摩擦-压电-磁电复合式三维空间多自由度微能源采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于能源材料与器件技术领域，涉及摩擦-压电-磁电复合式三维全空间多自由度微能源采集器的器件结构设计和加工方法。
【背景技术】
[0002]能源是人类赖以生存的必需品和社会文明进步的动力，然而，随着全球温室效应的加剧以及能源需求的急剧增长，能源危机是面临的全球一个重大挑战，清洁及可再生能源的研发成为全人类的一个热点课题。另一方面，便携式电子产品和无线传感器的盛行使得在这些器件中的供电问题引起了大量的关注。目前，锂离子电池是实现便携式电子产品和无线传感器供电的主要方式，但其有限的使用寿命和环境污染问题严重制约了其进一步发展。因而，开发新能源对实现便携式电子产品和无线传感器的自供电工作模式具有重要意义和应用价值。
[0003]机械能是周围环境中分布最广且最容易获取的能量之一，它广泛存在于各种物体的运动过程之中，例如人类运动、海洋潮汐以及机器振动。相应地，许多方法也被提出用来将机械能转化为电能，包括电磁感应、静电感应、压电效应和摩擦发电。摩擦发电是一种新型发电方式，是摩擦效应和静电感应效应的结合。在摩擦过程中，具有不同摩擦极性的两种材料相互接触-分离，进而产生电荷转移，形成电流。相对于其他发电形式，摩擦发电具有高输出功率、低成本和可选材料种类丰富等优势。然而，不论哪种形式的发电方式都存在一定的局限性，不能达到对机械能的高效采集，输入的大部分能量以热能、材料形变和物体动能等形式耗散掉。为了解决机械能的高效采集问题，将具有互补工作模式的发电方式集成在同一器件上是一种可行性很高且有效的解决途径，这种思想类似于采用多结太阳能电池采集更多的太阳光谱。此外，三维空间中的机械能常常以多自由度的方式表现出来，例如行驶在颠簸路面的汽车、人类的肢体运动和摆动树枝等。然而，传统设计的能源采集器件往往只能采集某单一方向上的能量，其它方向上的能量被浪费掉，在很大程度上降低了器件的转化效率。因此，设计一种新型的器件结构，实现多方向甚至全空间的能量采集将大幅度提高采集效率，并具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种新型的微能源采集器，将压电单元、摩擦单元和磁电单元集成在同一球面上，不仅能实现多种能源转化方式的复合式采集，而且可以达到对机械能的三维全空间多自由度采集，相对于传统的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，以及更加丰富的应用场合，可以解决便携式电子产品(如手机、MP3、电子表等)和无线传感网络(如森林火灾检测系统、红外传感安防系统等)的自供电问题。
[0005]本发明是采用如下技术方案实现的:
一种摩擦-压电-磁电复合式三维空间多自由度微能源采集器，由外至内依次包含电磁感应线圈、外球壳、压电缓冲层、压电层、摩擦层(包括正性极和负性极)、内部空心的内球壳和磁铁球。
[0006]具体结构为，外球壳内壁覆盖设置压电缓冲层，所述压电缓冲层上覆盖设置压电层，所述压电层上覆盖摩擦层，所述摩擦层由间隔设置的正性摩擦层和负性摩擦层构成，并引出压电层以及摩擦层各自的引线于外球壳外；所述外球壳内装有内置有磁铁球的内球壳，所述内球壳在外球壳内自由运动；所述外球壳外设置电磁感应线圈。
[0007]电磁感应线圈个数为6个，分别位于外球壳的上、下、前、后、左、右6个方位上，其绕线方法采用球面螺旋绕线方法，各线圈之间采用串联方式连接。外球壳与压电层之间隔有压电缓冲层，目的在于增大压电的形变量，进而提高其发电能力，其制备方法采用室温硫化有机硅胶的自组装方法。摩擦单元中的正性摩擦层与负性摩擦层相间排列，所有正性摩擦层连接在一起，所有负性摩擦层连接在一起，正性摩擦层与负性摩擦层之间的电荷转移通过运动单元在二者间的滚动实现。运动单元由磁铁球和空心的内球壳组成，磁铁球位于空心内球壳内部，相对于单纯采用大尺寸的磁铁球而言，这种设计不仅可以增大摩擦单元和电磁单元的发电能力，而且能有效地降低器件的整体质量。
[0008]工作时，由于内球壳的自由运动，在摩擦层表面滚动摩擦，正性摩擦层和负性摩擦层在外球壳内表面相间分布，通过运动单元(内球壳)在二者间的滚动达到正负电荷转移而产生电流的目的。同时，内球壳滚动过程中，不断挤压压电层，也达到产生电流的目的。同时，磁铁球在内球壳内不规则运动，使得电磁线圈内产生磁通量变化，也达到产生电流的目的。
[0009]上述微能源采集器的制造方法，包括如下步骤:
(1)、将外球壳内表面等分为若干份，并计算出每份的平面近似展开图形；
(2)、根据得到的平面展开图形，将压电缓冲层、压电层和正性摩擦层、负性摩擦层依次裁剪为与之相同的图形，并依次粘贴于外球壳内表面；所述正性摩擦层和负性摩擦层间隔设置；
(3)、引出压电层以及摩擦层各自的引线于外球壳外；
(4 )、将包含有磁铁球的内球壳置于被贴片的外球壳内；
(5 )、将若干电磁感应线圈布置于外球壳外表面。
[0010]本发明利用运动单元在空心球壳内的三维空间滚动，从而实现对具有多自由度的运动形式进行机械能采集；同时，通过将具有互补工作模式的压电、磁电、摩擦三种发电单元集成，从而实现对机械能的高效采集。
【附图说明】
[0011]图1表示器件的整体结构示意图。
[0012]图2表不器件的分解不意图。
[0013]图3表示器件的剖面示意图。
[0014]图4表示剖面图的局部放大示意图。
[0015]图5表不外球壳的近似展开不意图。
[0016]图中:1-电磁感应线圈，2-外球壳，3-压电缓冲层，4-压电层，5-摩擦层的正性材料，6-摩擦层的负性材料，7-内球壳，8-磁铁球。
【具体实施方式】
[0017]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]—种摩擦-压电-磁电复合式三维空间多自由度微能源采集器，由外至内，采集器依次包含电磁感应线圈1、外球壳2、压电缓冲层3、压电层4、摩擦层、内球壳7和磁铁球8。
[0019]如图2、3、4所示，包括外球壳2，所述外球壳2内壁覆盖设置压电缓冲层3，所述压电缓冲层3上覆盖设置压电层4，所述压电层4上覆盖摩擦层，所述摩擦层由间隔设置的正性摩擦层5和负性摩擦层6构成，并引出压电层以及摩擦层各自的引线于外球壳2外；所述外球壳2内装有内置有磁铁球8的内球壳7，所述内球壳7在外球壳2内自由运动；所述外球壳2外设置电磁感应线圈1。
[0020]所述压电缓冲层3、压电层4和摩擦层分隔成形状相同的若干等分后依次粘贴于外球壳2的内壁上。
[0021]如图1所示，电磁感应线圈个数为6个，成六面体分布于外球壳的上、下、前、后、
左、右6个方位上，其绕线方法采用球面螺旋绕线方法，各线圈之间采用串联方式连接。
[0022]压电单元和摩擦单元位于外球壳2内部，电磁单元的感应线圈位于外球壳2外部；摩擦-压电-磁电三种发电单元被集成在同一个球壳上，器件工作的基本原理是通过小球在大球壳内三维全空间的滚动而实现在三维全空间的多自由度(如振动、摆动、转动等)能量采集。
[0023]摩擦单元为8等份正性摩擦材料和8等份负性摩擦材料相间排列而成，通过运动单元在二者间的滚动达到正负电荷转移而产生电流的目的。摩擦单元中，所有负性材料并连在一起，所有正性材料并连在一起，有助于降低引线条数。正性材料与负性材料之间的电荷转移通过运动单元在二者间的滚动实现。
[0024]压电层4为柔性压电材料组成(如PVDF)。压电层4与外球壳2之间贴有一层压电缓冲层3，可增大压电层4材料的形变，从而提高发电量。
[0025]压电缓冲层3由实心部分和封