机械能采集装置及其制备方法与流程

文档序号:12681483阅读:310来源:国知局
机械能采集装置及其制备方法与流程

本发明涉及能量采集器领域,特别是涉及一种机械能采集装置及其制备方法。



背景技术:

近年来能量采集的研发和应用发展迅速,将机械能转换为电能的能量采集装置广泛地应用在电子领域和便携式产品领域。目前的机械能采集器主要是利用电磁感应或者压电效应的原理制作的。与利用电磁感应制作的能量采集器相比,利用压电效应制作的能量采集器具有尺寸小、结构简单等优点。但是,传统的利用压电效应制作的能量采集器,输出功率较低,应用时受到限制。



技术实现要素:

基于此,有必要针对利用压电效应制作的能量采集器输出功率低的问题,提供一种输出功率高的机械能采集装置。

一种机械能采集装置,包括依次层叠的第一电极、驻极体薄膜、弹性层和第二电极,其中,所述驻极体薄膜为经过极化处理的驻极体薄膜,所述第一电极和所述第二电极绝缘设置。

在其中一个实施例中,所述机械能采集装置还包括相对设置的第一绝缘薄膜和第二绝缘薄膜,所述第一电极设置在所述第一绝缘薄膜上,所述第二电极设置在所述第二绝缘薄膜上。

在其中一个实施例中,所述机械能采集装置还包括绝缘设置的第一引出电极和第二引出电极;所述第一引出电极设置在所述第一绝缘薄膜上,所述第一引出电极的一端与所述第一电极电连接;所述第二引出电极的一端与所述第二电极电连接,所述第二引出电极的另一端设置在所述第一绝缘薄膜上。

在其中一个实施例中,所述机械能采集装置还包括第三绝缘薄膜,所述第三绝缘薄膜位于所述机械能采集装置的侧面;部分所述第二引出电极设置在所述第三绝缘薄膜上,并且,所述第三绝缘薄膜用于保护所述第二引出电极。

在其中一个实施例中,所述机械能采集装置还包括端子,所述端子与所述第一绝缘薄膜连接,所述第一引出电极远离所述第一电极的一端和所述第二引出电极远离所述第二电极的一端均汇合到所述端子处。

在其中一个实施例中,所述驻极体薄膜靠近所述第一电极的一个表面设有金属层。

一种机械能采集装置的制备方法,包括如下操作:

提供弹性层和驻极体薄膜;

对所述驻极体薄膜进行极化处理;以及

将所述驻极体薄膜和所述弹性层放置在相对设置的第一电极和第二电极之间,得到所述机械能采集装置,其中,所述第一电极和所述驻极体薄膜连接,所述第二电极和所述弹性层连接。

在其中一个实施例中,所述将所述驻极体薄膜和所述弹性层放置在相对设置的第一电极和第二电极之间的操作包括:

提供第一绝缘薄膜、第二绝缘薄膜和第三绝缘薄膜,所述第一绝缘薄膜和所述第二绝缘薄膜通过所述第三绝缘薄膜连接;

在所述第一绝缘薄膜上印刷形成所述第一电极,在所述第二绝缘薄膜上印刷形成所述第二电极;

在所述第一绝缘薄膜上印刷形成所述第一引出电极,所述第一引出电极的一端与所述第一电极电连接,在所述第一绝缘薄膜、所述第二绝缘薄膜和所述第三绝缘薄膜上印刷第二引出电极,所述第二引出电极的一端与所述第二电极电连接,部分所述第二引出电极设置在所述第三绝缘薄膜上,所述第二引出电极的另一端在所述第一绝缘薄膜上;

对折所述第三绝缘薄膜,形成相对设置的所述第一电极和所述第二电极;

将所述驻极体薄膜和所述弹性层放置在相对设置的所述第一电极和所述第二电极之间。

在其中一个实施例中,所述提供相对设置的将第一电极和第二电极的操作还包括:在所述第一绝缘薄膜的一个侧面形成端子,其中,所述第一引出电极远离所述第一电极的一端和所述第二引出电极远离所述第二电极的一端汇合到所述端子处。

在其中一个实施例中,所述对所述驻极体薄膜进行极化处理的操作为:

在所述驻极体薄膜的一面形成金属层;

对形成有所述金属层的所述驻极体薄膜进行高压电晕极化。

上述机械能采集装置,将带有永久电荷的驻极体薄膜放置在两个电极之间,从而在两电极上感应有相应的电荷。通过对此机械能采集装置施加压力、弯曲力或者拉伸力使其发生形变,以致两个电极间产生变化的电压。在两个电极间设置弹性层,目的是在外力作用下增加机械能采集装置的形变量,从而提高机械能采集装置的输出功率。

附图说明

图1为一实施方式的机械能采集装置的结构示意图;

图2为如图1所示的机械能采集装置展开后的电极排布图;

图3为另一实施方式的机械能采集装置的结构示意图;

图4为如图3所示的机械能采集装置展开后的电极排布图;

图5为一实施方式的机械能采集装置的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示的一实施方式中的机械能采集装置10,包括第一电极111、第二电极113、驻极体薄膜120和弹性层130。第一电极111和第二电极113绝缘设置,驻极体薄膜120和弹性层130层叠在第一电极111和第二电极113之间,且驻极体薄膜120靠近第一电极111,弹性层130靠近第二电极113。

其中,驻极体薄膜120为经过极化处理的驻极体薄膜。驻极体薄膜120通常在十几至一百微米的厚度,主要有聚丙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯膜等材料。与采用压敏装置采集机械能的输出功率相比,采用驻极体采集机械能的输出功率会有所提高。驻极体薄膜120是一种具有持久性的固体电介质,极化后驻极体薄膜120将带有永久电荷。可能是

弹性层130使用的材料优选多孔的海绵、泡棉或橡胶等柔软的、弹性较好、压缩量较大的材料,如乙烯-醋酸乙烯共聚物。厚度一般在1mm~10mm。弹性层130的弹性性能,能够增加机械采集装置10受力时的形变量,且不受力时能自动恢复,提高机械能采集装置10的输出功率。若采用柔软的、压缩量大的弹性材料制作弹性层130,则可以进一步提高机械能采集装置10的输出功率。

驻极体薄膜120在进行极化之前,通常先对驻极体薄膜120的一面镀上一层金属层140,或者直接在驻极体薄膜120的一面贴合上一层金属层140。之后再对驻极体薄膜120进行高压电晕极化。极化时,由于驻极体薄膜120的一面上有平整的金属层140,因而对驻极体薄膜120施加电场时,电场线的排布会处于平行且均匀的状态,使得极化后,驻极体薄膜120远离金属层140的一面形成带电均匀的极化面,制成机械能采集装置后,能够提高机械能采集装置的输出功率。金属层的厚度一般为0.1μm~0.5mm。

其中,层叠驻极体薄膜120时,有金属层140的一面朝向第一电极111,远离金属层140的一面朝向第二电极113,并且与弹性层130连接。

在本实施方式中,机械能采集装置10还包括第一绝缘薄膜151、第二绝缘薄膜153和第三绝缘薄膜155。第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153相对设置。第一电极111设置在第一绝缘薄膜151上,第二电极113设置在第二绝缘薄膜153上。

其中,第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153常用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯,厚度通常在0.05mm~1mm,第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153的表面可以印刷电路和涂胶。

结合图2,在本实施方式中,机械能采集装置10还包括第一引出电极161和第二引出电极163。第一引出电极161设置在第一绝缘薄膜151上,且第一引出电极161的一端与第一电极111电连接。第二引出电极163的一端与第二电极113电连接,第二引出电极163的另一端设置在第一绝缘薄膜151上。第二引出电极163有部分位于机械能采集装置10的侧面,并且与第一电极111绝缘。

第三绝缘薄膜155位于机械能采集装置10的侧面。第二引出电极163位于机械能采集装置10的侧面的部分设置在第三绝缘薄膜155上,且第三绝缘薄膜155用于保护第二引出电极163。

电极展开后的排布如图2所示。第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153通过第三绝缘薄膜155连接。第一电极111设置在第一绝缘薄膜151上,第二电极113设置在第二绝缘薄膜153上,第一引出电极161设置在第一绝缘薄膜151上。第二引出电极163通过走线,设置在第一绝缘薄膜151、第二绝缘薄膜153和第三绝缘薄膜155上。第二引出电极163从第二电极113靠近第三绝缘薄膜155的一端引出后,经过第三绝缘薄膜155,并在第一绝缘薄膜151上环绕第一电极111设置。第二引出电极163的一端设置在第一绝缘薄膜151上,另一端与第二电极113靠近第三绝缘薄膜155的一端连接。第一引出电极161和第二引出电极163绝缘设置,第一电极111和第二电极113绝缘设置。

在其他实施方式中,第二引出电极163也可以从第二电极113的其他部位引出。

在其他实施方式中,第二引出电极163也可以在第三绝缘薄膜155环绕后,再将第二引出电极163的一端设置在第一绝缘薄膜151上。

对折第三绝缘薄膜155后,第一绝缘薄膜151位于机械能采集装置10的上部,第二绝缘薄膜153位于机械能采集装置10的下部,第三绝缘薄膜155位于机械能采集装置的侧面。

优选的,第一电极111、金属层140、驻极体薄膜120、弹性层130和第二电极113的尺寸均小于第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153的尺寸。将第一电极111、金属层140、驻极体薄膜120、弹性层130和第二电极113放置在第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153的中部,在通过热熔黏合或者胶水黏合将第一绝缘薄膜151和第二绝缘薄膜153的边缘连接起来,使得第一电极111、金属层140、驻极体薄膜120、弹性层130和第二电极113被第一绝缘薄膜151、第二绝缘薄膜153和第三绝缘薄膜155包裹,可以实现机械能采集装置10防水防尘的目的。

本实施方式中的机械能采集装置可以应用于可穿戴设备,可以承受人体的大压力。特别是应用于足部器件,采集足底压力的机械能,或者是与衣服等纺织物集成,采集弯折拉伸的机械能。

上述机械能采集装置,将带有永久电荷的驻极体薄膜放置在两个电极之间,从而在两电极上感应有相应的电荷。通过对此机械能采集装置施加压力、弯曲力或者拉伸力使其发生形变,以致两个电极间产生变化的电压。在两个电极间设置弹性层,目的是在外力作用下增加机械能采集装置的形变量,从而提高机械能采集装置的输出功率。

如图3和图4所示的另一个实施方式中的机械能采集装置20,包括第一电极211、第二电极213、驻极体薄膜220、弹性层230、金属层240、第一绝缘薄膜251、第二绝缘薄膜253和第三绝缘薄膜255。上述结构与机械能采集装置10相同。

机械能采集装置20还包括第一引出电极261、第二引出电极263和端子270。端子270与第一绝缘薄膜251连接,第一引出电极261远离第一电极211的一端和第二引出电极263远离第二电极213的一端汇合到端子270处。

为了增加端子270的强度,还可以在端子270上增加一个加强片,形成FPC端子。端子270的大小和厚度,第一引出电极261和第二引出电极263的间距等,均按照标准化设计,这样可以使得机械能采集装置20与标准的连接器相连接。端子270通过镀银加强处理,可以增加端子270使用的拔插次数和降低接触电阻。汇合到端子270的第一引出电极261和第二引出电极263的部分线路,可以印刷绝缘漆,防止短路。

端子270可以根据需要设计,如有时需要正反都有对应的连接点,可以通过导通孔来实现,这样可以灵活采用连接器,方便选型和通用。

进一步,可以在第一引出电极261和第二引出电极263露出的部分线路上,增加纳米防水材料,从而实现机械能采集装置20的防水设计。

本实施方式中的机械能采集装置可以应用与可穿戴设备,可以承受人体的大压力。特别是应用于足部器件,采集足底压力的机械能,或者是与衣服等纺织物集成,采集弯折拉伸的机械能。

上述机械能采集装置,将带有永久电荷的驻极体薄膜放置在两个电极之间,从而在两电极上感应有相应的电荷。通过对此机械能采集装置施加压力、弯曲力或者拉伸力使其发生形变,以致两个电极间产生变化的电压。在两个电极间设置弹性层,目的是在外力作用下增加机械能采集装置的形变量,从而提高机械能采集装置的输出功率。

如图5的一实施方式中的机械能采集装置的制备方法,包括如下操作。

S110,提供弹性层和驻极体薄膜。

提供弹性层和驻极体薄膜,并根据需要,将弹性层和驻极体薄膜裁剪成需要的尺寸。

其中,驻极体薄膜为经过极化处理的驻极体薄膜。驻极体薄膜通常在十几至一百微米的厚度,主要有聚丙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯膜等材料。

弹性层使用的材料优选多孔的海绵、泡棉或橡胶等柔软的、弹性较好、压缩量较大的材料,如乙烯-醋酸乙烯共聚物。厚度一般在1mm~10mm。

S120,对驻极体薄膜进行极化处理。

采用电镀或者贴合的方法,在驻极体薄膜的一面上形成一层金属层。金属层的厚度一般为0.1μm~0.5mm。再对形成有金属层的驻极体薄膜进行高压电晕极化。其中,高压电晕极化的具体操作为在放电针上施加几千伏以上的直流电压,由于强电场的作用,放电针周围空气明显击穿,出现电晕放电现象,将待极化的驻极体材料放置在极化台金属板上面,驻极体材料有金属镀层面接触极化台金属板,放电针垂直对中驻极体材料,正对放电针面的驻极体材料将注入相应的电荷。为了获得均匀的极化效果,通常在驻极体材料上下施加一个均匀的电场,通常施加几百伏电压形成电场。

极化时,由于驻极体薄膜的一面上有平整的金属层,因而对驻极体薄膜施加电场时,电场线的排布会处于平行且均匀的状态,使得极化后,驻极体薄膜远离金属层的一面形成带电均匀的极化面,制成机械能采集装置后,能够提高机械能采集装置的输出功率。

S130,将驻极体薄膜和弹性层放置在相对设置的第一电极和第二电极之间,得到机械能采集装置。

提供第一绝缘薄膜、第二绝缘薄膜和第三绝缘薄膜。第一绝缘薄膜和第二绝缘薄膜通过第三绝缘薄膜连接。

针对不同的尺寸要求裁剪好第一绝缘薄膜、第二绝缘薄膜和第三绝缘薄膜。在第一绝缘薄膜上印刷导电材料形成第一电极,在第二绝缘薄膜上印刷导电材料形成第二电极。导电材料主要有导电银浆或导电油墨。第一电极的尺寸小于第一绝缘薄膜,第二电极的尺寸小于第二绝缘薄膜。第一电极和第二电极绝缘设置。

在第一绝缘薄膜的边上形成一个端子作为最终输出端,必要时,可以贴合加强片。

在第一绝缘薄膜上印刷第一引出电极,且第一引出电极的一端与第一电极电连接。在第一绝缘薄膜、第二绝缘薄膜和第三绝缘薄膜上印刷第二引出电极,第二引出电极的一端与第二电极电连接,另一端通过走线设置在第一绝缘薄膜上。第一引出电极和第二引出电极绝缘设置。

第一引出电极远离第一电极的一端和第二引出电极远离第二电极的一端汇合到端子处。端子的大小和厚度,第一引出电极和第二引出电极的间距等,均按照标准化设计,这样可以使得机械能采集装置与标准的连接器相连接。端子通过镀银加强处理,可以增加端子使用的拔插次数和降低接触电阻。汇合到端子的第一引出电极和第二引出电极的部分线路,可以印刷绝缘漆,防止短路。端子可以根据需要设计,如有时需要正反都有对应的连接电,可以通过导通孔来实现,这样可以灵活采用连接器,方便选型和通用。进一步,可以在第一引出电极和第二引出电极漏出的部分线路上,增加纳米防水材料,从而实现机械能采集装置的防水设计。

对折第三绝缘薄膜,使第一电极和第二电极相对设置。

将含有金属层的驻极体薄膜和弹性层放置在相对设置的第一电极和第二电极之间。其中,驻极体薄膜朝向金属层的一面,与第一电极连接,远离金属层的一面,即极化面,与弹性层连接,弹性层再与第二电极连接。

通过裁剪,使得驻极体薄膜的尺寸与弹性层的尺寸均小于第一绝缘薄膜和第二绝缘薄膜。放置驻极体薄膜和弹性层后,驻极体薄膜和弹性层在第一绝缘薄膜和第二绝缘薄膜的中部。将第一绝缘薄膜和第二绝缘薄膜的边缘通过热熔黏合或者现在第一绝缘薄膜和第二绝缘薄膜的边缘内面印刷胶水然后再黏合。经过处理后,第一电极、金属层、驻极体薄膜、弹性层和第二电极被第一绝缘薄膜、第二绝缘薄膜和第三绝缘薄膜包裹起来,可以实现机械能采集装置防水防尘的目的。

上述机械能采集装置的制备方法简单,成本低。通过该机械能采集装置的制备方法制备得到的械能采集装置,将带有永久电荷的驻极体薄膜放置在两个电极之间,从而在两电极上感应有相应的电荷。通过对此机械能采集装置施加压力、弯曲力或者拉伸力使其发生形变,以致两个电极间产生变化的电压。在两个电极间设置弹性层,目的是在外力作用下增加机械能采集装置的形变量,从而提高机械能采集装置的输出功率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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