基于非對稱介電層的發(fā)電機和發(fā)電方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非對稱介電層的發(fā)電機和發(fā)電方法，該發(fā)電機包括起電層、接觸設置在所述起電層下表面的第一介電層和第二介電層，以及，分別設置在所述第一介電層和第二介電層下表面的第一電極層和第二電極層；當表面得失電子能力不同的接觸物與所述起電層接觸分離或者滑動時，不同介電層對起電層表面電荷產(chǎn)生的電場進行調(diào)制，在所述第一電極層和第二電極層之間形成電勢差，該電勢差在連接外電路時可驅動電子形成電流。將機械能轉變?yōu)殡娔艿倪^程中，兩個電極層不需要相對運動即可實現(xiàn)發(fā)電，有利于發(fā)電機的封裝和與其他器件的配合使用。
【專利說明】
基于非對稱介電層的發(fā)電機和發(fā)電方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及能量轉化領域，具體涉及利用材料介電性質將接觸物體的機械能轉化為電能的發(fā)電機和發(fā)電方法?！颈尘凹夹g】
[0002]摩擦是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，自2012年提出利用不同材料接觸摩擦起電收集環(huán)境中的機械能轉化為電能以后，就因其特有的優(yōu)勢受到廣泛關注。利用材料接觸摩擦起電效應和靜電感應效應的發(fā)電機，可以將環(huán)境中的機械能如身體滑動、衣物接觸等機械能轉化為可利用的電能。但是目前大部分發(fā)電機輸出的正負電極屬于分離的兩部分，不利于發(fā)電機的包裝和植入性應用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003](一)要解決的技術問題
[0004]本發(fā)明的目的是將摩擦發(fā)電與材料介電性質相耦合，實現(xiàn)收集滑動和接觸能。解決電極移動不利于封裝和植入應用的問題，提高摩擦發(fā)電機的應用實用性。
[0005](二)技術方案
[0006]為實現(xiàn)上訴目的，本發(fā)明提出一種基于非對稱介電層的發(fā)電機，包括:
[0007]起電層；
[0008]接觸設置在所述起電層下表面的第一介電層和第二介電層；以及，
[0009]分別設置在所述第一介電層和第二介電層下表面的第一電極層和第二電極層；
[0010]當接觸物與所述起電層接觸分離或者滑動時，在所述第一電極層和第二電極層之間形成電勢差，所述起電層上表面與所述接觸物表面材料的得失電子能力不同。
[0011]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層的材料介電常數(shù)不同。
[0012]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層的形狀相同或不同，和/或，所述第一介電層和第二介電層的厚度相同或不同。
[0013]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層的材料相同，所述第一介電層和第二介電層的面積和/或厚度不同。
[0014]優(yōu)選的，所述第一介電層和/或第二介電層的間距為10納米-1厘米。
[0015]優(yōu)選的，所述第一介電層和/或第二介電層的形狀為條形或者環(huán)形。
[0016]優(yōu)選的，所述第一介電層和/或第二介電層為圖形化結構。
[0017]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層均為插齒型結構，插齒互相交錯設置在所述起電層的下表面；
[0018]或者，所述第一介電層和第二介電層均為條狀，分別以螺旋盤繞形狀設置在所述起電層的下表面，兩個介電層互相交錯形成雙層的螺旋結構。
[0019]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層的形狀相同。
[0020]優(yōu)選的，所述第一介電層和/或第二介電層的材料為無機介電材料、高分子介電材料或者為參雜無機介電材料的高分子介電材料。
[0021]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層的材料具體為尼龍膜和聚四氟乙烯膜，或者軟聚氯乙烯和尼龍，或者在上述高分子材料薄膜中參雜鈦礦相結構的鈦酸鋇系和鈦酸鉛系材料。
[0022]優(yōu)選的，所述第一介電層和第二介電層的厚度范圍為10納米-lcm。
[0023]優(yōu)選的，介電層為無機介電材料或者參雜無機介電材料的高分子介電材料時，所述厚度范圍優(yōu)選為10納米-20微米；介電層為高分子介電材料時，所述厚度范圍為20微米-500微米。
[0024]優(yōu)選的，所述起電層的材料為導體、絕緣體或者半導體。
[0025]優(yōu)選的，所述起電層的厚度為10納米-500微米。
[0026]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層上表面位于同一水平面。
[0027]優(yōu)選的，所述起電層、第一介電層、第二介電層、第一電極層和/或第二電極層為柔性材料。
[0028]相應的，本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，采用上述任一項所述的發(fā)電機，所述接觸物與所述起電層接觸分離或者互相滑動摩擦使所述起電層帶有表面電荷，所述第一介電層和第二介電層對所述起電層在所述第一電極層和第二電極層上的電場的調(diào)制作用，使所述第一電極層第二電極層之間形成電勢差。
[0029](三)有益效果
[0030]與現(xiàn)有技術相比，該基于非對稱介電層的發(fā)電機具有下列優(yōu)點:
[0031]首先，第一電極層和第二電極層固定設置于起電層材料和介電層材料之下，利用了不同介電層(材料不同，或者厚度和面積不同)的調(diào)制作用，實現(xiàn)將機械能轉變?yōu)殡娔?，兩個電極層不需要相對運動即可實現(xiàn)發(fā)電，利于發(fā)電機的封裝和與其他器件的配合使用，并且使電極層不易于發(fā)生損壞。
[0032]其次，多層柔性薄膜器件結構可將發(fā)電機設置在多種接觸和滑動環(huán)境中，既可以置入衣物表層或里層、貼在鼠標墊和寫字臺桌表面等。
[0033]基于非對稱介電層的發(fā)電機結構簡單，使用的材料均為半導體器件制備領域常用的材料，發(fā)電機制備方法簡單，成本低廉，可以在機械能轉化為電能領域廣泛使用。
【附圖說明】
[0034]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，重點在于表示出本發(fā)明的主旨。
[0035]圖1為基于非對稱介電層的發(fā)電機的結構示意圖；
[0036]圖2為基于非對稱介電層的發(fā)電機的工作原理示意圖；
[0037]圖3和圖4為發(fā)電機的介電層為圖形化結構的示意圖；
[0038]圖5a及圖5b為一個具體發(fā)電機的開路電壓和短路電流輸出圖。
【具體實施方式】
[0039]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0040]圖1是基于非對稱介電層的發(fā)電機的典型結構示意圖，發(fā)電機包括起電層1，接觸設置在起電層1下表面的第一介電層2和第二介電層3,以及分別設置在第一介電層2和第二介電層3下表面的第一電極層41和第二電極層42。起電層1上表面和環(huán)境中的物質相互接觸，發(fā)生相對滑動或接觸分離，起電層1表面產(chǎn)生摩擦電荷，摩擦電荷產(chǎn)生的電場被介電層2和3調(diào)制，在第一電極層41和第二電極層42之間產(chǎn)生電勢差，可以對外產(chǎn)生電壓或電流輸出。
[0041]第一介電層2(或第二介電層3)選擇的介電材料的介電常數(shù)越大，對起電層1表面電荷產(chǎn)生的電場造成的衰減越大，且介電層內(nèi)部電場強度越低，因而介電層上下表面電勢差越小。第一介電層2和第二介電層3的上表面均位于起電層下方，具有相同的電勢，故兩介電層2和3的介電常數(shù)相差越大，其下方的電勢相差越大，即在兩個電極層41和42之間的電壓輸出越大。
[0042]基于非對稱介電層的發(fā)電機工作原理參見圖2,當接觸物5與起電層1上表面接觸時，由于二者表面得失電子能力不同，接觸摩擦起電使接觸物5與起電層1表面帶有等量異號摩擦電荷，如圖2中a圖所示。當接觸物5與起電層分開時，起電層1表面電荷產(chǎn)生的電場經(jīng)過第一介電層2和第二介電層3的調(diào)制在第一電極層41和第二電極層42之間存在電勢差，并驅動電荷在外電路中移動直到兩電極層的電勢差為零，如圖2中b、c圖所示。當接觸物5接近起電層1時，接觸物5表面電荷在電極層41和42產(chǎn)生與起電層1電荷相反的電場，隨著接觸物5的接近至完全接觸起電層1其電場不斷增大并達到與起電層1的電場相抵消。這個過程中隨著接觸物5的接近其表面電荷產(chǎn)生的電場驅動兩個電極層41和42 上的電荷流動，產(chǎn)生與分離時相反的電流，如圖2中d圖所示。當接觸無5與起電層1完全接觸時，兩個電極層41和42之間的電勢差為零，外電路中無電荷流動，如圖2中a圖所示。 當接觸物5反復與發(fā)電機的起電層1接觸和分離，在兩個電極層41和42之間可以產(chǎn)生脈沖電信號。本發(fā)明利用材料的介電特性和摩擦起電效應收集環(huán)境中的機械能，發(fā)電機的起電層與環(huán)境中接觸物的材料接觸或滑動產(chǎn)生摩擦電荷通過介電層不同介電材料的電場調(diào)制實現(xiàn)電勢差(電壓和電流輸出)。起電層1與周圍的接觸物材料接觸或發(fā)生相對位移均可發(fā)電。
[0043]圖1中，第一介電層2和第二介電層3的形狀可以為條形或者環(huán)形，形狀可以相同，也可以不同。當接觸物5與起電層1接觸分離時，可以在第一電極層41和第二電極層 42之間產(chǎn)生電荷流動。
[0044]同樣，當接觸物5與起電層1發(fā)生相對滑動時，接觸物5表面電荷劃過不同電極層 41或42時，由于靜電感應將使電流在不同電極層之間流動。因此，兩個介電層可以為圖形化結構，可設計不同形狀的介電層分布圖，同時采集接觸分離機械能和滑動機械能。如圖3 所示，第一介電層2和第二介電層3均為插齒型結構，插齒互相交錯設置在起電層1的下表面。第一介電層2和第二介電層3的插齒寬度和插齒間隔可以均相同，使第一介電層2和第二介電層3的形狀相同。相應的，第一電極層41和第二電極層42也均為與相應介電層形狀相同的插齒型電極層，在圖3中未顯示。這樣結構的發(fā)電機，可以收集接觸分離機械能，也可以同時收集沿著垂直插齒方向的滑動機械能。
[0045]此外，第一介電層2和第二介電層3還可以為如圖4所示，第一介電層2和第二介電層3均為條狀，分別以螺旋盤繞形狀設置在起電層I的下表面，兩個介電層互相交錯形成雙層的螺旋結構。第一介電層2和第二介電層3的寬度可以相同也可以不同，優(yōu)選為相同。在垂直盤繞方向(或者長度延伸方向)上每條第一介電層2 (或第二介電層3)之間的距離可以相同也可以不相同使第一介電層2和第二介電層3的形狀相同，優(yōu)選為相同。相應的，第一電極層41和第二電極層42也均為與相應介電層形狀相同的雙層的螺旋結構。這樣結構的發(fā)電機，可以收集接觸分離機械能，也可以同時收集沿著垂直條狀介電層盤繞方向的滑動機械能，如圖4中，收集從圓心沿著徑向的滑動機械能。
[0046]基于非對稱介電層的發(fā)電機中，起電層I與接觸物接觸在表面產(chǎn)生摩擦電荷，與起電層和接觸物互相接觸的材料表面得失電子能力(即摩擦電極性)有關，起電層I的材料可以為導體、半導體、絕緣體，具體材料的選擇，只要滿足與發(fā)電機放置環(huán)境中的接觸物材料的摩擦電極性不同的材料即可，優(yōu)選在摩擦時與環(huán)境中接觸物材料摩擦電極性差異大的材料。起電層I的材料可以為絕緣體，優(yōu)選為聚合物絕緣材料，可以為下列材料中的一種或者幾種:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，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、聚雙苯酚碳酸酯、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；絕緣材料也可以為天然材料如毛皮等。作為起電層I的半導體材料可以選自:娃、鍺、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、以及由II1- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體。常規(guī)的導體材料均可以作為起電層I的材料，包括金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或砸的金屬，由金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻和砸中的2種以上物質所形成的合金，氧化銦錫ITO和導電有機物。
[0047]起電層I上表面可以為光滑的表面，如薄膜等，也可以表面具有微結構，增大摩擦起電表面電荷密度。所述微結構可以選自納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結構，以及由這些結構形成的陣列。
[0048]起電層I的材料可以為硬質材料，也可以為柔性材料，優(yōu)選為柔性薄膜材料，可以延長發(fā)電機的使用壽命。起電層I的材料越薄起電效果越好，起電層I的厚度范圍可以為10納米-500微米。
[0049]第一介電層和第二介電層的材料可以選擇介電常數(shù)具有較大差異的兩種介電材料，可以選擇的材料很廣泛，可以是無機介電材料、高分子介電材料或者參雜無機介電材料的高分子介電材料。高分子介電材料薄膜例如尼龍膜和聚四氟乙烯膜、具有較大介電常數(shù)的軟聚氯乙烯和尼龍等，也可選擇在這些高分子薄膜薄膜中參雜具有較大介電常數(shù)的其他材料例如鈦礦相結構的鈦酸鋇系和鈦酸鉛系、稀土介電材料等。需要說明的是，在介電層材料為半導體介電材料時，起電層的材料應為絕緣材料，以保證起電層上的表面電荷不會被介電層直接傳導至電極層。
[0050] 在其他實施例中，第一介電層和第二介電層的材料可以選擇相同的介電材料，此種情況，第一介電層和第二介電層的厚度和/或面積不同，同樣可以在兩個電極層中形成電勢差。這里所述的介電層的面積，指介電層與起電層接觸的面積。
[0051] 在發(fā)電機中，不僅介電層材料選擇會影響發(fā)電機輸出，而且介電層材料的厚度同樣影響發(fā)電機輸出。介電層材料越厚發(fā)電機輸出越大，隨著厚度的不斷增加發(fā)電機輸出由小增大，厚度達到一定值時輸出達到飽和值。第一介電層和第二介電層的厚度范圍為10納米-1厘米。介電層為無機介電材料、或者參雜無機介電材料的高分子介電材料時，厚度范圍優(yōu)選為10納米-20微米；介電層為高分子介電材料時，介電層厚度范圍為20微米-500 微米，第一介電層和第二介電層的厚度可以相同也可以不同，優(yōu)選為相同。更優(yōu)選的，第一介電層和第二介電層的厚度和形狀相同。
[0052] 第一介電層與第二介電層之間距離與發(fā)電機輸出有一定關系，一般來講距離越近輸出越大。但是隨著間距的減小，兩介電層下方的感應電荷邊界效應增加，發(fā)電機輸出的增長將達到飽和，給予制作工藝與充分利用發(fā)電機有效面積，優(yōu)選第一介電層與第二介電層的間距為10納米-1厘米。
[0053]第一電極層41和第二電極層42的材料可以為常用的導體材料，例如金屬和導電的非金屬材料等，其中金屬可選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；導電的非金屬材料可選自氧化銦錫IT0和摻雜的半導體。優(yōu)選的，第一電極層和第二電極層的上表面位于同一水平面。
[0054] 在本發(fā)明的發(fā)電機中，起電層1、兩個介電層和兩個電極層均可以為柔性材料，使整個發(fā)電機成為柔性器件。
[0055]下面將通過一個具體實施例對本發(fā)明發(fā)電機進行清楚、完整地描述。
[0056]在該實施例的發(fā)電機中，起電層1是尺寸為2cmX lcmX 0.0025cm的FEP薄膜，第一介電層2是尺寸為lcmX lcmX0.003cm的尼龍膜，第二介電層3是尺寸為 lcmXlcmX0.003cm的聚四氟乙稀薄膜，第一電極層41和第二電極層42都是尺寸為 lcmX lcmX 0? 0002cm 的金屬銅膜。
[0057]用外部作用力下，接觸物在FEP膜(起電層)表面來回滑動或接觸分離，接觸物移動過程中，在兩電極層上形成交流電勢差，接入外接電路形成交流電。利用電壓電流測試表，可測得發(fā)電機輸出電壓電流值。圖5a和圖5b是該基于非對稱介電層的發(fā)電機的具體電壓電流輸出測試結果，開路電壓峰值為58V，短路電流峰值為44微安。發(fā)電機輸出強度隨外部作用力的增加而增加，達到充分接觸后，強度到達飽和。隨滑動的速度增加而增加，最終達到飽和。
[0058] 相應的，本發(fā)明還提供一種應用本發(fā)明基于非對稱介電層的發(fā)電機的發(fā)電方法， 參見圖1和圖2,具體過程為:接觸物5與起電層1接觸分離或者互相滑動摩擦使起電層1 帶有的表面電荷，第一介電層2和第二介電層3對起電層1在第一電極層41和第二電極層 42上的電場的調(diào)制作用，使第一電極層41和第二電極層42之間形成電勢差。在第一電極層41和第二電極層42上連接外電路可以形成脈沖電荷流動。
[0059] 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發(fā)明。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)。
【主權項】
1.一種基于非對稱介電層的發(fā)電機，其特征在于，包括:起電層；接觸設置在所述起電層下表面的第一介電層和第二介電層；以及，分別設置在所述第一介電層和第二介電層下表面的第一電極層和第二電極層；當接觸物與所述起電層接觸分離或者滑動時，在所述第一電極層和第二電極層之間形 成電勢差，所述起電層上表面與所述接觸物表面材料的得失電子能力不同。2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層的材料 介電常數(shù)不同。3.根據(jù)權利要求1或2所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層的形 狀相同或不同，和/或，所述第一介電層和第二介電層的厚度相同或不同。4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層的材料 相同，所述第一介電層和第二介電層的面積和/或厚度不同。5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和/或第二介 電層的間距為10納米-1厘米。6.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和/或第二介 電層的形狀為條形或者環(huán)形。7.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和/或第二介 電層為圖形化結構。8.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層均為插 齒型結構，插齒互相交錯設置在所述起電層的下表面；或者，所述第一介電層和第二介電層均為條狀，分別以螺旋盤繞形狀設置在所述起電 層的下表面，兩個介電層互相交錯形成雙層的螺旋結構。9.根據(jù)權利要求7或8所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層的形 狀相同。10.根據(jù)權利要求1-9任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和/或第二 介電層的材料為無機介電材料、高分子介電材料或者為參雜無機介電材料的高分子介電材料。11.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層的材 料具體為尼龍膜和聚四氟乙烯膜，或者軟聚氯乙烯和尼龍，或者在上述高分子材料薄膜中 參雜鈦礦相結構的鈦酸鋇系和鈦酸鉛系材料。12.根據(jù)權利要求1-11任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一介電層和第二介 電層的厚度范圍為10納米-lcm。13.根據(jù)權利要求12所述的發(fā)電機，其特征在于，介電層為無機介電材料或者參雜無 機介電材料的高分子介電材料時，所述厚度范圍優(yōu)選為10納米-20微米；介電層為高分子 介電材料時，所述厚度范圍為20微米-500微米。14.根據(jù)權利要求1-13任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述起電層的材料為導體、 絕緣體或者半導體。15.根據(jù)權利要求1-14任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述起電層的厚度為10納 米-500微米。16.根據(jù)權利要求1-15任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極層和第二電極層上表面位于同一水平面。17.根據(jù)權利要求1-16任一項所述的發(fā)電機，其特征在于，所述起電層、第一介電層、第二介電層、第一電極層和/或第二電極層為柔性材料。18.一種發(fā)電方法，其特征在于，采用權利要求1-17任一項所述的發(fā)電機，所述接觸物與所述起電層接觸分離或者互相滑動摩擦使所述起電層帶有表面電荷，所述第一介電層和第二介電層對所述起電層在所述第一電極層和第二電極層上的電場的調(diào)制作用，使所述第一電極層第二電極層之間形成電勢差。
【文檔編號】H02N1/04GK106033942SQ201510108807
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月12日
【發(fā)明人】朱光, 趙雪嬌, 王中林
【申請人】北京納米能源與系統(tǒng)研究所