滑动摩擦发电机、发电方法以及矢量位移传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种滑动摩擦发电机以及发电方法，发电机包括一个下表面设置有第一导电层的摩擦层，并且第一导电层电连接至等电位，以及一个与摩擦层的上表面相对设置的第二导电层，当摩擦层的上表面与第二导电层的下表面在外力作用下发生相对滑动，同时摩擦面积在滑动过程中发生变化，在第一导电层和等电位之间能够输出电信号。相应的，本发明还提供一种应用滑动摩擦发电机的矢量位移传感器，其中，摩擦层由多个摩擦单元构成，每个摩擦单元的下表面对应设置一个电连接至等电位的第一摩擦单元，第二导电层在摩擦单元上滑动时，根据第一导电单元与等电位之间输出的电信号能够对第二导电层的位置、移动方向和移动距离进行探测，无需为传感器提供电源。
【专利说明】滑动摩擦发电机、发电方法以及矢量位移传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机，特别是涉及将机械能转化为电能的滑动摩擦发电机以及发电方法，以及应用该滑动摩擦发电机的矢量位移传感器。
【背景技术】
[0002]滑动摩擦电发电机的工作原理是基于两种不同的摩擦电材料的相互摩擦产生表面电荷转移，但是，所有已经报道的滑动摩擦发电机都是基于导电金属沉积在摩擦电薄膜材料表面作为电极层，从而实现对外输出电能。这种结构的滑动摩擦发电机不仅结构复杂，导致器件制作成本增加，另外，现有的滑动摩擦发电机需要两个电极层用于输出产生的电能。因此，现有滑动摩擦发电机的结构极大的妨碍了这种摩擦电发电机的发展和应用。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种结构简单的单电极式滑动摩擦发电机，能够将外力的机械能转变为电能。
[0004]为实现上述目的，本发明提供一种滑动摩擦发电机，包括
[0005]摩擦层，所述摩擦层的下表面接触设置第一导电层；所述第一导电层电连接至等电位；
[0006]所述摩擦层上方设置的第二导电层，所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面相对设置；
[0007]当所述摩擦层的上表面与所述第二导电层的下表面发生相对滑动摩擦，同时摩擦面积在滑动过程中发生变化时，在所述第一导电层和所述等电位之间输出电信号。
[0008]优选的，所述摩擦层的上表面材料与所述第二导电层下表面材料存在电极序差巳升。
[0009]优选的，所述第一导电层通过需要供电的外电路连接至地或等电位电路。
[0010]优选的，所述第一导电层通过外负载电连接至等电位。
[0011]优选的，所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面接触设置。
[0012]优选的，在未受外力时所述第二导电层与所述摩擦层不接触，在外力作用下所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面接触。
[0013]优选的，所述摩擦层的上表面材料选择绝缘体。
[0014]优选的，所述绝缘体材料选自聚合物材料。
[0015]优选的，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。
[0016]优选的,所述摩擦层的厚度100nm-5mm。
[0017]优选的，所述第二导电层下表面的材料选自金属，铟锡氧化物或有机物导体。
[0018]优选的，所述金属选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述有机物导体选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
[0019]优选的，所述第二导电层为薄膜材料。
[0020]优选的,所述第二导电层的厚度为10nm-5mm。
[0021]优选的，所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面的全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，或者纳米材料的点缀或涂层。
[0022]优选的，所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面经过化学改性。
[0023]优选的，在所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团。
[0024]优选的，在所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面，在极性为正的表面引入正电荷，而在极性为负的表面引入负电荷。
[0025]优选的，所述第二导电层的下表面为平面或曲面；
[0026]和/或，所述摩擦层的上表面为平面或曲面。
[0027]优选的，所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面为互补表面。
[0028]优选的，所述摩擦层的上表面为凹凸结构的不平整表面，所述第二导电层的下表面为凹凸结构的不平整表面。
[0029]优选的，所述第二导电层和/或摩擦层为柔性材料或硬性材料。
[0030]优选的，所述第二导电层和/或摩擦层为弹性材料。
[0031]优选的，还包括第一基板，所述第一导电层的下表面设置在所述第一基板上；
[0032]和/ 或
[0033]第二基板，所述第二导电层的上表面设置在所述第二基板上。
[0034]优选的，所述摩擦层由多个摩擦单元构成，所述多个摩擦单元的上表面形成所述摩擦层的上表面。
[0035]优选的，所述第二导电层的下表面不能同时与相邻的两个摩擦单元的上表面接触和摩擦。
[0036]优选的，所述摩擦单元的形状为长条状或正方形块状。
[0037]优选的，所述多个摩擦单元按照预先设定的图形排列。
[0038]优选的，所述第一导电层由多个第一导电单兀构成，所述多个第一导电单兀与所述多个摩擦单元--对应；每个所述第一导电单元电连接至等电位。
[0039]优选的，所述第二导电层由多个第二导电单元构成，所述多个第二导电单元的下表面形成所述第二导电层的下表面。
[0040]优选的，多个所述第二导电单元的下表面在同一个平面，多个所述摩擦单元的上表面在同一个平面。
[0041]优选的，多个所述第二导电单元的下表面、以及多个所述摩擦单元的上表面属于同一曲面。
[0042]相应的，本发明还提供一种矢量位移传感器，包括所述的发电机，其中，
[0043]在每个所述导电单元与等电位之间连接检测装置，所述检测装置用于检测所述电信号;
[0044]当所述第二导电层下表面与所述摩擦单元上表面发生滑动摩擦并且摩擦面积发生改变时，根据检测到所述电信号的检测装置的位置能够确定所述第二导电层的位置，或者根据先后检测到电信号的检测装置的位置确定所述第二导电层的滑动距离、滑动方向或滑动速度。
[0045]优选的，所述检测装置为电流或电压检测装置，所述电信号为电流或电压信号；
[0046]或者,所述检测装置为发光元件或发声元件，当所述发光元件或发声元件检测到所述电信号时输出光信号或声音信号。
[0047]优选的，在每个所述电极单元与等电位之间还包括分压电阻，所述分压电阻与所述检测装置并联或串联。
[0048]优选的，所述发电机包括16个摩擦单元，所述16个摩擦单元以4个为一组，分布在四个方向上形成十字架结构，每组中的4个摩擦单元平行等距排列。
[0049]优选的，所述16个摩擦单元为长条状聚四氟乙烯薄膜，所述摩擦单元的宽度为1mm,长度为2.5cm,摩擦单元之间的距离为2mm。
[0050]相应的，本发明还提供一种发电方法，包括:
[0051]提供下表面设置有第一导电层的摩擦层，所述第一导电层通过负载连接至等电位；
[0052]第二导电层与所述摩擦层的上表面发生相对滑动摩擦、并且导致摩擦面积变化，所述负载上有电流流过。
[0053]与现有技术相比，本发明具有下列有益效果:
[0054]1、首次制作了基于单电极的滑动摩擦发电机，只需要用一个表面设置有第一导电层的摩擦层材料和第二导电层材料(例如聚合物和金属材料)，将第一导电层材料电连接至等电位，便可以制作成发电机。通过摩擦层材料和第二导电层材料的滑动摩擦就可以实现对外输出电能，本发明的滑动摩擦发电机是一种结构简单的单电极式滑动摩擦发电机。
[0055]2、本发明的滑动摩擦发电机的第一导电层(或第一导电单元)需要电连接至等电位，而第二导电层则无需进行任何连接，只要能够保证第二导电层与摩擦层之间能够互相滑动摩擦并且在摩擦过程中摩擦面积发生变化，即可对连接在第一导电层(或第一导电单元)与等电位之间的负载供电。这种结构的发电机可以广泛应用在移动物体上，将移动过程中的相互摩擦转变为电能，例如汽车轮胎与地面的摩擦产生的机械能的收集，或者应用在触摸屏等领域。
[0056]3、本发明的滑动摩擦发电机的各部分都可以采用柔性材料或弹性材料，因此，可以与柔性器件结合使用。
[0057]4、本发明提供了一种利用滑动摩擦发电机的矢量位移传感器，是一种自驱动的传感器，采用摩擦层由多个摩擦单元构成的发电机，第二导电层在摩擦单元上滑动或移动时，连接在与摩擦单元对应的第一导电单元与等电位之间的检测装置能够检测电信号，不需要为传感器提供电源，主要依靠物体在移动过程中，先后触发的摩擦单元与第二导电层之间滑动摩擦产生的电信号即可追踪移动物体的移动方向、移动距离和移动速度，并且可以实现对物体位置的定位。本发明的矢量位移传感器不需要额外提供电源，除了可以应用在小型器件例如触摸屏中，也特别适用在不便于进行电源更换的环境中。
[0058]5、本发明的滑动摩擦发电机，以及利用滑动摩擦发电机的矢量位移传感器，摩擦层或摩擦单元的材料采用绝缘材料，材料的选择范围广，选择环境友好的材料可以进行大面积的铺设，是一种应用范围广泛的能量收集装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0059]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。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0060]图1为本发明滑动摩擦发电机的典型结构示意图；
[0061]图2为本发明滑动摩擦发电机的发电原理示意图；
[0062]图3为第一导电层下表面设置在第一基板上、第二导电层的上表面设置在第二基板上的发电机结构示意图；
[0063]图4为摩擦层的上表面和第二导电层的下表面为弯曲表面的发电机结构示意图；
[0064]图5为摩擦层的上表面和第二导电层的下表面为凹凸结构不平整表面的发电机结构示意图；
[0065]图6为摩擦层由多个摩擦单元构成的发电机的发电过程示意图；
[0066]图7为摩擦层由多个摩擦单元构成，以及第一导电层由多个第一导电单元构成的发电机的发电过程示意图；
[0067]图8为第二导电层由多个第二导电单元构成的发电机结构示意图；
[0068]图9为多个第二导电单元的下表面，以及多个摩擦单元的上表面属于同一曲面的发电机结构示意图；
[0069]图10至图12为矢量位移传感器的一个具体实施例图片。
【具体实施方式】
[0070]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。
[0071]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。
[0072]现有的滑动摩擦发电机是通过两种摩擦电材料互相摩擦产生表面电荷转移从而将机械能转变为电能来发电，这种结构不仅使发电机的结构复杂，而且需要两个电极层用于输出产生的电能，限制了摩擦发电机的应用。本发明提供一种单电极式的滑动摩擦发电机，技术方案是，依靠存在电极序差异的导电材料和摩擦电材料之间的互相摩擦产生表面电荷，并且通过将摩擦电材料的电极层电连接至等电位，为连接在电极层与等电位之间的负载或外电路供电。
[0073]本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)与金属材料招箔接触时，招箔带正电，即得电子能力较弱，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)带负电，即得电子能力较强；而聚合物尼龙与铝箔接触时，聚合物尼龙表面带正电，即得电子能力较弱，铝箔带负电，即得电子能力较强。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。
[0074]本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
[0075]下面结合附图详细介绍本发明滑动摩擦发电机的【具体实施方式】。
[0076]本实施例的滑动摩擦发电机的典型结构参见图1，发电机包括:摩擦层100，摩擦层100的下表面接触设置第一导电层200，第一导电层200电连接至等电位400 ;摩擦层100上方设置的第二导电层300，第二导电层300的下表面与摩擦层100的上表面相对设置；当摩擦层100的上表面与第二导电层300的下表面发生相对滑动摩擦，同时摩擦面积在滑动过程中发生变化时，在第一导电层200和等电位400之间输出电信号。如果在第一导电层200和等电位400之间连接负载或需要供电的外电路500，在负载或外电路500有电流流过。第一导电层200为设置在摩擦层下表面的电极层，也即本发明的发电机的电极。
[0077]摩擦层100与第二导电层200的材料存在摩擦电极序差异，在外力作用下互相摩擦并且使互相接触的面积发生改变时，能够为连接在电极层200与等电位300之间的负载或外电路400提供电源。下面以图1的结构为例详细介绍本发明的发电机的工作原理，发电机各部分的结构、材料等信息。
[0078]本发明的发电机的工作原理参见图2，由于摩擦层100与第二导电层300的材料存在电极序差异，二者之间存在得电子能力的差异，以摩擦层100得电子能力强而第二导电层300更容易失去电子为例，当第二导电层300的下表面与摩擦层100的上表面接触时，使摩擦层100上表面带有负电荷，而第二导电层300则带正电荷。如图2中a图所示。在外力F作用下摩擦层100与第二导电层300相对滑动并且使接触面积发生变化后，破坏了在摩擦层100和第二导电层300表面电荷的平衡，摩擦层100上多余的负电荷会对第一导电层200上的电子有排斥力，因此，电子会从第一导电层200向等电位400流动，如图2中b图所示，从而使连接在第一导电层200与等电位之间的负载或外电路有电流流过。当摩擦层100和第二导电层200完全分离后，摩擦层100与第一电极层200整体的正负电荷达到平衡，并没有电子的流动，第二导电层300下表面无正电荷，如图2中c图所示。当反方向的外力F使摩擦层100与第二导电层200发生相对滑动，摩擦层100的上表面和第二导电层300下表面互相摩擦并使接触面积改变，由于第二导电层300上正电荷对第一导电层200上正电荷的排斥作用，将导致电子从等电位400向第一导电层200流动，对连接在第一导电层200与等电位之间的负载或外电路输出电流，如图2中d图所示。当摩擦层100和第二导电层300完全接触后，摩擦层100与第二导电层200的正负电荷平衡，此时，并没有电子在外电路中流动，如图2中a图所示，在第一导电层200与等电位之间观察不到电流输出。如此往复，形成脉冲电流。
[0079]现有的依靠两种摩擦电材料进行摩擦并产生电信号输出的发电机中，均需要在摩擦电材料的表面沉积电极层，用于在两种摩擦电材料互相摩擦而导致两种材料表面的电荷不平衡而产生电势时通过两个电极层传输电荷。本发明的滑动摩擦发电机与现有的滑动摩擦发电机的不同之处在于，只需要在摩擦层的下表面设置第一导电层(即电极层)，另外一个摩擦材料层选自导电材料(即第二导电层)并将第一导电层与一等电位(地或等电势)电连接，负载或者外电路连接在第一导电层与等电位之间即可，发电机产生电能的输出不需要在第一导电层与第二导电层之间进行，本发明的发电机不仅简化了制备过程，而且是一种应用广泛的将机械能转变为电能的滑动摩擦发电机。
[0080]根据上述的发电原理可以看出，摩擦层100和第二导电层300之间摩擦电极序的差异是产生可输出电信号的关键，本发明中，优选摩擦层材料为绝缘体材料，第二导电层的下表面或者全部为导电材料。作为摩擦层的绝缘体材料中，优选聚合物绝缘材料。以下聚合物材料均可用于本发明的摩擦层100中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力:聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料供人们参考，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。
[0081]通过实验发现，当摩擦层100的材料与第二导电层300下表面的材料之间得电子能力相差越大，滑动摩擦发电机输出的电信号越强。所以，可以根据上面列出的顺序并结合简单的对比实验，选择合适的聚合物材料作为摩擦层100，以获得最佳的电信号输出性能。
[0082]第二导电层300在发电机中只是提供与摩擦层100进行摩擦的一个摩擦表面，并不作为电极层。因此，第二导电层300可以全部整体采用导电材料，也可以仅为其下表面的一个薄层为导电材料，例如在绝缘体材料的表面制备有导电薄膜作为第二导电层300。第二导电层200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100nm-500 μ m。金属薄膜层可以采用现有的磁控派射、蒸镀和印刷打印等技术来制作。
[0083]摩擦层100的厚度对本发明的实施没有显著影响，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为100nm-5mm,优选I μ m-2mm,更优选10 μ m-800 μ m,更优选20 μ m-500 μ m,这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。设置在摩擦层100下表面的第一导电层200为本发明发电机的电极层，当摩擦层100表面电荷所构成的电场不平衡时，第一导电层200能通过负载或需要供电的外电路与等电位400传输电子，以平衡摩擦层100的电荷。第一电极层200或者第二电极层300选用的导电材料可选自金属、铟锡氧化物或有机物导体，常用的金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；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。由于第一电极层200为电极层，需要与摩擦层100有良好的接触，可以采用现有的磁控溅射、蒸镀和印刷打印等技术在摩擦层的下表面来制备第一电极层。当然，也可以采用较厚的第一电极层100，例如Cu或Al箔，在其表面制备摩擦层材料，实现第一电极层与摩擦层的良好接触。
[0084]参见图3，对于第一导电层200和摩擦层100厚度比较薄的发电机，可以在第一电极层200的下表面设置第一基板600,以增强发电机的强度。同样，对于第二导电层300厚度比较薄的情况(例如采用导电薄膜材料)，还可以在第二导电层300的上表面设置第二基板700,以增强第二导电层300的机械强度。第一基板与第一导电层的结合、第二基板与第二导电层的结合可以采用常规的方法，例如粘贴、或者可以采用现有的磁控溅射、蒸镀和印刷打印等技术，在基板表面制备导电材料层。当然对于第一导电层或第二导电层厚度较大的情况，发电机也可以包括第一基板或第二基板，将导电层设置在基板上，来支撑导电层或者将第一或第二导电层与其他器件进行隔离。
[0085]第一基板600和第二基板700的材料选择无特殊要求，可以为导体、绝缘体或半导体，例如铝板或硅片。第一基板600和第二基板700可以为柔性基板也可以为硬性基板，例如橡胶或玻璃板。
[0086]为了提高发电机的输出性能，优选在所述摩擦层100的上表面，和/或，所述第二导电层300的下表面，全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，以增加摩擦层100和第二导电层300的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度。所述微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。还可以在摩擦层100的上表面和/或第二导电层300的下表面通过纳米材料的点缀或涂层的方式，获得表面的微结构。
[0087]除上述的在摩擦层(或第二导电层)表面进行物理改性的方法外，也可以对相互摩擦的摩擦层100和/或第二导电层300的表面进行化学改性，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:
[0088]一种方法是对于相互摩擦的摩擦层100和第二导电层300，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括:氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括: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，从而在摩擦层材料表面引入氨基。
[0089]另外一种方法是对于相互摩擦的摩擦层100和第二导电层300，在极性为正的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PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯(TEOS)，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(CTAB)的金纳米粒子，由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层或电极层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。
[0090]本发明中所述的第一导电层200电连接至等电位400中是本发明的关键，所述等电位400为可以提供大量电荷的装置，所述等电位可以为地或者等电位电路，所述的电连接可以为第一导电层200通过负载或者需要供电的外电路连接至等电位，当第二导电层与摩擦层互相摩擦使第二导电层表面与摩擦层表面的的整体的电荷平衡被破坏，等电位400中的电荷可以通过负载或者外电路传输到第一导电层上，即所述电信号施加在所述负载或者需要供电的外电路上。在本发明中，第一导电层200可以直接通过负载与等电位电连接；第一导电层200也可以通过需要供电的外电路与等电位电连接，也可以采用负载与外电路并联连接在第一导电层200与等电位400之间。所述的外电路可以为简单的电阻，也可以为较复杂的电路，在这里不做特别限定，只要能够将等电位与电极层进行电连接，且电阻不为零即可。所述的需要供电的外电路可以为照明设备等用电器。
[0091]本发明的发电机中，摩擦层100或第二导电层300可以为柔性材料，也可以为硬性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦效果，如需摩擦面维持平面，还可以通过其他部件的支撑来实现，例如图3中增加基板的实施例。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择摩擦层100和第二导电层300的材料硬度。采用柔性材料制成的发电机其优势在于柔软轻薄的摩擦层或第二导电层受到轻微的外力作用就会发生形变，而这种形变会引起两个摩擦材料层(摩擦层100和第二导电层200)的相对位移，从而通过滑动摩擦向外输出电信号。柔性材料的使用使本发明的纳米发电机可以在生物和医学领域中得到广泛的应用。在使用的过程中还可以用具有超薄、柔软、具有弹性和/或透明的高分子材料做基底，进行封装以方便使用并提高强度。显然，本发明公开的所有结构都可以用相应的超软并具有弹性的材料做成，从而形成柔性的滑动摩擦发电机。另外，第一导电层200也可以采用柔性材料，使整个发电机为柔性器件。
[0092]本发明发电机的最典型结构中，摩擦层100的上表面和第二导电层300的下表面相对接触设置，无论是否有外力施加于其上，二者始终保持面接触，在外力作用下，摩擦层100和第二导电层300发生与接触面相切的相对滑动摩擦。通过控制摩擦层100上表面和第二导电层300下表面的尺寸以及相对位移量，很容易实现在相对滑动摩擦的过程中摩擦面积发生变化。
[0093]在本发明的其他实施例中，在未受外力作用时，摩擦层100和第二导电层300可以为不接触设置，只要在外力作用下，摩擦层100的上表面和第二导电层300的下表面能够接触并发生与接触面相切的相对滑动摩擦即可，而在没有外力作用时，摩擦层100和第二导电层300可以完全分离。这样的设计能够满足需要间隔式发电的情况，而且摩擦过程可以同时有接触摩擦，也可以有滑动摩擦。实现这一目的的技术手段有很多，可以采用本领域中控制距离的常规部件，例如在第一导电层200下表面和第二导电层300的上表面分别连接绝缘弹簧等部件，但是需要注意使用的弹簧不应限制摩擦层100和第二导电层200之间的相对滑动。这种设计的发电机能够与其他产品结合使用，可以将摩擦层100和第二导电层200分别连接到其他产品中2个互相分隔的部件上，利用这2个部件的间歇性接触(或靠近)和相对滑动来带动发电机工作，从而实现间隔式发电。
[0094]本发明中，摩擦层100的上表面或第二导电层300的下表面可以为平面(参见图1和图3)，也可以为曲面。曲面结构的摩擦层100的下表面或电极层200的上表面也同样可以实现相对滑动摩擦，优选的，摩擦层的下表面和导电层的上表面同为平面或曲面结构，以保证二者的紧密接触。参见图4，摩擦层110整体为弧形结构，特别的，摩擦层110的上表面为弧形，第二导电层310整体为弧形结构，特别的，第二导电层310的下表面为弧形，设置在摩擦层110的下表面的第一导电层210通过负载或外电路510连接至地，在外力F作用下，摩擦层110的上表面与第二导电层310的下表面发生与接触面相切的相对滑动摩擦时，并且摩擦面积发生改变时，连接在第一导电层210和地之间的负载510有电流流过。优选的，摩擦层110的上表面与第二导电层310的下表面为形状互补的曲面，例如为曲率相同的曲面，以保证第二导电层310与摩擦层110的接触面积最大，在外力F作用下，摩擦层110的上表面与第二导电层310的下表面发生与接触面相切的相对滑动摩擦时，能够产生较高的输出电流。
[0095]图1和图4所示的实施例中，摩擦层的上表面和第二导电层的下表面均为光滑平整表面，这样的结构需要摩擦层与第二导电层的相对滑动空间较大，而且对于摩擦层与第二导电层的尺寸相差较大时的情况，无法满足摩擦层与第二导电层互相摩擦过程中接触面积变化的要求。因此，本发明的发电机中，摩擦层的上表面和第二导电层的下表面可以制备为不平整表面，摩擦层与电极层互相滑动时摩擦层的下表面与电极层的上表面不完全接触，参见图5，摩擦层120的上表面为凹凸结构的不平整表面，第二导电层320的下表面为凹凸结构的不平整表面，摩擦层120下表面设置的第一导电层220通过负载520连接至等电位420，当摩擦层120与第二导电层220在外力作用下发生相对滑动，并使接触面积发生变化时，连接在第一导电层220与等电位420之间的负载520有脉冲电流流过。本实施例中，还可以适用在摩擦层的上表面或者第二导电层的下表面较小的情况，在摩擦层的上表面和第二导电层的下表面制备不平整表面，在外力作用下摩擦层的上表面和第二导电层的下表面互相摩擦时能够满足摩擦面积的变化，从而可以将外力的机械能转变为电能。
[0096]本发明中，优选为摩擦层的上表面与第二导电层的下表面尺寸相当，以保证在互相滑动过程中能够出现接触面积最大的情况。更优选的，摩擦层的上表面与第二导电层的下表面面积和形状完全相同。
[0097]在本发明的其他实施例中，摩擦层可以由多个摩擦单元构成，多个摩擦单元的上表面共同形成摩擦层的上表面；当所述摩擦单元的上表面与所述第二导电层的下表面发生相对滑动，同时摩擦面积在滑动过程中发生变化时，在所述第一导电层和所述等电位之间输出电信号。其中，所有摩擦单元的下表面设置在第一导电层上。参见图6，摩擦层由摩擦单元131、132、133和134构成，摩擦单元131、232、333和434的上表面共同构成电极层的上表面，摩擦单兀131、232、333和434的下表面设置在第一导电层230上,第一导电层230通过电阻530连接至地，第二导电层330的尺寸可以小于摩擦单元的尺寸也可以大于摩擦单元的尺寸，优选为，第二导电层的下表面不能同时与相邻的两个摩擦单元的上表面接触和摩擦。这里以第二导电层330的尺寸与摩擦单元的尺寸相当为例介绍发电机工作过程，参见图6中a图至e图，初始状态时，第二导电层330的下表面与摩擦单元131的上表面(即摩擦层的上表面)接触并可以相对滑动，未与摩擦单元132、133和134接触。由于摩擦单元材料和第二导电层材料存在电极序差异，因此，第二导电层330下表面带有正电荷，而摩擦单元131上表面则带负电荷，如图6中a图所示。当外力F作用下第二导电层330相对于摩擦单元131向右滑动并且使第二导电层330与摩擦单元131的接触面积发生变化后，电子会从第一导电层230向地流动，如图6中b图所示，使连接在第一导电层230与地之间的电阻530有电流流过，如果在第一导电层与地之间连接检测装置可以检测到脉冲电信号，直至第二导电层330完全与摩擦单元131分离并继续滑动时，在电阻530上无电流流过，参见图6中c图。第二导电层330相对于摩擦单元131继续向右侧滑动摩擦，当第二导电层330的下表面与摩擦单元132的上表面接触并且与摩擦单元132的上表面接触面积最大时，在第二导电层330下表面带有正电荷，摩擦单元132上表面带负电荷，参见图6中d图。第二导电层330相对于摩擦单元132继续向右侧滑动摩擦，并且使第二导电层330与摩擦单元132的接触面积发生变化后，电子会从第一导电层230向地流动，如图6中e图所示，使连接在第一导电层230与地之间的电阻530再次有电流流过。当第二导电层330继续向右侧运动时，重复上述过程，因此可以在电阻上形成脉冲电流。这样结构的发电机，可以应用在摩擦层固定而移动的物体上设置第二导电层进行发电的情况。例如在路面上设置多个摩擦单元，并且将所有摩擦单元的下表面设置在第一导电层上，第一导电层通过负载等连接至等电位，第二导电层设置在车辆上，在车辆行驶过程中第二导电层可以与摩擦单元相对滑动摩擦，从而为负载等提供电信号。本实施例的发电机也可以应用在触摸屏技术中，用于触摸的定位和移动探测。
[0098]上述实施例中，摩擦单元的形状可以为任意形状，优选为多个摩擦单元的形状和尺寸相同，例如都为长条状或正方形块状。多个摩擦单元可以按照任意方式排列，优选为按照预先设定的图形排列，预先设定的图形可以为实际需要的图形，如正方形、长方形、环形、十字形等。例如沿着十字型的四个方向排列。在其他实施例中，优选的，所述摩擦层的下表面不能同时与相邻的两个子电极的上表面接触和摩擦。
[0099]本发明的发电机中，第一导电层也可以由多个第一导电单兀构成，所述多个第一导电单元与所述多个摩擦单元一一对应，即每个摩擦单元的下表面都接触设置一个第一导电单元；每个所述第一导电单元电连接至等电位参。下面结合一个具体的实施例介绍发电机工作过程，参见图7，第一导电层由第一导电单元231、232、233和234构成，并且分别与构成摩擦层的摩擦单元131、132、133和134--对应，每个第一导电单元分别通过电阻530
连接至地。还可以在每个第一导电单元与电阻之间引出输出端A1、A2、A3和A4，所述输出端用于连接检测装置来检测相应的第一导电单元与地之间是否有电信号。初始状态时，第二导电层330的下表面与摩擦单元131的上表面接触并可以相对滑动，未与摩擦单元132、133和134接触。由于摩擦单元材料和第二导电层材料存在电极序差异，因此，第二导电层330下表面带有正电荷，而摩擦单元131上表面则带负电荷，如图7中a图所示。当外力F作用下第二导电层330相对于摩擦单元131向右滑动并且使第二导电层330与摩擦单元131的接触面积发生变化后，电子会从第一导电单元231向地流动，如图7中b图所示，使连接在第一导电单元231与地之间的电阻530有电流流过，在第一导电单元231与地之间引出的输出端Al连接检测装置可以检测到脉冲电信号，直至第二导电层330完全与摩擦单元131分离后继续滑动时，在电阻530上无电流流过，参见图7中c图。第二导电层330相对于摩擦单元131继续向右侧滑动摩擦，当第二导电层330的下表面与摩擦单元132的上表面接触并且在滑动过程中第二导电层330下表面带有正电荷，而摩擦单元132上表面则带负电荷，直到第二导电层330的下表面与摩擦单元132的上表面接触面积最大，由于第二导电层330下表面的正电荷与摩擦单元132上表面的负电荷互相平衡，因此在摩擦单元132下表面设置的第一导电单元232与地之间无电荷流动，参见图7中d图。当第二导电层330相对摩擦单元132继续向右侧滑动并且使第二导电层330与摩擦单元132的接触面积发生变化时，第一导电单元232上由于静电感应会出现正的电荷，使连接在第一导电单元232与地之间的电阻530有电流流过，电流的流动方向是从第一导电单元232向地流动，与图7中b图类似。本实施例中，基板630可以为半导体或绝缘体,优选为绝缘体,例如有机玻璃等绝缘基板。这样结构的发电机，可以应用在摩擦层固定而移动的物体上设置第二导电层进行发电的情况。例如在路面上设置多个摩擦单元以及摩擦单元下表面设置的第一导电单元，每个第一导电单元通过负载等连接至等电位，第二导电层设置在车辆上，在车辆行驶过程中第二导电层可以与摩擦单元相对滑动摩擦，从而为负载等提供电信号。本实施例的发电机也可以应用在触摸屏技术中，用于触摸的定位和移动探测。
[0100]上述实施例中，摩擦单元的形状可以为任意形状，优选为多个摩擦单元的形状和尺寸相同，例如都为长条状或正方形条状。多个摩擦单元可以按照任意方式排列，优选为按照预先设定的图形排列，预先设定的图形可以为实际需要的图形，如正方形、长方形、环形、十字形等。例如沿着十字型的四个方向排列。在其他实施例中，优选的，所述第二导电层的下表面不能同时与相邻的两个摩擦单元的上表面接触和摩擦。
[0101 ] 同样的原理，本实施例中，也可以为第二导电层由多个第二导电单元构成，多个第二导电单元的下表面形成第二导电层的下表面，摩擦单元的上表面与第二导电单元的下表面接触设置并可以相对滑动，第一导电层可以为整体，接触设置在多个摩擦单元的下表面，当然第一导电层也可以采用多个第一导电单元，多个第一导电单元与摩擦单元一一对应的接触设置在每个摩擦单元的下表面，第一导电层或者每个第一导电单元通过电阻连接至地，其工作原理与图6或图7中类似，这里不再详细说明。参见图8，摩擦层由多个摩擦单元131、132、133和134构成，多个摩擦单元设置在第一导电层230上，多个摩擦单元的上表面形成摩擦层的上表面；第二导电层由多个第二导电单元331、332、333和334构成，多个第二导电单元的下表面形成第二导电层的下表面，多个第二导电单元的上表面设置在第二基板730上，第二基板730用于支撑多个第二导电单元，使第二导电层的下表面与摩擦层的上表面接触并可以相对滑动。这样结构的发电机形成有多个发电机机单元形成的发电机组，当第二基板730带动多个第二导电单元与多个摩擦单元发生相对滑动，连接在第一导电层230与地之间的电阻530上有电流流过。实际中通过调节多个第二导电单元、以及多个摩擦单元的距离，能够使尽量多的摩擦单元与第二导电单元发生相对滑动摩擦且接触面积最大。
[0102]图8中只示意出了由多个第二导电单元形成的第二导电层的下表面为平面、由多个摩擦单元形成的摩擦层的上表面为平面的情况，实际中，也可以将第二基板730、以及第一导电层230设计为其他结构，使得多个第二导电单元的下表面位于曲面(例如圆柱面、棱柱面等)上，同时多个摩擦单元的上表面位于同一曲面上，即多个第二导电单元的下表面、以及多个摩擦单元的上表面都属于同一曲面。下面以多个第二导电单元的下表面位于圆柱面为例，介绍本实施例的发电机结构，参见图9，为发电机截面的示意图，第二基板730为圆柱体，多个第二导电单元331、332、333和334均匀分布在第二基板730的圆柱面上，并且多个第二导电单兀的下表面(即远离第二基板730的表面)也位于同一个圆柱面上；第一导电层230采用圆筒状结构，多个摩擦单元131、132、133和134的下表面接触设置在圆筒状第一导电层230的内表面上，并且多个摩擦单元的上表面也位于多个第二导电单元的下表面所在的圆柱面上；第一导电层230通过电阻530与地电连接。这样结构的发电机，多个第二导电单元的下表面与多个摩擦单元的上表面都在同一个圆柱面内，当第一导电层230带动多个摩擦单元与第二基板730带动的多个第二导电单元发生沿着箭头方向的滑动摩擦并且摩擦面积发生变化时，电阻530上有交流电流流过。如果在电阻的两端引出输出端并且连接负载，可以为负载供电。
[0103]由多个摩擦单元构成摩擦层的发电机除了可以将外力的机械能转化为电能外，也可以应用在移动物体的滑动位置或滑动距离等的探测方面，实际应用中将由多个摩擦单元构成的摩擦层设定为静止(或者相对静止)表面，第二导电层为移动物体，每个摩擦单元的下表面分别接触设置一个第一导电单元，每个第一导电单元通过测试设备连接至地，当移动物体在摩擦层表面上滑动产生摩擦单元和第二导电层之间的相对摩擦，并且使接触面积发生变化时，相应的与第一导电单元连接的测试设备能够检测到电信号，据此可以确定移动物体的位置。另外根据先后两个测试设备的测试信号，还可以确定移动物体的移动方向，参见图7,在每个第一导电单兀与电阻530之间引出一个输出端(Al、A2、A3和A4)用于连接接触装置，移动物体330(即第二导电层)尺寸较小，优选的移动物体330仅可以与一个摩擦单元接触，移动物体330与摩擦单元131接触且不相对滑动时输出端Al检测不到电信号(图7中a图所示)，移动物体330相对于摩擦单元向右侧滑动并使接触面积发生变化时，输出端Al检测到电信号(图7中b图所示)，直到移动物体完全离开摩擦单元131时输出端Al检测不到电信号。移动物体330继续向右侧滑动，当与摩擦单元132接触面积最大后并且接触面积发生变化时，在输出端A2可以检测到电信号，直到移动物体与摩擦单元132的接触面积不再发生变化。根据连接在输出端Al与A2的检测设备的检测信号对应的摩擦单元的位置，可以确定移动物体的滑动位置、滑动方向以及滑动距离。因此本发明的滑动摩擦发电机可以对物体移动的方向和位移距离进行准确定位，是对移动物体进行探测的矢量位移传感器。
[0104]位移传感器是通过电位器元件将机械位移转化成与之成线性或者任意函数关系的电阻或者电压输出。矢量位移传感器是在位移传感器的基础上发展起来的，其不但可以用来确定物体移动的方向，同时，也可以用来确定物体移动的位置。现有的矢量位移传感器主要是基于电阻变化型和磁致伸缩型的传感器来实现对位移的准确定位，外部电源供电对于这些传感器的正常工作是必不可少的，依赖外部能源供电的矢量位移传感器不仅在条件恶劣的环境下使用时不便于维护，而且很难在未来的能源危机中得到广泛地应用。利用本发明发电机的矢量位移传感器，无需外部电源供电，是一种自驱动的位移传感器，不仅结构简单制备成本低，而且能够从根本上解决位移传感器对外部电源的依赖，可以长期而稳定工作。
[0105]具体的，根据以上滑动摩擦发电机的工作原理，本发明提供一种矢量位移传感器，包括上述由多个摩擦单元构成摩擦层、由多个第一导电单元构成第一导电层的滑动摩擦发电机，其中，每个所述摩擦单元的下表面接触设置一个所述第一导电单元，在每个所述第一导电单元与等电位之间连接检测装置，所述检测装置用于检测所述电信号；当所述摩擦层上表面与所述第二导电层下表面发生滑动摩擦并且摩擦面积发生改变时，根据检测到所述电信号的检测装置的位置能够确定所述第二导电层的位置，或者根据先后检测到电信号的检测装置的位置确定所述第二导电层的滑动距离、滑动方向或滑动速度。所述多个摩擦单元以及其对应的第一导电单元可以排列设置在基板表面，来固定多个摩擦单元。在每个第一导电单元与等电位之间分别连接检测装置，当第一导电单元与等电位之间有电流流过时，由于第一导电单元与摩擦单元一一对应，因此检测装置能够记录产生电流信号的摩擦单元的位置，相应的就可以确定与第二导电层产生滑动摩擦的摩擦单元的位置，因此可以确定第二导电层的位置。第二导电层先后与两个摩擦单元发生滑动摩擦时，相应的会有两个检测装置先后检测到电信号，根据先后检测到电信号的检测装置的位置、距离和时间，能够确定第二导电层的移动距离、移动方向和移动速度，实现移动物体(第二导电层)的位移感应。多个检测装置可以形成检测系统，在检测系统中可以预先设定每个检测装置与摩擦单元的位置对应关系。
[0106]本发明的矢量位移传感器中，检测装置可以为电流或电压检测装置，用于当所述第一导电单元与所述等电位之间有电流时输出电流或电压信号。在其他实施例中，检测装置也可以为其他通电后可以产生声、光等信号的发光元件或者发声元件，例如蜂鸣器或者LED灯，当发光元件或发声元件接收到所述电信号时能够输出光信号或声音信号。
[0107]本发明的矢量位移传感器，还可以与计算机处理系统连接，所述计算机系统记录各检测装置与多个摩擦单元的对应位置关系、各检测装置检测到电信号的时间，并且根据这些记录信息可以方便的计算出所述摩擦层的滑动距离、滑动方向或滑动速度。
[0108]另外，本发明的矢量位移传感器中，还可以在每个第一导电单元与等电位之间包括分压电阻，分压电阻可以调节第一导电单元与等电位之间的电流或电压。具体的，分压电阻可以与检测装置并联或者串联。
[0109]具体的，可以将每个第一导电单元分别通过分压电阻连接至同一个等电位(例如地)，在每个第一导电单元与分压电阻之间连接检测装置；当设置在移动物体上的第二导电层下表面与摩擦单元上表面发生滑动摩擦并且摩擦面积发生改变时，由于检测装置、第一导电单元和摩擦单元一一对应，因此，所述根据检测到的检测信号的检测装置能够感应移动物体的位置。
[0110]相应的，本发明还提供一种发电方法，包括步骤:
[0111]提供下表面设置有第一导电层的摩擦层，所述第一导电层通过负载连接至等电位；
[0112]第二导电层与所述摩擦层的上表面发生相对滑动摩擦、并且导致摩擦面积变化，所述负载上有电流流过。
[0113]其中，所述摩擦层的材料与第二导电层的材料具有摩擦电极序差异。涉及到的摩擦层、第一导电层与第二导电层的材料和结构可以采用与本发明提到的发电机中的摩擦层第一导电层和第二导电层相同的材料和结构，在这里不在重复。
[0114]实施例一:滑动摩擦发电机的制备
[0115]切割一个长1cmX宽5cmX厚100 μ m的聚二甲基硅氧烷薄膜作为器件的摩擦层，在聚二甲基硅氧烷薄膜的下表面沉积金膜作为第一导电层，用铜导线连接金膜，并和一个电阻相连接，电阻的另外一端接地；用胶布把一片长1cmX宽5cmX厚25 μ m铝箔固定在一个一样大小的有机玻璃材料基板上，该铝箔为第二导电层。将铝箔面向聚二甲基硅氧烷薄膜接触放置，外力作用下当聚二甲基硅氧烷和铝箔发生相对滑动并且摩擦面积发生变化后，连接在电阻两端的电压表有相应的电信号输出，说明能够将外力的机械能转化为电能进行发电。
[0116]实施例二:基于滑动摩擦发电机的矢量位移传感器的制备
[0117]利用激光切割一个长1cmX宽1cmX厚1.59mm的有机玻璃作为利用发电机的传感器的基板材料。利用磁控溅射的方法，在基板上表面制作16个铝电极条作为第一导电单元，第一导电单元的宽度为10mm，长度为3cm。第一导电单元之间的距离为2mm，16个第一导电单元以4个为一组，分布在四个方向上形成十字架结构，每组中的4个第一导电单元平行等距排列，如图10所示。在每个第一导电单元上采用导电胶粘贴一个聚四氟乙烯薄膜作为摩擦单元，摩擦单元的宽度为1mm,长度为2.5cm,厚度为200 μ m,相邻摩擦单元之间的距离为2mm，16个摩擦单元也按照4个为一组，分布在四个方向上形成十字架结构，每组中的4个摩擦单元平行等距排列。用铜导线连接每个第一导电单元，并和一个分压电阻R相连接，分压电阻的另外一端接地，在每个第一导电单元与分压电阻之间引出一个输出端01……15、16，具体连接电路见图11，输出端用于采集电信号。16个输出端分别和检测装置相连接，通过检测装置来实现对16个第一导电单元输出信号的实时采集。切割一个长2cmX宽2cmX厚Imm的铝片作为第二导电层，并放置在多个电极条形成图形的中间空白处。当第二导电层向任何方向滑动时候，其将和聚四氟乙烯摩擦单元相对滑动摩擦并且使接触面积变化，从而在输出端对外输出电信号。并且，当包括第二导电层的物体在传感器上面移动的时候，不同的摩擦单元先后和第二导电层接触，将导致不同的第一导电单元对外输出电信号，通过分析这些信号，可以知道物体在哪个方向移动和移动的位置。当向其中一个方向滑动10mm，得到的数据图像见图12，可以清楚的显示是中心区上方的第一个摩擦单元与物体上设置的第二导电层接触并发生滑动摩擦。
[0118]以上实施例表明通过对输出端这些信号的采集，可以实现对物体移动方向和位置的定位。该矢量位移传感器直接利用单电极式的滑动摩擦发电机作为触发的传感器，不需要外部供电，可以有效的节约能源，并能长期稳定的工作。另外，本发明提供的矢量位移传感器可以根据需要将多个摩擦单元设置为任意形状，并且可以进行大面积设置，可以方便的应用在野外等不便于使用电源的环境中。
[0119]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种滑动摩擦发电机，其特征在于，所述发电机包括: 摩擦层，所述摩擦层的下表面接触设置第一导电层；所述第一导电层电连接至等电位； 所述摩擦层上方设置的第二导电层，所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面相对设置； 当所述摩擦层的上表面与所述第二导电层的下表面发生相对滑动摩擦，同时摩擦面积在滑动过程中发生变化时，在所述第一导电层和所述等电位之间输出电信号。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的上表面材料与所述第二导电层下表面材料存在电极序差异。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第一导电层通过需要供电的外电路连接至地或等电位电路。
4.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第一导电层通过外负载电连接至等电位。
5.根据权利要求1-4任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面接触设置。
6.根据权利要求1-4任一项所述的发电机,其特征在于,在未受外力时所述第二导电层与所述摩擦层不接触，在外力作用下所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面接触。
7.根据权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的上表面材料选择绝缘体。
8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于，所述绝缘体材料选自聚合物材料。
9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。
10.根据权利要求1-9任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的厚度100nm-5mmo
11.根据权利要求1-10任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层下表面的材料选自金属、铟锡氧化物或有机物导体。
12.根据权利要求11所述的发电机，其特征在于，所述金属选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；所述有机物导体选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
13.根据权利要求1-12任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层为薄膜材料。
14.根据权利要求1-13任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层的厚度为10nm-5mmo
15.根据权利要求1-14任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面的全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，或者纳米材料的点缀或涂层。
16.根据权利要求1-15任一项所述的发电机,其特征在于,所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面经过化学改性。
17.根据权利要求16所述的发电机，其特征在于，在所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团。
18.根据权利要求16所述的发电机，其特征在于，在所述第二导电层的下表面和/或摩擦层的上表面，在极性为正的表面引入正电荷，而在极性为负的表面引入负电荷。
19.根据权利要求1-18任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层的下表面为平面或曲面； 和/或，所述摩擦层的上表面为平面或曲面。
20.根据权利要求19所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层的下表面与所述摩擦层的上表面为互补表面。
21.根据权利要求1-20任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的上表面为凹凸结构的不平整表面，所述第二导电层的下表面为凹凸结构的不平整表面。
22.根据权利要求1-21任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层和/或摩擦层为柔性材料或硬性材料。
23.根据权利要求1-22任一项所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层和/或摩擦层为弹性材料。
24.根据权利要求1-23任一项所述的发电机,其特征在于,还包括第一基板,所述第一导电层的下表面设置在所述第一基板上； 和/或 第二基板，所述第二导电层的上表面设置在所述第二基板上。
25.根据权利要求1-24任一项所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层由多个摩擦单元构成，所述多个摩擦单元的上表面形成所述摩擦层的上表面。
26.根据权利要求25所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层的下表面不能同时与相邻的两个摩擦单元的上表面接触和摩擦。
27.根据权利要求25或26所述的发电机，其特征在于，所述摩擦单元的形状为长条状或正方形块状。
28.根据权利要求25-27任一项所述的发电机，其特征在于，所述多个摩擦单元按照预先设定的图形排列。
29.根据权利要求25-28任一项所述的发电机,其特征在于,所述第一导电层由多个第一导电单元构成，所述多个第一导电单元与所述多个摩擦单元一一对应；每个所述第一导电单元电连接至等电位。
30.根据权利要求25-29所述的发电机，其特征在于，所述第二导电层由多个第二导电单元构成，所述多个第二导电单元的下表面形成所述第二导电层的下表面。
31.根据权利要求30所述的发电机，其特征在于，多个所述第二导电单元的下表面在同一个平面，多个所述摩擦单元的上表面在同一个平面。
32.根据权利要求30所述的发电机，其特征在于，多个所述第二导电单元的下表面、以及多个所述摩擦单元的上表面属于同一曲面。
33.一种矢量位移传感器，其特征在于，包括如权利要求29所述的发电机，其中， 在每个所述导电单元与等电位之间连接检测装置，所述检测装置用于检测所述电信号; 当所述第二导电层下表面与所述摩擦单元上表面发生滑动摩擦并且摩擦面积发生改变时，根据检测到所述电信号的检测装置的位置能够确定所述第二导电层的位置，或者根据先后检测到电信号的检测装置的位置确定所述第二导电层的滑动距离、滑动方向或滑动速度。
34.根据权利要求33所述的矢量位移传感器，其特征在于，所述检测装置为电流或电压检测装置，所述电信号为电流或电压信号； 或者，所述检测装置为发光元件或发声元件，当所述发光元件或发声元件检测到所述电信号时输出光信号或声音信号。
35.根据权利要求33或34所述的矢量位移传感器，其特征在于，在每个所述电极单元与等电位之间还包括分压电阻，所述分压电阻与所述检测装置并联或串联。
36.根据权利要求33至35任一项所述的矢量位移传感器，其特征在于，所述发电机包括16个摩擦单元，所述16个摩擦单元以4个为一组，分布在四个方向上形成十字架结构，每组中的4个摩擦单元平行等距排列。
37.根据权利要求36所述的矢量位移传感器，其特征在于，所述16个摩擦单元为长条状聚四氟乙烯薄膜，所述摩擦单元的宽度为10mm，长度为2.5cm，摩擦单元之间的距离为2mm ο
38.一种发电方法,其特征在于,包括: 提供下表面设置有第一导电层的摩擦层，所述第一导电层通过负载连接至等电位；第二导电层与所述摩擦层的上表面发生相对滑动摩擦、并且导致摩擦面积变化，所述负载上有电流流过。
【文档编号】G01D5/12GK104283453SQ201310291321
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】王中林, 杨亚, 张虎林 申请人:国家纳米科学中心