基于静电感应的发电机和发电方法_5

文档序号:9379518阅读:来源:国知局
接触并分离后,其表面带有负电荷,并且这些负电荷可以一直保留,并且在第一部件13相对第一电极层2远离和靠近时,摩擦层5表面带有的电荷并不会影响第一电极层2与第二电极层3之间的电荷流动。
[0112]同样原理,对于第一部件可以与摩擦层的上表面发生滑动摩擦,并且使接触面积发生变化的情况,摩擦层的存在也不会影响发电机的工作。在这种情况下,与实施例二中类似,优选的,第一部件的下表面与摩擦层的上表面形状和尺寸相当,优选为相同。第一部件与摩擦层互相滑动的表面可以都为光滑平整表面,当然,相对于第一部件的下表面制备成图4中凹凸结构的情况,相应的,摩擦层的上表面也相应的制备成凹凸结构的表面。
[0113]对于实施例三中,第一部件不与第二部件中电极层接触的情况,在本实施例中也可以使第一部件不与摩擦层接触,同时也不与第二部件(即第一电极层或第二电极层)接触,由于摩擦层与第一电极层的相对位置固定,因此摩擦层的存在不会影响第二部件中第一电极层与第二电极层之间的电荷移动,只要控制带有电荷的第一部件不与摩擦层接触即可。
[0114]对于第一部件与摩擦层互相接触分离,或者互相滑动的情况,通过选择合适的摩擦层材料,第一部件除了实施例一中提到的绝缘体材料和半导体材料外,也可以为导电材料,例如金属或铟锡氧化物ΙΤ0,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。只要满足第一部件与摩擦层互相能够接触的两个表面的材料存在摩擦电极序差异即可,在二者互相接触时在表面能够形成电荷,互相分离时电荷仍然保留在材料的表面。同样,摩擦层的上表面也可以经过物理或者化学改性,使摩擦层与第一部件接触时能够在第一部件的表面产生更多的电荷。
[0115]对于第一部件自身带有电荷,在相对于第一电极层运动过程中,始终不与摩擦层接触的情况,由于摩擦层5不与第一电极层相对运动,因此,无论摩擦层表面是否带有电荷,都不会影响第二部件中第一电极层与第二电极层中电荷的流动。而第一部件自身带有的电荷,可以通过与发电机以外的其他物体摩擦获得,也可以通过在工作前与发电机本身的摩擦层摩擦获得,还可以通过充电等其他方式获得。
[0116]摩擦层的材料可以为非导电材料,优选绝缘材料,可从实施例一中第一部件的可选材料中进行选择。摩擦层的存在对于第一电极层2可以形成较好的保护作用,因此其表面尺寸和形状优选为至少完全覆盖第一电极层2。优选的,摩擦层也可以覆盖第二电极层3。但是由于摩擦层会增加第一部件13和第二部件之间的垂直分离距离,其厚度也不应过厚,优选为薄片状或者薄膜状,一般选择在1nm到5cm之间,优选10nm到5mm,更优选I μ m至Ij 500 μ m。
[0117]由于第一电极层2为发电机的电极层,优选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2,例如Cu或Al箔,在其表面制备摩擦层5的材料,实现第一电极层2与摩擦层5的接触设置。
[0118]摩擦层可以为分立结构,例如由2个分离的部分组成,其中一个部分覆盖于第一电极层2的表面,另一个部分覆盖于第二电极层3的表面。摩擦层具体的结构和形状可以根据发电机中第一电极层的需要来设置,在不影响发电机工作的情况下保护第一电极层不被磨损。
[0119]本发明的所有实施例中,第一部件、第二部件以及摩擦层均可以为硬性材料或者柔性材料。因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦或者接触摩擦效果,如需第一电极层或者第一部件的表面维持平面,还可以通过其他部件的支撑来实现。
[0120]实施例五:
[0121]本发明提供的发电机,还可以包括隔离层,用于隔离第二部件的第一电极层以及第二电极层,使二者隔离开并且保持设定的相对位置,并且可以使第二部件与其他器件绝缘和隔尚。
[0122]参见图8,第二部件的第一电极层2和第二电极层3均镶嵌在隔离层6中,使第一电极层2与第二电极层3分隔设置并且相对位置固定,并且至少第一电极层2的上表面露出隔离层6。第二电极层3的上表面可以露出或者不露出隔离层6。第一电极层2与第二电极层3可以通过导线或者导电薄膜进行电连接。
[0123]在其他实施例中,隔离层也可以将第一电极层2和/或第二电极层3全部包裹住,参见图9,第一电极层2和第二电极层3的所有表面均被隔离层61覆盖。这样结构的发电机,覆盖在第一电极层2上表面上的隔离层61同时充当了实施例四中的摩擦层的作用。第一电极层2与第二电极层3可以通过导线或者导电薄膜进行电连接。
[0124]在其他实施例中,隔离层和第二部件的两个电极层可以按照层叠方式设置,参见图10,第二部件的第一电极层2和第二电极层3分别设置在隔离层62的上下表面,形成一种多层结构,第一电极层2与第二电极层3可以通过导线或者导电薄膜进行电连接。本实施例中,优选的,第一电极层2、第二电极层3和隔离层62均为薄层结构,有助于减小发电机整体结构,可以将器件小型化。所述多层结构还可以在第一电极层2的上表面设置摩擦层5,用于保护第一电极层的同时可以与第一部件I接触分离或者互相滑动摩擦,使第一部件I表面带有电荷。另外,所述多层结构还可以包括保护层7,设置在第二电极层的下表面,用于保护第二电极层。这种层状的多层结构可以通过常规的半导体器件制备工艺进行制作。
[0125]图10的多层结构中,第一电极层2和第二电极层3均可以为导电薄膜,薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm,优选为100nm-500 μ m。第一电极层2和第二电极层3优选为金属薄膜层,可以采用现有的磁控溅射、蒸镀和印刷打印等技术来制作在隔离层62的上下表面。对于厚度比较大的第一电极层2和第二电极层3,可以采用粘贴等方式设置在隔离层62的上下表面。
[0126]隔离层和保护层的材料优选为绝缘材料或者半导体材料,隔离层与保护层在本发明中并不参与发电机的工作过程,所以材料的选择范围较宽,现有的绝缘材料和半导体材料均可以选取,例如有机物绝缘体材料PDMS、橡胶或玻璃板等,具体材料也可以从实施例一种列举的第一部件可以采用的绝缘材料和半导体中选取。
[0127]隔离层和保护层可以为硬性材料也可以为柔性结构。对于第一电极层2、第二电极层3、隔离层6、摩擦层5以及保护层7均为柔性结构的发电机,使发电机称为一个柔性器件,可以与其他柔性器件结合使用。采用柔性材料制成的发电机其优势在于柔软轻薄的摩擦表面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(第一部件I和第一电极层2或摩擦层5)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,从而形成柔性的发电机。
[0128]在本发明中,第一电极层2和第二电极层3需要电连接,才能在第一电极层2和第二电极层3之间产生电流,第一电极层2可以直接通过负载与第二电极层3电连接,所述的负载可以为简单的电阻(如照明设备),也可以为较复杂的电路(如多个电子元件的串并联电路),在这里不做特别限定,只要能够将第一电极层2和第二电极层3进行电连接即可。
[0129]实施例六:
[0130]相应的,本发明还提供一种发电方法,应用上述的任意一种发电机,包括步骤:
[0131]第一部件I相对于第一电极层2移动,使第一部件I所带的电荷在第一电极层2上的电势改变;
[0132]在第一电极层2与第二电极层之间产生电荷流动形成电流。
[0133]第一部件I相对于第一电极层2移动,可以为第一部件I与第一电极层2的表面发生接触后分离,使第一部件I带有电荷。在第一部件I与第一电极层2互相远离或者靠近过程中,使第一部件I所带的电荷在第一电极层2上的电势改变,第一部件I与第一电极层2之间的静电感应使连接在第一电极层2与第二电极层3之间的负载等上有电流流过。
[0134]第一部件I相对于第一电极层2移动,也可以为第一部件I与第一电极层2的表面互相滑动摩擦,并且在滑动过程中使接触面积发生变化,第一部件I表面带有电荷。在第一部件I与第一电极层2互相滑动过程中,使第一部件I所带的电荷在第一电极层2上的电势改变,第一部件I与第一电极层2之间的静电感应使连接在第一电极层2与第二电极层3之间的负载等上有电流流过。
[0135]第一部件I相对于第一电极层2移动,也可以为第一部件I相对于第一电极层2移动,并且始终不与第一电极层2接触,第一部件I自身带有电荷。在第一部件I相对于第一电极层2移动过程中,第一部件I所带的电荷在第一电极层2上的电势改变,第一部件I与第一电极层2之间的静电感应使连接在第一电极层2与第二电极层3之间的负载等上有电流流过。第一部件所带有的电荷可以为与第一电极层互相接触后分离所带有,也可以为通过其他方式带有。
[0136]其中,所述第一部件、第二部件的第一电极层和第二电极层的材料和结构可以采用本发明前述提到的发电机中的各部分的材料和结构,在这里不在重复。
[0137]实施例七:
[0138]切割一个长1cmX宽1cmX厚Imm的聚甲基丙烯酸甲酯薄板作为基底;在聚酰亚胺薄板的一面沉积铜膜作为第一电极层,另外一面沉积铜膜作为第二电极层;用铜导线链接铜膜并接入电压表;在第一电极层表面粘合一层长1cmX宽1cmX厚75μηι的聚四氟乙烯薄膜作为摩擦层;在第二电极层表面粘合一层长1cmX宽1cmX厚50 μ m的尼龙薄膜作为保护层;将聚四氟乙烯薄膜朝上放置于地面,用鞋底和其周期性的接触后分开,连接在两个铜膜的电压表有相应变化的电信号输出,参见图11,电压表测得两个铜膜之间的电压信号的最大值约650V,说明发电机能够将外力的机械能转化为电能进行发电。
[0139]实
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