基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器的制造方法【专利摘要】本发明公开了属于微能源和微机械加工【
技术领域：
】的一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。此能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上依次设置绝缘层、摩擦层，摩擦层上具有滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。本发明的运动能量收集器采用非谐振的结构以获得宽响应频带，覆盖了低频响应区。通过插入绝缘层在两感应电极间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。【专利说明】基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器【
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】[0001]本发明属于微能源和微机械加工【
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】，具体涉及一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。技术背景[0002]机械能量收集器（MechanicalEnergyHarvester)是一种可将环境机械能转换为电能的器件，传统的机械能量收集器按照能量转换的工作原理可划分为电磁式、压电式，及静电式机械能量收集器。其中静电式机械能量收集器中一个电极材料中存储有静电荷，当对电极在外力作用下起振时，两电极极板间电容值发生变化，导致感应电荷量变化，向外电路输出交变电流，典型代表为，AMEMSelectretgeneratorwitheIectrostaticlevitationforvibration-drivenenergy-harvestingapplications,中所述静电式机械能量收集。传统的静电式机械能量收集器通常以驻极体材料作为电荷存储材料作为静电感应源，部分驻极体材料具有较强的电荷存储能力，但其加工工艺通常包含了恒温驻极工艺，耗时长效率低，难以实现流水化，且驻极性能优良的材料通常难以实现微加工工艺，成为该技术推广的瓶颈。传统机械能量收集器普遍存在的另一显著问题是输出功率非常有限，与实际应用尚有一定距离。[0003]近年来Z.L.Wang等人（“NanoscaleTriboelectric-Effect-EnabledEnergyConversionforSustainablyPoweringPortableElectronics，，,TowardLarge-ScaleEnergyHarvestingbyaNanoparticle-EnhancedTriboelectricNanogenerator，，)提出了一种新型的静电式能量收集器，以摩擦起电的原理替代传统静电式机械能量收集器的驻极体作为静电感应源，这类器件的加工过程较传统的含有驻极体材料的器件相比，一方面在工艺方面省去了驻极工艺而得到简化；另一方面器件的输出性能优于传统器件，输出电压可以达到200V以上，输出峰值功率密度可达313W/m2，足以点亮一串LED灯。但是现存的摩擦静电式能量收集器仅可从外部压力等直接作用力中获取能量，因此其应用受限于较窄的范围。摩擦静电式能量收集器的感应电荷源产生于器件工作中的摩擦，因此其加工工艺相较于基于驻极体材料的静电式能量收集器，避开了恒温驻极工艺的技术难点，更易实现加工的流水化。【
发明内容】[0004]本发明的目的在于提供一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。此运动能量收集器通过惯性作用引发滑块运动，收集摆动运动能量，通过滑块重力诱发摩擦起电机制，通过静电感应输出电能。[0005]一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器，此能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上设置绝缘层，绝缘层上设置摩擦层，在摩擦层上放置滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。[0006]所述感应电极的个数为2个，所述感应电极之间具有绝缘层。[0007]所述绝缘层为绝缘塑料；[0008]所述摩擦层的材料为聚合物材料。[0009]所述聚合物材料为PDMS、Kapton、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料、聚苯乙烯或聚氯乙烯。[0010]所述滑块的材料为磨砂玻璃。[0011]上述运动能量收集器，可以在人体摆臂、跨步或机器中的摆动等机械能供体的带动下，将摆动的机械能转化为电能输出，为电路供电。[0012]在外力带动下外壳运动，而内部的滑块依靠自身惯性作用与固定于外壳结构上的摩擦层之间产生相对运动。通过内部滑块的重力诱发摩擦力,触发摩擦生电的过程,利用静电感应原理在感应电极收集电荷。[0013]本发明的有益效果为：本发明的运动能量收集器依靠外力带动外壳运动，而内部的滑块依靠自身惯性作用与固定于外壳结构上的摩擦结构之间产生相对运动，可收集摆动运动能量。采用非谐振的结构以获得宽响应频带，覆盖了低频响应区。通过插入绝缘层在两感应电极间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。【专利附图】【附图说明】[0014]图I为基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器结构示意图；图Ia为收集器的俯视图(不含顶盖)，图Ib为收集器(不含顶盖）的横截面示意图；[0015]其中：1为外壳底座；2为感应电极；3为绝缘层；4为摩擦层；5为滑块。[0016]图2为制备PDMS摩擦结构的工艺流程图。【具体实施方式】[0017]下面将结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明。[0018]本发明利用摩擦起电及静电感应的原理设计了一个用于收集摆动运动能量的收集器，基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器，其结构示意图如图I所示，所示能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极2、绝缘层3、摩擦层4和滑块5;在感应电极2上设置绝缘层3，绝缘层3上设置摩擦层4，摩擦层4上具有滑块5，滑块5与摩擦层4的接触面表面粗糙；感应电极2固定在外壳底部I上，在外力的带动下使外壳运动，内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电，然后通过感应电极输出电能,收集摆动运动能量。[0019]图I中未示出的顶盖，用于形成限制滑块运动的腔。在外部摆动下自由滑块5在外壳内腔体中往复运动，与摩擦层4摩擦富集电荷，同时在感应电极2处产生往复变化的感应电荷，向外电路输出电流。通过插入绝缘层3在两感应电极2间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。[0020]本发明的，基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器的制备方法为：[0021]在外壳底座上固定感应电极，在感应电极上覆盖绝缘层，在绝缘层上覆盖摩擦层，将滑块放置于摩擦层上方，并使用外壳顶盖与底座封装形成完整器件，封装后应保证滑块在腔体内可自由滑动。其中摩擦层制备如图2所示，具体方法如下：[0022](a)在硅片上通过LPCVD(低压力化学气相沉积）的方法生长100_400nm的氮化硅（Si3N4)或氧化硅-氮化硅（SiO2-Si3N4)作为掩蔽层，通过光刻并利用干法刻蚀(如RIE)Si3N4或SiO2-Si3N4得到方孔阵列图形；[0023](b)通过湿法（40-50%K0H溶液恒温65_90°C)刻蚀硅衬底，形成具有方锥孔阵列的娃模板；[0024](c)在硅模板上旋涂PDMS，在50_100°C下恒温固化6_8小时，或室温固化12小时以上；[0025](d)在30%HF溶液中超声处理20-40分钟将PDMS脱模。[0026]滑块的制备方法为：以磨砂玻璃作为原料，制备方法如下：将磨砂玻璃在10-30%的HF溶液中进行10-40分钟超声处理，可在毛面获得密布于表面、特征尺寸为10-50μπι的凹陷结构。[0027]采用了硅刻蚀模板技术制作摩擦材料PDMS结构的模板，并采用HF刻蚀法处理磨砂玻璃，控制摩擦结构尺度，达到尺寸匹配，获得了较大的摩擦系数，优化了起电效果。【权利要求】1.一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，此能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上设置绝缘层，绝缘层上设置摩擦层，在摩擦层上放置滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。2.根据权利要求I所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述感应电极的个数为2个,所述感应电极之间具有绝缘层。3.根据权利要求I所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述绝缘层为绝缘塑料；4.根据权利要求I所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述摩擦层的材料为聚合物材料。5.根据权利要求4所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述聚合物材料为PDMS、Kapton、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料、聚苯乙烯或聚氯乙烯。6.根据权利要求I所述的静电式摆动运动能量收集器，其特征在于，所述滑块的材料为磨砂玻璃。【文档编号】H02N1/04GK103580530SQ201310508572【公开日】2014年2月12日申请日期:2013年10月24日优先权日:2013年10月24日【发明者】王晓红,卢滢先,伍晓明,秦瑾,吕若辰申请人:清华大学