平面滑动摩擦纳米发电机、光束方向调节器和光衰减器组的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米及微/纳机电系统（MEMS/NEMS)技术领域，尤其涉及一种平面滑 动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组。
【背景技术】
[0002] 近年来，王中林教授研究组发明了摩擦纳米发电机，其原理基于摩擦生电和静电 感应现象，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下 器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，两种聚合物具有不同的得失电 子能力，从而产生电荷分离并形成电势差，两个金属极板通过静电感应在表面生成感应电 荷，感应电荷在摩擦电电势的驱动下流经外电路即可形成电流。对于仅3cm 2大小的单层摩 擦纳米发电机，其输出电压可以高达200~1000V，输出电流为100 μ A，可以瞬时带动几百 个LED灯、无线探测和传感系统以及为手机电池充电等。摩擦纳米发电机的特点是以柔性 聚合物膜为基本结构，易加工，器件使用寿命长，容易和其他加工工艺集成，相比压电纳米 发电机和其他形式的能量采集器具有更高的输出电压和功率，可以为个人电子产品、环境 监控、医学科学等中的MEMS/NEMS器件提供自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力。
[0003] 随着微/纳机电系统（MEMS/NEMS)技术的发展，及其在人体健康实时监测、基础设 施监测、环境监测、物联网以及军事技术上的广泛应用，解决小范围的用电问题显得格外重 要。由于蓄电池技术具有供电持久性差、对环境污染严重和材料资源消耗大等局限性，无法 满足传感器网络的工作环境和MEMS/NEMS技术日益发展的需求。因此，大力开发微纳级可 持续性自驱动电源技术，解决MEMS/NEMS器件对可持续性自驱动电源的需求将是未来科技 发展的一个重心。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束 方向调节器和双路光衰减器组，以利用平面滑动摩擦纳米发电机输出的高电压驱动压电式 和静电式的光调制器，实现对光束方向和强度的调控，解决微机械器件和MEMS器件对外电 源的依赖和自驱动技术等问题。
[0006] (二）技术方案
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机。该平面滑动摩擦 纳米发电机包括：动摩擦块120 ;下静摩擦层110,位于动摩擦块120的下方，包括：沿第二 方向延伸的两下摩擦块-第一下摩擦块111和第二下摩擦块112，该两下摩擦块111、112沿 与第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层130,位于动摩擦块120 的上方，包括沿第一方向延伸的两上摩擦块-第一上摩擦块131和第二上摩擦块132,该两 上摩擦块131、132沿第二方向排列并彼此相互绝缘；其中，下摩擦块111、112的材料与上摩 擦块131、132的材料相同或不同，且两下摩擦块111、112和两上摩擦块131、132的材料与 动摩擦块120的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；当动摩擦块120沿第一方向运 动时，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块111和第二下摩擦块112产生摩擦，从而在该两 下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的第 一上摩擦块131和第二上摩擦块132产生摩擦，从而在该个两上摩擦块之间产生第二电势 差。
[0008] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的光 束方向调节器。该光束方向调节器还包括：第一压电双晶片210 ;以及第二压电双晶片220， 其在水平面的投影与第一压电双晶片210在水平面的投影相互垂直；其中，平面滑动摩擦 纳米发电机中两下摩擦块111U12分别电性连接至第二压电双晶片220的两电压输入端， 用于控制该第二压电双晶片220的弯曲变形；两上摩擦块131U32分别电性连接至第一压 电双晶片210的两电压输入端，用于控制该第一压电双晶片210的弯曲变形。
[0009] 根据本发明的又一个方面，还提供了一种利用上述光束方向调节器的光束方向调 节方法。该光束方向调节方法中，光源的出射光束依次经过第二压电双晶片220和第一压 电双晶片210末端的两次反射后出射；平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111U12输 出的电势差用于驱动第二压电双晶片220产生弯曲变形，从而使得出射光束在上下方向产 生位移；平面滑动摩擦纳米发电机中两上摩擦块131U32输出的电势差用于驱动第一压电 双晶片210产生弯曲变形，从而使得出射光束在左右方向产生位移。
[0010] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的双 路光衰减器组。该双路光衰减器组还包括：第一光衰减器310 ;以及第二光衰减器320 ;其 中，平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块（111U12)分别电性连接至第一光衰减器310 的两电压输入端，由该两上摩擦块输出的电势差来控制该第一光衰减器310的衰减率；两 上摩擦块131、132电性连接至第二光衰减器320的两电压输入端，由该两下摩擦块输出的 电势差来控制该第二光衰减器320的衰减率。
[0011] 根据本发明的又一个方面，还提供了一种利用上述双路光衰减器组的主动式光 衰减方法。该主动式光衰减方法中，第一光衰减器310的前端通过光纤连接至第一激光 器330,后端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两下摩擦块 111、112,由该两下摩擦块输出的第一电势差控制该第一光衰减器310的衰减率，进而调节 第一激光器330的输出功率；第二光衰减器320的前端通过光纤连接至第二激光器350,后 端通过光纤输出，其电压输入端连接至平面滑动摩擦纳米发电机中的两上摩擦块131、132， 由该两上摩擦块输出的电势差控制该第二光衰减器320的衰减率，进而调节第二激光器 350的输出功率。
[0012] (三）有益效果
[0013] 从上述技术方案可以看出，本发明平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向 调节器和双路光衰减器组具有以下有益效果：
[0014] (1)通过平面滑动摩擦纳米发电机将环境中的机械能转化为电能，直接用于对微 执行器供电，避免了使用蓄电池技术所带来了供电持久性差、对环境污染严重等问题，具有 加工能耗低、材料绿色环保等优点；
[0015] ⑵能够实现宏观运动对微观运动的控制，无需外接电源和机械连接，对实现高 效、节能的MEMS/NEMS器件、微/纳机器人、光开关和物联网等领域中的应用具有积极意义。
【附图说明】
[0016] 图1为根据本发明实施例平面滑动摩擦纳米发电机的结构示意图；
[0017] 图2为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在X方向运动的工作原理图；
[0018] 图3为图1所示平面滑动摩擦纳米发电机在Y方向运动的工作原理图；
[0019] 图4为根据本发明第二实施例光束方向调节器的结构示意图；
[0020] 图5为图4所示光束方向调节器中压电双晶片的结构示意图；
[0021] 图6为图4所示光束方向调节器中平面滑动摩擦纳米发电机中动摩擦块分别在X 和Y方向运动时，光点在接收屏上位移的测试结果；
[0022] 图7为根据本发明实施例双路光衰减器组的结构示意图；
[0023] 图8为图7所示双路光衰减器组中光衰减器的结构示意图；
[0024] 图9为图7所示双路光衰减组中平面滑动摩擦纳米发电机中动摩擦块分别在X和 Y方向运动时，两路光功率衰减的测试结果。
[0025] 【本发明主要元件符号说明】
[0026] 100-平面滑动摩擦纳米发电机；
[0027] 110-下静摩擦层；
[0028] 111-第一下摩擦块； 112-第二下摩擦块；
[0029] 120-动摩擦块；
[0030] 130-上静摩擦层；
[0031] 131-第一上摩擦块； 132-第二上摩擦块；
[0032] 200-光束方向调节器
[0033] 210-第一压电双晶片；
[0034] 211-上片压电片； 221-下片压电片；
[0035] 220-第二压电双晶片；
[0036] 230-激光器；
[0037] 300-双路光衰减器组
[0038] 310-第一光衰减器；
[0039] 311-左固定件