有電勢差，在外電路也就沒有電流產(chǎn)生(參見圖2中D步驟)。當?shù)诙冶?00再次向著第一懸臂100運動時，由于第一電極層101與第二摩擦層202的間距變小，第二摩擦層202表面的負電荷對第一電極層101中負電荷的排斥作用增強，同時第一摩擦層102表面的正電荷對第二電極層201中負電荷的吸引作用也增強，由此導致第一電極層101和第二電極層201之間的電勢差減小。為進一步平衡該電勢差，電子通過外電路由第一電極層101流入第二電極層201，從而在外電路產(chǎn)生與第一次方向相反的瞬時電流(參見圖2中步驟E)。第二懸臂200繼續(xù)靠近第一懸臂100使第一摩擦層102與第二摩擦層202發(fā)生接觸后，重復上面B-E步驟的情形。由此可見，當外力(振動作用)作用于懸臂式脈沖發(fā)電機時，會促使彈性的第二懸臂200帶動第二摩擦層202發(fā)生往復的機械振動，并通過第一摩擦層102和第二摩擦層103的不斷接觸和分離兩個過程，分別產(chǎn)生方向相反的脈沖電流，實現(xiàn)在第一電極層101和第二電極層201之間的脈沖發(fā)電。
[0068]第二摩擦納米發(fā)電單元的發(fā)電原理與第一摩擦納米發(fā)電機的發(fā)電原理相同，彈性的第二懸臂200帶動第三摩擦層204發(fā)生往復的機械振動，并通過第三摩擦層204和第四摩擦層302的不斷接觸和分離兩個過程，分別產(chǎn)生方向相反的脈沖電流，實現(xiàn)在第三電極層203和第四電極層301之間的脈沖發(fā)電。因此，本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機，第二懸臂200的一個振動周期內(nèi)，可以產(chǎn)生4個脈沖電信號。
[0069]為了加強第二懸臂200在第一懸臂100與第三懸臂300之間的振動效果，可以在第二懸臂上固定一個重物M，重物M的固定位置優(yōu)選為固定在第二懸臂200的與固定端相對應的自由端。
[0070]懸臂式脈沖發(fā)電機的三個懸臂可以分別固定在不同的固定物上，參見圖1，第一懸臂100的一端固定在第一固定物Gl上，另一端為自由端；第二懸臂200的一端固定在第二固定物G2上，另一端為自由端；第三懸臂300的一端固定在第三固定物G3上，另一端為自由端。優(yōu)選的，三個懸臂的自由端在各自固定端的同一側(cè)，如圖1所示，能夠保證第二懸臂200帶動的第二摩擦層202 (或第三摩擦層204)與第一摩擦層102、第四摩擦層302接觸時面積最大。
[0071]優(yōu)選的，三個懸臂可以固定在同一固定物G上，并且三個懸臂的自由端在固定物G的同一側(cè)，參見圖3。
[0072]本發(fā)明中所述的固定物可以為絕對固定的物體如建筑物、橋梁等，也可以為相對固定的物體如機械、車輛等。
[0073]絕緣體材料，例如常規(guī)的高分子聚合物都具有摩擦電特性，均可以作為制備本發(fā)明第一摩擦層102、第二摩擦層202、第三摩擦層204和第四摩擦層302的材料，此處列舉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、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、酚醛樹脂薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、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鹽薄膜，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、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進行窮舉，此處僅列出幾種具體的聚合物材料從人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護范圍的限制性因素，因為在發(fā)明的啟示下，本領域的技術人員根據(jù)這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0074]相對于絕緣體，半導體和金屬均具有容易失去電子的摩擦電特性，在摩擦電極序的列表中常位于末尾處。因此，半導體和金屬也可以作為制備第一摩擦層102或第二摩擦層202的原料，以及第三摩擦層204或第四摩擦層302的原料。常用的半導體包括:硅、鍺；第III和第V族化合物，例如砷化鎵、磷化鎵等；第II和第VI族化合物，例如硫化鎘、硫化鋅等；以及由II1- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體，例如鎵鋁砷、鎵砷磷等。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。非導電性氧化物、半導體氧化物和復雜氧化物也具有摩擦電特性，能夠在摩擦過程形成表面電荷，因此也可以用來作為本發(fā)明的摩擦層，例如錳、鉻、鐵、銅的氧化物，還包括氧化硅、氧化錳、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3;常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼、鈹銅合金。當然，還可以使用其他具有導電特性的材料充當容易失去電子的摩擦層材料，例如銦錫氧化物IT0。
[0075]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當?shù)谝荒Σ翆?02與第二摩擦層202材料(或者第三摩擦層204與第四摩擦層302材料)的得電子能力相差越大(即在摩擦電極序中的位置相差越遠)時，發(fā)電機輸出的電信號越強。所以，可以根據(jù)實際需要，選擇合適的材料來制備第一摩擦層102、第二摩擦層202、第三摩擦層204和第四摩擦層302以獲得更好的輸出效果。
[0076]懸臂式脈沖發(fā)電機中，第一摩擦層102、第二摩擦層202、第三摩擦層204或第四摩擦層302的厚度無特別要求，本發(fā)明中優(yōu)選為0.1-0.8毫米。
[0077]本發(fā)明的發(fā)電機中，還可以對第一摩擦層102的下表面、第二摩擦層202的上表面、第三摩擦層204的下表面和/或第四摩擦層302的上表面進行物理改性，使其表面具有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)或者納米材料的點綴或涂層，以增強第一摩擦層與第二摩擦層之間(或者第三摩擦層與第四摩擦層之間)的接觸面積。所述微結(jié)構(gòu)可以選自納米線、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選為在第一摩擦層102的下表面、第二摩擦層202的上表面、第三摩擦層204的下表面和/或第四摩擦層302的上表面包括上述微結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0078]優(yōu)選的，第一摩擦層102、第二摩擦層202、第三摩擦層204或第四摩擦層302材料選擇彈性材料，可以增加受到外力作用時的接觸面積。
[0079]第一電極層101、第二電極層201、第三電極層204或第四電極層302的材料可以選擇常用的電極材料，例如金屬、合金、導電氧化物或有機物導體等，具體電極材料的選擇不作為限定本發(fā)明保護范圍的因素。實際中，本領域的技術人員可以根據(jù)各摩擦層材料的選擇，確定相應電極層材料以及制備方法的選擇，以確保電極層與相應的摩擦層(例如第一電極層101和第一摩擦層102)的良好電接觸。具體電極層材料的選擇不作為限定本發(fā)明保護范圍的條件。各電極層與懸臂之間的固定，可以材料粘貼固定的方式，也可以采用在懸臂表面制備電極層的方式進行設置。
[0080]本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機中，至少第二懸臂200為彈性懸臂，第一懸臂100和/或第三懸臂300也可以為彈性懸臂。彈性懸臂的材料可以選擇具有彈性的絕緣體材料，例如絕緣橡膠等材料，也可以選擇具有彈性的導體材料，例如金屬薄片、高彈性的合金片等。
[0081]本發(fā)明中，發(fā)電機的懸臂可以采用導電或者非導電材料制備，如果為導電懸臂，可以替代設置在其表面的電極層材料。這種結(jié)構(gòu)省去在懸臂表面設置電極層的步驟，能夠簡化發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。
[0082]本發(fā)明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，在實際使用中，只需進行簡單的固定和封裝，即可應用在收集海浪、高速公路、橋梁、機械設備等產(chǎn)生的振動機械能，具有廣泛的實際用途。
[0083]本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機中，影響單個發(fā)電單元輸出功率的主要參數(shù)是摩擦層之間接觸時的相互作用力的大小，越接近發(fā)電機的共振頻率其相互作用力越大，發(fā)電機的輸出功率也就越大。因此，在機械振動強度等條件允許的情況下，為了得到較大的輸出功率，第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂以及第一摩擦層、第二摩擦層、第三摩擦層和第四摩擦層需要選取彈性較好的材料。
[0084]實施例二:
[0085]第一旋臂和/或第三懸臂可以采用導電材料制備的懸臂，這里以第一懸臂和第三懸臂都為導電材料制備的懸臂為例，具體介紹本實施例中發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。參見圖4，第一懸臂111為導電材料制備的懸臂，第一懸臂的下表面接觸設置有第一摩擦層112 ;第二懸臂200的上表面設置有第二電極層201，第二電極層201的上表面接觸設置有第二摩擦層202，并且，第二摩擦層202的上表面與第一摩擦層112的下表面相對設置；第二懸臂200的下表面設置有第三電極層203，第三電極層203的下表面接觸設置有第三摩擦層204 ;第三懸臂311為導電材料制備的懸臂，第三懸臂的上表面接觸設置有第四摩擦層312，并且，第四摩擦層312的上表面與第三摩擦層204的下表面相對設置。
[0086]本實施例中，第二懸臂也可以采用彈性的導電材料制備，這里以三個懸臂均采用導電材料制備的懸臂為例，具體介紹本實施例中發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。參見圖5，與圖4中所示的發(fā)電機的區(qū)別在于，第二懸臂211采用彈性的導電材料制備，替代了圖4中的第二電極層和第三電極層。本實施例中，直接在第二懸臂211的上下表面分別接觸設置第二摩擦層212和第三摩擦層214，使第二摩擦層212的上表面與第一摩擦層112的下表面相對設置，第四摩擦層312的上表面與第三摩擦層214的下表面相對設置。
[0087]本實施例中，發(fā)電機各部分的材料選擇與實施例一中的相同，在這里不再復述，發(fā)電機在受到外界振動時的工作原理與實施例一中的也相同。
[0088]本實施例中，如果采用三個懸臂為固定在同一固定物上的情況(參考圖3所示)，可以根據(jù)第一懸臂、第二懸臂和/或第三懸臂材料的選擇，確定所述固定物為絕緣體或?qū)w。所述固定物的材料選擇在這里不做具體限定。[0089]實施例三:
[0090]導電材料與絕緣體或半導體材料接觸或摩擦后分離，可以在二者的表面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，實施例一或?qū)嵤├校谝荒Σ翆踊虻诙Σ翆涌梢圆捎脤щ姴牧?，同樣第三摩擦層或第四摩擦層也可以采用導電材料。本實施例中，用導電的懸臂替代實施例二中的摩擦層，進一步簡化懸臂式脈沖發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。
[0091]下面結(jié)合圖6和圖7，具體介紹本實施例中發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。
[0092]參見圖6，第一摩擦層選擇導體材料，可以被導電的第一懸臂111替代，第二摩擦層212采用絕緣體或半導體，并且第二摩擦層212的上表面與第一懸臂111的下表面相對設置。同樣，第四摩擦層選擇導體材料，可以被導電的第三懸臂311替代，第三摩擦層214采用絕緣體或半導體，并且第三懸臂311的上表面與第三摩擦層214的下表面相對設置。固定物G可以選擇絕緣體材料，以保證第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂的絕緣。在其他實施例中，也可以只有第一摩擦層或第四摩擦層采用導體材料。
[0093]參見圖7，與圖6中的發(fā)電機不同，這里第二摩擦層和第三摩擦層選自導體材料，可以被導電的第二懸臂211替代，第一摩擦層112接觸設置在導電的第一懸臂111(替代第一電極層)的下表面，第四摩擦層312接觸設置在導電的第三懸臂的上表面，并且，第二懸臂211的上表面與第一摩擦層112的下表面相對設置；第二懸臂211的下表面與第四摩擦層312的下表面相對設置。
[0094]本實施例中導電懸臂的材料可以選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金，或者不銹鋼和鈹銅合金。優(yōu)選為，第一懸臂、第二懸臂和/或第三懸臂為片狀結(jié)構(gòu)，例如鈹銅合金片或不銹鋼片。
[0095]本實施例中，優(yōu)選為第一懸臂111、第二懸臂211和第三懸臂311均為彈性懸臂。
[0096]本實施例中，發(fā)電機各部分的材料選擇與實施例一或?qū)嵤├械南嗤?，在這里不再復述。優(yōu)選的，本實施例中第一摩擦層112和/或第四摩擦層312選擇絕緣材料，更優(yōu)選的，第一摩擦層112和/或第四摩擦層312選擇高分子絕緣材料。
[0097]本實施例的發(fā)電機的發(fā)電過程為:在周期外力的作用下，第二懸臂211作受迫振動，與第一摩擦層112和第四摩擦層312兩種材料周期性的接觸與分離。在接觸時發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在分離時在各自表面上形成極性相反的接觸電荷。由于分離時兩種材料距離的增力口，帶正電的接觸電荷和帶負電的接觸電荷在第一懸臂111和第二懸臂211上產(chǎn)生的電勢存在差異。在有外加負載的情況下，該電勢差造成自由電子在兩懸臂(電極層)間重新分布，以平衡該電勢差，從而形成通過負載的脈沖電流。當?shù)诙冶?11與第一摩擦層112(或第四摩擦層312)靠近時，由于第一摩擦層112和第二懸臂211之間的距離被改變，第一懸臂111和第二懸臂211間的電勢差再次出現(xiàn)，使達到平衡的電荷分布被改變，重新分布的電荷造成再次通過外加負載的脈沖電流。需要說明的是，在負載接入的情況下，第二懸臂211與第一摩擦層112 (或第四摩擦層312)在分離和靠近過程中產(chǎn)生相反的電勢差，因此，兩個過程中的脈沖電流的流向相反，并且在一個振動周期內(nèi)產(chǎn)生兩個接觸與分離循環(huán)，從而產(chǎn)生四次電流脈沖。將三個懸臂通過外部引線并聯(lián)，作為最終的輸出端。綜上所述，本實施例的發(fā)電機能在周期性振動外力作用下輸出具有相應頻率的脈沖交流電。
[0098]實施例四:
[0099]在本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機的第一摩擦層和/或第二摩擦層(或者第三摩擦層和/或第四摩擦層)的接觸表面上設置納米或微米量級的微結(jié)構(gòu)可以有效增加接觸面積，提高發(fā)電機的輸出功率。
[0100]本實施例中，在第三實施例的基礎上可以進一步在導電懸臂面對摩擦層的表面上制備微結(jié)構(gòu)陣列修飾層，增加發(fā)電機在受到外力作用時導電懸臂與摩擦層的接觸面積。
[0101]也就是說，對于導電的第一懸臂代替第一摩擦層的發(fā)電機，在第一懸臂的下表面設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層；或者，對于導電的第三懸臂代替第四摩擦層的發(fā)電機，在第三懸臂的上表面設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層；或者，對于導電的第二懸臂代替第二摩擦層和第三摩擦層的發(fā)電機，在第二懸臂的上下表面均設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層。所述微結(jié)構(gòu)陣列具體為:制備在導電懸臂表面的氧化物微結(jié)構(gòu)陣列，以及沉積在制備有所述微結(jié)構(gòu)陣列的懸臂表面的導電薄膜層。
[0102]在導電懸臂上制備微結(jié)構(gòu)陣列修飾層過程具體參見圖8。
[0103]參見圖8中a步驟，在導電懸臂10的表面上(特別是面對摩擦層的表面)制備微結(jié)構(gòu)陣列U。微結(jié)構(gòu)陣列11可以為任意可以制備成微米或納米尺寸微結(jié)構(gòu)的材料，例如氧化物半導體納米線、納米柱、納米錐等微結(jié)構(gòu)的陣列，或者納米微粉等。微結(jié)構(gòu)陣列的高度優(yōu)選在200納米至2微米之間。本實施例中優(yōu)選微結(jié)構(gòu)陣列為半導體氧化物，可以選擇ZnO、SnO2等半導體材料。具體制備方法可以為水熱法等常用的納米材料制備方法。
[0104]參見圖8中b步驟，在制備有微結(jié)構(gòu)陣列11的懸臂10表面采用磁控濺射等方式沉積導電薄膜層12。導電薄膜材料可以選擇金屬薄膜、導電氧化物薄膜。薄膜的沉積厚度優(yōu)選為50納米至400納米。本實施例中導電薄膜優(yōu)選為金屬薄膜，例如Ag、Au、Cu、Al等材料的薄膜。
[0105]本實施例中，在導電懸臂表面采用化學方法生長納米陣列，然后用物理方法沉積導電薄膜電極層，以達到增加接觸電極材料表面粗糙度的目的。本發(fā)明人認為，這種材料表面的化學和物理綜合改性方法獲得的納米陣列結(jié)構(gòu)和另一種薄膜材料相互接觸時，這些納米陣列可以插入另一種材料以增加摩擦和接觸面積，有研究表明，額外的摩擦和增加的接觸面積能夠有效地增大接觸電荷密度，因此，這些納米陣列的存在能夠提高本發(fā)明的發(fā)電機的輸出功率。
[0106]對于導電的第二懸臂代替第二摩擦層和第三摩擦層的發(fā)電機，可以在第二懸臂的上下表面均制備微結(jié)構(gòu)陣列，參見圖9，在第二懸臂10的上下表面均沉積氧化物微結(jié)構(gòu)陣列11，然后在制備有氧化物微結(jié)構(gòu)陣列11的第二懸臂的上下表面沉積導電薄膜層12，在第二懸臂的上下表面上獲得導電的微結(jié)構(gòu)陣列。
[0107]以三個導電的懸梁臂選用鈹銅合金材料，第一摩擦層和第四摩擦層采用聚二甲硅氧烷材料，具體介紹本實施例的懸臂式脈沖發(fā)電機的制備過程。
[0108]參見圖10，將尺寸為6.5厘米X2.8厘米X0.2毫米的鈹銅合金彈片作為第二懸臂211，在其上下表面采用水熱法生長直徑為200納米的納米氧化鋅陣列，然后在氧化鋅陣列上沉積厚度為100納米的銅薄膜層作為接觸電極形成微結(jié)構(gòu)陣列215，圖11為沉積完成的銅薄膜層表面形貌；將兩片尺寸4.5厘米X 2.8厘米X0.2毫米的鈹銅合金彈片分別作為第一懸臂111和第三懸臂311，然后在第一懸臂111下表面和第三懸臂311上表面分別旋涂一層尺寸為3.2厘米X2.8厘米X0.6毫米聚二甲基硅氧烷絕緣層作為第一摩擦層112和第二摩擦層312 ;最后用矩形固定物G將三片懸臂固定起來，使第一懸臂111和第三懸臂311分別在第二懸臂211的正上方和正下方，且三個懸臂的自由端均在固定物G的同一側(cè)，并使第一懸臂111和第三懸臂311與第二懸臂211有一定空隙。在第二懸臂211的自由端固定質(zhì)量為12.59克的重物M，以增強第二懸臂在第一懸臂與第二懸臂之間的振動效果。
[0109]本實施例中，銅薄膜接觸電極層(第二懸臂211表面的微結(jié)構(gòu)陣列修飾層)表面的粗糙度對輸出功率有較大的影響，一般認為，材料表面越粗糙，能夠有效接觸的面積就越小，產(chǎn)生更少的接觸電荷，從而相應地得到更低的輸出功率。但本發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，引入具有一定表面粗糙度的特殊形貌反而會提高輸出功率。通過將納米氧化鋅陣列和金屬薄膜結(jié)合形成第二懸臂表面的納米陣列導電層，這種材料表面的化學物理綜合改性方法能夠大大地提高本發(fā)明的輸出功率。本發(fā)明人認為，經(jīng)過此法改性過的金屬薄膜材料與易彈性形變的聚二甲基硅氧烷絕緣層接觸擠壓，這些納米陣列可以增加接觸面積和摩擦，有研究表明，額外的接觸面積和摩擦能夠有效地增大接觸電荷密度，因此，這些納米陣列的設置能夠提高發(fā)電機的輸出功率。
[0110]本發(fā)明各實施例的發(fā)電機輸出的電信號為交流脈沖電信號，可以在發(fā)電機的輸出端連接全橋整流器，將發(fā)電機的輸出信號整流為直流脈沖電信號。發(fā)電機輸出的脈沖電信號，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以用來給儲能元件充電，比如電容器或者鋰離子電池等，而儲存的電能能夠用來為便攜式小型電子設備提供電力，具有廣泛的應用前景。
[0111]在周期性外力的作用下，對本實施例中的懸臂式脈沖發(fā)電機進行了開路電壓和整流短路電流的測量，結(jié)果分別如圖12和圖13所示，圖12為懸臂式脈沖發(fā)電機在頻率為
3.7Hz周期性外力作用下的開路電壓測量結(jié)果，圖13為懸臂式脈沖發(fā)電機在頻率為3.7Hz周期性外力作用下的整流短路電流測量結(jié)果。從實驗結(jié)果可以看到，懸臂式脈沖發(fā)電機的開路電壓和整流短路電流最大值分別達到了 101伏和55.7微安。
[0112]在周期性外力的作用下，特別是低頻機械振動外力下，對本實施例中懸臂式脈沖發(fā)電機進行了不同頻率的開路電壓和整流短路電流的測量，結(jié)果分別如圖14和圖15所示，圖14為懸臂式脈沖發(fā)電機在頻率為2.5-5.0Hz周期性外力作用下的開路電壓測量結(jié)果，圖15為懸臂式脈沖發(fā)電機在頻率為2.5-5.0Hz周期性外力作用下的整流短路電流測量結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動頻率的大小對本發(fā)明的懸臂式脈沖發(fā)電機的輸出功率產(chǎn)生影響，接近共振頻率將產(chǎn)生更大的接觸面積和更有效的摩擦，由于接觸面積達到極值，接觸電荷密度不會進一步增加，懸臂式脈沖發(fā)電機的輸出達到極值。
[0113]發(fā)明人的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明各實施例的懸臂式脈沖發(fā)電機在實際工作當中，外加負載的電阻值對實際輸出功率有很大的影響。隨著負載電阻值的增大，負載兩端的電壓增大,通過負載的電流減小,而實際輸出功率先增大后減小,并出現(xiàn)極大值。本發(fā)明人經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，輸出功率極大值所對應的電阻值在兆歐量級，因此，本發(fā)明在負載的電阻值為兆歐量級的情況下能夠最大程度發(fā)揮其功效。需要說明的是，本文中使用的“輸出功率”，是指脈沖電流的極大值和在負載兩端形成的脈沖電壓的極大值的乘積，即瞬時極大功率。
[0114]本發(fā)明的發(fā)電機的輸出功率除了受到外界環(huán)境因素，包括振動頻率的大小，外力口負載的電阻值等影響外，還受到懸臂式脈沖發(fā)電機本身的設計和制造，包括摩擦層和電極層材料的選擇，以及各部分的尺寸大小，和摩擦層材料表面的物理和化學性質(zhì)等的影響。[0115]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，包括:分別有一端被固定的第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂，其中， 所述第一懸臂的下表面設置有第一電極層，所述第一電極層的下表面接觸設置有第一摩擦層； 所述第二懸臂的上表面設置有第二電極層，所述第二電極層的上表面接觸設置有第二摩擦層，所述第二摩擦層的上表面與所述第一摩擦層的下表面相對設置；所述第二懸臂的下表面設置第三電極層，所述第三電極層的下表面接觸設置有第三摩擦層；所述第二懸臂為彈性懸臂； 所述第三懸臂的上表面設置有第四電極層，所述第四電極層的上表面接觸設置有第四摩擦層；所述第四摩擦層的上表面與所述第三摩擦層的下表面相對設置； 所述發(fā)電機受到外力作用時，所述第二懸臂在所述第一懸臂與第三懸臂之間振動，使至少部分所述第二摩擦層上表面與所述第一摩擦層下表面接觸和分離、至少部分所述第三摩擦層下表面與所述第四摩擦層上表面接觸和分離，所述第一電極層與第二電極層之間和/或所述第三電極層與第四電極層之間有脈沖電信號輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂的自由端都在固定端的同一側(cè)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一懸臂、第二懸臂和第三懸臂固定在同一固定裝置上。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第二懸臂還包括重物，所述重物設置在所述第二懸臂的自由端。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一懸臂和/或第三懸臂為彈性懸臂。`
6.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第二懸臂為導電材料，所述第二懸臂替代所述第二電極層和第三電極層。
7.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機,其特征在于,所述第一懸臂和/或第三懸臂采用導電材料；所述第一懸臂替代所述第一電極層，和/或所述第三懸臂替代所述第四電極層。
8.根據(jù)權利要求6所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第二摩擦層和所述第三摩擦層采用導電材料，所述第二懸臂代替所述第二摩擦層和所述第三摩擦層。
9.根據(jù)權利要求8所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第二懸臂的上表面和/或下表面設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層。
10.根據(jù)權利要求7所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層采用導電材料，所述第一懸臂代替所述第一摩擦層； 和/或， 所述第四摩擦層采用導電材料，所述第三懸臂代替所述第四摩擦層。
11.根據(jù)權利要求10所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一懸臂的下表面和/或第三懸臂的上表面設置有微結(jié)構(gòu)陣列修飾層。
12.根據(jù)權利要求9或11所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)陣列修飾層包括:設置在所述懸臂上表面和/或下表面的微結(jié)構(gòu)陣列； 沉積在制備有所述微結(jié)構(gòu)陣列的懸臂表面的導電薄膜層。
13.根據(jù)權利要求12所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)陣列選自氧化物半導體的納米線、納米錐、納米棒陣列。
14.根據(jù)權利要求13或14所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)陣列的高度為200納米至2微米。
15.根據(jù)權利要求12-14任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述導電薄膜層選自金屬薄膜層，所述薄膜層的厚度為50納米至400納米。
16.根據(jù)權利要求6-15任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機,其特征在于,所述導電材料選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金，或者不銹鋼和鈹銅合金。
17.根據(jù)權利要求1-16任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機,其特征在于,所述第一懸臂、第二懸臂和/或第三懸臂為片狀結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權利要求1-17任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層材料與第二摩擦層材料之間存在電極序差異；所述第三摩擦層材料與第四摩擦層材料之間存在電極序差異。
19.根據(jù)權利要求18所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第三摩擦層和/或第四摩擦層的厚度為0.1-0.8毫米。
20.根據(jù)權利要求16或18所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層、第二摩擦層、第三摩擦層和/或第四摩擦層選自絕緣體或半導體材料。
21.根據(jù)權利要求20所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述絕緣體材料選自高分子聚合物材料:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、酚醛樹脂薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、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鹽薄膜，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、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯； 所述半導體材料選自硅、鍺、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物及由II1-V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體。
22.根據(jù)權利要求16-19任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層或第二摩擦層選自導電材料；和/或，所述第三摩擦層或第四摩擦層選自導電材料。
23. 根據(jù)權利要求22所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述導電材料選自金屬、合金或?qū)щ娧趸铮渲?，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒；所述合金選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒形成的合金、不銹鋼、鈹銅合金。
24.根據(jù)權利要求1-23任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層的下表面、第二摩擦層的上表面、第三摩擦層的下表面和/或第四摩擦層的上表面具有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)或者納米材料的點綴或涂層；所述微結(jié)構(gòu)選自納米線、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)。
25.根據(jù)權利要求1-24任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦層和第四摩擦層選自聚二甲基硅氧烷，所述第二摩擦層和第三摩擦層選自鈹銅合金。
26.根據(jù)權利要求1-25任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述外力為周期性外力，所述周期性外力的頻率接近所述發(fā)電機的共振頻率。
27.根據(jù)權利要求1-26任一項所述的懸臂式脈沖發(fā)電機，其特征在于，所述發(fā)電機連接負載的 電阻值在兆歐量級。
【文檔編號】H02N1/04GK103780130SQ201310222360
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權日:2013年6月5日
【發(fā)明者】楊維清, 陳俊, 王中林 申請人:國家納米科學中心