全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备的制作方法

本发明涉及微能源技术领域，更具体地说，它涉及全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备。

背景技术：

物联网作为一个新发展起来的领域，其发展非常迅速，物联网涉及到我们生活中的方方面面，它的庞大网络对我们当前的电子产业带来了新的挑战，在可穿戴电子设备和可植入电子设备的能源需求十分迫切，通常用的是电池和电容器为这些设备供能，由于其容量有限和体积大，必须经常充电或更换，因此变得不实用和不利。从周围环境的机械能或人体运动的生物力学能量中获取能量以实现可持续工作是解决此类问题的最有前景的策略之一。在过去的几年中，摩擦纳米发电机(teng)正在成为一种十分具有潜能的能量采集方法，它具有高性能、轻量级、简单结构、成本低、效益高等优点。

现有的摩擦纳米发电机根据工作模式主要可分为四种类型：接触分离式、相对滑动式、独立滑动式、单电极式，滑动式的摩擦纳米发电机有较大的能量密度，输出较高，传统的相对滑动式和独立滑动式都是采用整块的材料作为摩擦层，没有较好的分离过程，使得电荷转移不能完全转移。此外，传统的滑动模式是仅在一个方向的往复滑动采集机械能，而现实生活中往往是不规则的滑动摩擦，导致摩擦纳米发电机的机械能采集效率较低。

技术实现要素：

为解决现有的摩擦纳米发电机电荷转移能力弱、机械能采集效率较低的问题，本发明提供了全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供一种全向滑动能量采集器件，包括：

至少一个全向能量采集单元；

全向能量采集单元包括滑块以及至少两个阵列分布的固定块，滑块与任意一个固定块构成独立滑动式的摩擦纳米发电机；

滑块、固定块均为栅状结构，固定块包括对称的第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格，所述第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格均由交替设置的奇数位栅格、偶数位栅格构成，奇数位栅格、偶数位栅格分别连接正负电极；

当滑块沿x轴方向滑动时，奇数位栅格与偶数位栅格构成摩擦纳米发电机的电极；

当滑块沿y轴方向滑动时，第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格构成摩擦纳米发电机的电极。

优选的，所述固定块设有两个第一电极、两个第二电极；

两个第一电极位于第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格的相向边缘，并与对应的奇数位栅格连接；

两个第二电极位于第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格的背向边缘，并与对应的偶数位栅格连接。

优选的，所述固定块和/或滑块为柔性基底聚酰亚胺薄膜pi，固定块的摩擦面覆有柔性聚四氟乙烯薄膜ptfe。

优选的，所述栅状结构表面涂有用于实现湿度传感和/或作为一个摩擦层的蚕丝蛋白溶液层。

第二方面，提供一种柔性直供电微系统，包括级联的微能源采集器件和柔性能量管理单元，微能源采集器件和柔性能量管理单元通过柔性印刷电路板fpcb技术或丝网印刷技术集成于同一柔性基底，微能源采集器件为权利要求1-4任意一项所述的全向滑动能量采集器件。

优选的，所述柔性能量管理单元包括整流模块、峰值检测模块、开关模块、降压模块，开关模块串联于整流模块、降压模块之间；

整流模块，用于将微能源采集器件输出的交流脉冲电压转换为直流脉冲电压后输出；

峰值检测模块，包括电压比较器、逻辑电路、rc微分电路，用于对输出的直流脉冲电压进行脉冲检测，并在直流脉冲电压达到峰值时向开关模块发出开关控制信号；

开关模块，用于根据开关控制信号闭合后将整流模块与降压模块导通以实现能量最大化转移；

降压模块，用于将开关模块导通后输出的峰值电压降压后输出。

优选的，所述柔性基底底面覆有pvdf压电薄膜，pvdf压电薄膜与柔性能量管理单元级联。

优选的，所述柔性基底设有热电采集层，热电采集层与柔性能量管理单元级联。

第三方面，提供一种电子设备，包括至少一个上述任意一项所述的全向滑动能量采集器件。

第四方面，一种电子设备，其特征是，包括上述任意一项所述的一种柔性直供电微系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、该系统可收集任意方向的滑动摩擦机械能，解决传统滑动摩擦纳米发电机仅能在某一方向滑动的缺陷，提高对机械能的收集效率；

2、栅格状结构可以实现电荷迅速转移，提高了对能源的收集能力；

3、将摩擦电转化为直流电并进行降压处理，提高能源转换效率；

4、通过使用柔性印刷电路板(fpcb)技术或丝网印刷技术将本发明的各个模块集成一个柔性基底聚四氟乙烯(pi)上面，成为一个可直供电的柔性微系统；该系统集成能量采集、能量管理于一体，可直接作为一个供电系统为常见的电子设备供电；

5、本发明包含的柔性能量管理单元选取尺寸小、功耗低的电子元器件，能量管理模块尺寸小，可以让其具有更好的柔韧性和可弯曲度，与摩擦纳米发电机和电子设备容易集成，对未来科技发展有着广阔的应用前景。

6、对比于传统的电池供电，没有易燃易爆危害和需要定期更换的步骤，节约了地球能源消耗和降低污染。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中单个固定块的摩擦纳米发电机与柔性能量管理单元集成示意图；

图2是本发明实施例中全向能源采集单元的工作原理图；

图3是本发明实施例中多个固定块的摩擦纳米发电机与柔性能量管理单元集成示意图；

图4是本发明实施例中柔性能量管理单元功能框图；

图5是本发明实施例中柔性能量管理单元的电路原理图；

图6是本发明实施例中柔性能量管理单元开关启闭的等效电路图；

图7是本发明实施例中摩擦纳米发电机实验验证输出电压曲线图；

图8是本发明实施例中柔性能量管理单元向储能电容直供电的曲线图。

附图中标记及对应的零部件名称：

101、整流模块；102、峰值检测模块；103、开关模块；104、降压模块；

201、固定块；202、滑块；203、柔性聚四氟乙烯薄膜ptfe；204、柔性基底聚酰亚胺薄膜pi；

301、奇数位栅格；302、偶数位栅格；303、第一电极；304、第二电极；305、第一梳齿状栅格；306、第二梳齿状栅格。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例1-3和附图1-8，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：全向滑动能量采集器件，如图1与图3所示，包括全向能量采集单元。全向能量采集单元包括滑块202以及三个阵列分布的固定块201，分别为s1、s2、s3，相邻固定块201之间上下间距为0.3mm，滑块202与任意一个固定块201构成独立滑动式的摩擦纳米发电机。其中，固定块201可根据需求增加或减少。

如图1所示，滑块202、固定块201均为栅状结构，固定块201包括对称的第一梳齿状栅格305、第二梳齿状栅格306，所述第一梳齿状栅格305、第二梳齿状栅格306均由交替设置的奇数位栅格301、偶数位栅格302构成，奇数位栅格301、偶数位栅格302分别连接正负电极。定义图中最左边第一个栅格为奇数位栅格301，相邻的栅格为偶数位栅格302。栅格上覆铜，每个栅格长度为22mm，宽度为1.7mm。

如图1所示，所述固定块201设有两个第一电极303、两个第二电极304。两个第一电极303位于第一梳齿状栅格305、第二梳齿状栅格306的相向边缘，并与对应的奇数位栅格301连接。两个第二电极304位于第一梳齿状栅格305、第二梳齿状栅格306的背向边缘，并与对应的偶数位栅格302连接。

如图2所示，在本实施例中，所述固定块201和滑块202为柔性基底聚酰亚胺薄膜pi204。固定块201的摩擦面覆有柔性聚四氟乙烯薄膜ptfe203，厚度为0.01-0.1mm。

在本实施例中，所述栅状结构表面涂有用于实现湿度传感和作为一个摩擦层的蚕丝蛋白溶液层。

独立滑动式的摩擦纳米发电机可以实现收集任一方向滑动的机械能，如图1-3所示，其基本工作原理如下：

当滑块202沿x轴方向滑动时，由邻近的奇数位栅格301、偶数位栅格302组成摩擦纳米发电机的两个电极和固定摩擦层，并且奇数位栅格301、偶数位栅格302均各自连接起来作为同一个电极。当自由滑块202沿着一个方向滑动时，滑块202可以实现在奇数位和偶数位之间的快速切换，实现摩擦纳米发电机的电荷快速转移。滑块202采用栅格结构，可以让滑块202的所有栅格同时与固定块201所有的奇数位栅格301或偶数位栅格302接触，朝着某一方向滑动时，所有的滑块202的栅格又与固定块201的奇数位栅格301或偶数位栅格302栅格接触，滑块202上面的正电荷保持不变，滑块202在固定块201上滑动时，固定块201上奇数位和偶数位的电极上的电荷实现快速转移，实现了同时多个邻近栅格实现摩擦发电，可以提高利用率和输出能力。

当滑块202沿y轴方向滑动时，所有的第一梳齿状栅格305与第二梳齿状栅格306组成独立滑块202式的摩擦纳米发电机的摩擦层和电极。当滑块202从s1滑动到s2时，s1的第二梳齿状栅格306与s2的第一梳齿状栅格305组成独立滑块202式的摩擦纳米发电机的摩擦层和电极。在沿y轴滑动时摩擦层的有效面积比较大，输出能量密度高，当滑块202在无规则的滑动时，根据方向的矢量性，可以分解为横向和纵向方向的滑动。

实施例2：一种柔性直供电微系统，如图2与图3所示，包括级联的微能源采集器件和柔性能量管理单元，柔性能量管理单元具有很小的尺寸。微能源采集器件和柔性能量管理单元通过柔性印刷电路板fpcb技术或丝网印刷技术集成于同一柔性基底，微能源采集器件为实施例1中记载的全向滑动能量采集器件。

如图4所示，所述柔性能量管理单元包括整流模块101、峰值检测模块102、开关模块103、降压模块104，开关模块103串联于整流模块101、降压模块104之间。

整流模块101用于将微能源采集器件输出的交流脉冲电压转换为直流脉冲电压后输出。整流模块101采用全波整流的整流桥，直接与摩擦纳米发电机的不同电极连接。

如图4与图5所示，峰值检测模块102包括电压比较器、逻辑电路、rc微分电路，用于对输出的直流脉冲电压进行脉冲检测，并在直流脉冲电压达到峰值时向开关模块103发出开关控制信号。其中，微分电路包括电阻值为1-100mω的电阻r1和电容值为0.1-10pf的电容c1。电压比较器为低功耗过零比较器，检测摩擦纳米发电机输出电压峰值。逻辑电路模块包括两个反相器、一个与门and、电阻值为0.1-10mω的电阻r2和电容值为1-10pf的电容c2。

如图5所示，rc微分电路能够获得脉冲斜率，到达峰值时斜率为0，电压比较器输出低电平，经过第一个反相器inv1转为高电平，第一个反相器inv1输出经过一个rc延时电路和第二个反相器inv2，两个反相器输出为与门and输入，可以减小比较器的输出脉宽，脉宽也为延时电路的延时时间，可以让开关更精确检测到电压峰值。微分器的时间常数(τ＝c1r1)必须比teng电压的每个峰值的持续时间(tw≥5τ)小得多。当比较器切换到“高电平”状态时，由反相器、与门和rc延迟电路(c2-r2)组成的延迟单元将产生控制时间t。t主要由rc延迟电路决定，它的表达公式为t≈-r2c2ln((vi-ve)/ve)。逻辑电路电压为vcc，所以有vi＝vcc，ve＝0.3vcc，所以t≈0.36r2c2。

如图5所示，开关模块103用于根据开关控制信号闭合后将整流模块101与降压模块104导通以实现能量最大化转移，开关模块103为开关mos管。

如图5与图6所示，降压模块104用于将开关模块103导通后输出的峰值电压降压后输出。降压模块104为一个buck电路，由二极管d、电感、电容c3组成，开关闭合瞬间，电感与开关和发电机teng组成一个回路。当开关断开时，由于电感作用产生感应电流，与二极管d和电容c3组成回路，从而实现给电容c3充电。本发明使用的单电感的降压路的柔性能量管理单元模块有尺寸小、基底柔软等优点，便于将其与电子设备相集成化和可穿戴。电感为贴片功率电感，电感的感值为10μh-10h，二极管d为整流二极管1n4007，电容c3的容值为1μf-10f。

实施例3：一种柔性直供电微系统，实施例3与实施例2的不同之处在于：柔性基底底面覆有pvdf压电薄膜，pvdf压电薄膜与柔性能量管理单元级联(图中未显示)。所述柔性基底设有热电采集层，热电采集层与柔性能量管理单元级联(图中未显示)。将压电、热电能源采集器集成起来，实现多功能复合能源采集，同时实现湿度的传感。

实验验证与分析：

通过沿x轴方向、y轴方向以及任意方向滑动摩擦对实施例1中全向滑动能量采集器件输出电压值进行实验，实验结果如图7所示。日常生活中大多数机械运动是不规则的，而当前的大多数摩擦纳米发电机的设计摩擦方式是有规律的，通过阵列的对称栅状结构可以实现收集任意方向滑动的摩擦机械能，对无规律的机械能也能有较高效率收集能力。

通过实施例2中一种柔性直供电微系统的为一个10μf电解质电容进行供电，其直供电曲线图如图8所示。大约在3.5s左右的时间，该系统将储能电容直接充电至22v，具有很高的充电效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。