专利名称：纳米发电机、纳米发电机组及其自供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米发电机、纳米发电机组及其自供电系统，具体涉及一种用于远距离数据传输且由无线独立运转的纳米发电机驱动的自供电系统。
背景技术：
目前供电系统使用的方式有水力发电，火力发电等，为了控制他们的使用都安装供电控制系统。但是目前由纳米发电机组成的大面积纳米供电系统，没有提出远程，自动的供电控制系统，造成纳米供电系统效率低，无法自动远程控制。现金纳米技术的新兴发展从发明个别组件转移到了能够通过用现代微电子技术集成一组纳米元件来执行一个或多个设计功能的集成系统。一般的集成系统是各种元件，如传感器、变换器、数据处理器、控制器和通信系统的组合。当这些器件的大小缩小到纳米或者微米级别时，能量功耗也降至一个非常低的水平。以商业蓝牙耳机为例，它的能量功耗仅仅大约几微瓦特(数据传输率最高500kbits/s,能量功耗10nW/bit)。纳米器件的能量功耗甚至会更小。在这样一个低能耗水平，它完全可能通过从环境资源，如温和的气流、振动、声波、日光、化学能和/或热能，中寻找能量来驱动设备。为了解决纳米供电系统效率低，无法自动远程控制的缺点，申请号CN200710095913. 6的发明公开了一种供电控制系统，包括控制模块(I)、输出入模块(2)、显示模块(3)、通讯模块(4)、传感器模块(5)及纳米供电系统￠);控制模块(I)连接输出入模块(2)及/或显示模块(3)及/或通讯模块(4)及/或传感器模块(5)内嵌(整合)/外接(连接线)纳米供电系统(6);及控制模块(I)包含处理器、控制电路、资料/程序储存器、传感器比对程序及远程启动程序；及输出入模块(2)处理按键、语音、控制讯号输出入及远程/定时/自动/查询/开关纳米供电系统(6)的设定；显示模块(3)处理图像、语音的输出入、显示及远程/定时/自动/查询/开关纳米供电系统(6)状态的显示；通讯模块(4)处理与外部设备的有线/无线通讯功能包含MODEM、以太网络端口和IEEE802. lib、无线LAN端口、蓝牙、红外线、超宽带、WiMAX、GSM、GPRS、CDMA、PHS及有线/无线射频网络；传感器模块(5)包含温度、湿度、化学成分、物理计量、基因成分、生物成分及其他传感器模块)处理传感器讯号的输出入到控制模块⑴；及纳米供电系统(6)由纳米发电机组成的发电/供电系统。该发明将纳米供电系统结合控制模块，通讯模块和传感器模块，而具有提高纳米供电系统安全、远程控制、使用范围和节省能源的优点。但该供电控制系统产生的电压和电流还是比较小，而且结构过于复杂，成本高。人们生活环境中的机械能是有着可变频率(通常低频率)和强度的丰富但不规则的能量，例如气流、噪音、人类活动，在很大程度上限制了以传统共振器为基础在特定频率下工作的能源采集装置的应用。需要一个合理的设计来容忍多变的环境。利用氧化锌纳米线压电效应的纳米发电机则适用于这个目标。
自2005年以来，本发明人一直在开发这项“自供电纳米技术”，旨在建造一个不用电池的独立、持续、无线自运转的自供电系统。自供电系统将在植入式生物传感器、远程可移动环境传感器、纳米机器人、微机电系统、甚至便携式/可穿戴式个人电子产品的独立、持续、免维护运转中扮演一个非常重要的角色。
发明内容
本发明提供一种纳米发电机、纳米发电机组以及用于远距离数据传输且由无线独立运转的纳米发电机驱动的自供电系统。本发明的一技术方案为一种纳米发电机，包括支撑基底以及设置在支撑基底上下 表面两侧的上电极和下电极，所述上电极分别包括第一氧化锌纳米线阵列层、第一高分子绝缘层和第一导电薄膜，第一氧化锌纳米线阵列垂直生长在支撑基底上，第一高分子绝缘层涂覆于所述氧化锌纳米线阵列层上，第一导电薄膜设置在高分子绝缘层上；所述下电极分别包括第二氧化锌纳米线阵列层、第二高分子绝缘层和第二导电薄膜，第二氧化锌纳米线阵列垂直生长在支撑基底上，第二高分子绝缘层涂覆于所述氧化锌纳米线阵列层上，第二导电薄膜设置在高分子绝缘层上；所述第一导电薄膜和第二导电薄膜成为纳米发电机电压和电流的输出电极。本发明的纳米发电机优选为，所述上电极和下电极中的所述氧化锌纳米线阵列分别生长在多个区域内，区域与区域之间存在间隙，所述高分子绝缘层涂覆于氧化锌纳米线阵列上，并填充区域间隙将氧化锌纳米线阵列分割、包覆。本发明的纳米发电机优选为，所述第一高分子绝缘层和第二高分子绝缘层的材质分别为选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷和P型高分子材料中的一种。本发明的纳米发电机优选为，所述第一高分子绝缘层材质与第二高分子绝缘层材质相同。本发明的纳米发电机优选为，所述第一导电薄膜和第二导电薄膜的材质分别为选自铟锡金属氧化物、石墨烯和银纳米线膜涂层中的一种，或者选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的一种。本发明的纳米发电机优选为，所述第一导电薄膜材质与第二导电薄膜材质相同。本发明的纳米发电机优选为，所述支撑基底为选自娃基底、氣化嫁基底、导电金属板基底、导电陶瓷基底或镀有金属电极的高分子聚合物材料基底中的一种。本发明的纳米发电机优选为，所述纳米发电机还包括封装外壳，所述外壳采用高分子绝缘材质。本发明的另一技术方案为一种纳米发电机组，由所述单体纳米发电机并联或串联组成。本发明的再一技术方案为一种自供电系统，包括所述纳米发电机或所述纳米发电机组，还包括整流电路、储存单元及电能使用单元，所述发电机连接整流电路，整流电路连接储存单元，所述电能使用单元连接储存单元使用其储存的电能；所述整流电路将发电机输出的电流转变为直流电；所述储存单元包括用于存储直流电的电容器或/和电池。本发明提供的纳米发电机的优越效果在于由于在氧化锌纳米线阵列层上采用了高分子绝缘层，绝缘层的存在提供了一个无限高的势垒，阻止氧化锌纳米线上的压电电子通过氧化锌/金属接触面内部导出，而形成压电电场；压电电场进一步在第一电极和第二电极形成感应电荷，感应电荷在外接电路接通的情况下形成电流回路。此外，高分子绝缘层分散的填充在纳米线的空隙并在最顶层形成覆盖层，当沿垂直方向施加外力时，应力可以通过覆盖层传送至所有施力区域下的纳米线，大大提升了纳米发电机的效率；同时覆盖层也包覆在纳米线阵列顶端和周围，在纳米线承受外力作用时起到一定程度的缓冲作用，并强化了纳米线阵列与第一电极层的接触，从而提高了纳米发电机的稳定性。该系统再连接了外部无线信号发射器以后发出的无线电信号在5-10米的距离内能够被商业电台检测至IJ。这项研究证明以氧化锌纳米线发电机构建自供电系统的可行性，并显示了它在无线电生物感测、环境/基础设施监测、传感器网络、个人电子产品、甚至国家安全方面的应用潜力。该纳米发电机依靠当纳米线以非常小的力被动态地拉紧变形时纳米线中生成的压电电势；外部负载中电子的瞬变流动，由于是由压电驱动来平衡两个接触端的费米能级，是纳米发电机的基本机制。纳米发电机产生的功率可能不足以连续不断地驱动设备，但是一段时间内生成的电荷的累积足以驱动设备工作几秒钟。这很适合在传感、基础设施监测、传感器网络领域应用。这些应用的一个普通特性就是，系统中有这么多传感器，每一个传感器都期望独立无线运转，但是它们所有都将通过网络/互联网被连接。每个传感器都不被 要求持续同时运转，反而，它将拥有待命状态和活跃状态的“闪烁”工作模式。待命状态通常较长，而活跃模式较短。待命状态中寻找到并储存的能量可以用来在活跃模式下驱动它。这意味着这些传感器周期性从它们的工作环境中取样并在零点几秒内传送数据。因此，能够使用纳米发电机在环境中从非常小的力中获得能量并在传感器处于待命模式时储存大部分能量。然后，将所收集的能源在活跃模式下被用来触发传感器，快速处理并传输数据。
图I是表示本发明一实施例的纳米发电机制造过程的构成示意图。图2是本发明另一实施例的纳米发电机的上电极结构的剖视示意图。图3是本发明的氧化锌纳米线分区域生长示意图。图4是表示所述纳米发电机产生压电电势的工作机理示意图。图5是所述纳米发电机的纳米线薄膜横截面的扫描式电子显微结构图。图6是表示本发明一实施例的自供电系统的电路设计示意图。图7的(a)表示所述纳米发电机的输出电压，(b)表示所述纳米发电机的输出电流。附图标记说明I-支撑基底，2-上电极，21-第一氧化锌种子层，22-第一氧化锌纳米线阵列层，23-第一高分子绝缘层，24-第一导电薄膜，3-下电极，31-第二氧化锌种子层，32-第二氧化锌纳米线阵列层，33-第二高分子绝缘层，34-第二导电薄膜，4-高分子绝缘层间隙填充部分，5-氧化锌纳米线分区域。
具体实施例方式以下，结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，图I表示本发明一实施例的纳米发电机制造过程的构成示意图。图2是本发明另一实施例的纳米发电机的上电极结构的剖视示意图。图3是本发明氧化锌纳米线分区域生长示意图。图4是表示纳米发电机产生压电电势的工作机理示意图，其表示设计结构中压电电势的分布，支撑基底I中的横向中线表示张力中性面，氧化锌纳米线形成一个表现为连续介质的密集填充的固态膜；如果氧化锌纳米线形成密集填充但有小缝隙或线间可滑动的薄膜，这样在基底被拉伸一侧的纳米线无助于输出电压，而在被压缩一侧的纳米线可创造压电电势降。图5是支撑基底上特定结构的生成态的纳米线薄膜横截面的扫描式电子显微结构图。图6是表示自供电系统的电路设计示意图，图6中左侧标示的“NG”代表纳米发电机，右侧的“U”表不自供电系统的输出电压,对于无线发射器部分,米用光电晶体管作为传感器检测来自发光二极管的光。传感器检测到的信号通过单晶体管无线电频率发送器无线传输。图7的(a)表不所述纳米发电机的输出电压，(b)表不所述纳米发电机的输出电流，当电压达到10V，电流超过O. 6。具体而言，本发明中用于集成自供电系统中的能源的单元包括能量获得存储模块(未图示)。能量采集器从环境中捕捉某种能量(太阳能、热能、机械能和/或化学能)，并将其储存在能量获得存储模块中。由此，收集到的能量被用于驱动系统的其他部件。传感器检 测环境中的变化，数据处理器和控制器进行信息分析。然后，由数据传输发送器将信号发送出去，同时收到反馈。在本实施方式中，例示了一个由用来收获机械能的纳米发电机、低损耗全波整流电桥式整流器、储存能量的电容器、红外光电探测器和无线电数据传输器制成的自供电系统的原型(未图示)。该系统的成功运转是利用纳米发电机用作自供电无线传感器网络的第一证据。如图I所示，自发电集成系统中所用的纳米发电机构成为一个具有包括支撑基底I和以特定结构密集填充的第一、第二氧化锌纳米线薄膜22、32在内的五层结构的自立式悬臂梁。纳米发电机通过在柔性聚酯(PS)支撑基底(Dura-Lar膜TM，厚度220 μ m) I的上下表面上形成上下电极2、3而制成，所述基底I由硅、氮化镓、导电金属板、导电陶瓷或镀有金属电极的高分子聚合物材料等任一种材料构成。如图I所示。首先，一个带有50nm厚的第一氧化锌种子层21和第二氧化锌种子层31的5nm厚的铬粘附层放置在基底的上下表面上选定的IcmX Icm的矩形区域。所述氧化锌种子层21、31通过化学湿选法用于生长密集填充的第一、第二氧化锌纳米线。在以特定结构密集填充的氧化锌纳米线陈列层薄膜22、32的化学生长过程中使用的培养液是等摩尔的Zn(NO3)2 · 6H20水溶液和乌洛托品(HMTA)，浓度为O. IM0所述PS支撑基度I的上下表面的第一、第二纳米线薄膜22、32通过一面朝下将基底放在培养液顶部继续生长。由于表面张力，基底浮在培养液表面。氧化锌纳米线的生长是在机械对流烤箱(型号Yamato DKN400，加利福尼亚，圣塔克拉拉)中以95°C进行了 5个小时。图5是表示基底上呈生成态的氧化锌纳米线的扫描电子显微(SEM)图。纳米线的尺寸大约是直径150nm，长度2 μ m。从横截面图中可看到，氧化锌纳米线以高充填密度从基底上垂直生长，这些纳米线的底部穿过第一、第二氧化锌种子层21、31而结合。为了证实这些纳米线的顶部表面也在均匀的薄膜中紧密结合在一起，使用了镊子夹着这些纳米线的顶部表面。因此，整个氧化锌结构可被视为由两个平行的氧化锌薄膜间充分填充的氧化锌纳米线阵列构成的有特定结构的上下电极2、3。根据生长机理，这些纳米线所在的C轴的轴向为它们生长的方向，如图I所示。然后，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) (MicroChem 950k All)的薄层被以3000rpm的速度旋转而涂覆在基底的双面上，随后在中心矩形区域沉积铬或金涂层作为纳米发电机的电极。所述基底上下表面上的上下电极2、3分别包括所述氧化锌纳米线阵列层22、32、第一、第二高分子绝缘层23、33和第一、第二导电薄膜24、34，所述氧化锌纳米线阵列23、32垂直生长在支撑基底I上，所述高分子绝缘层23、33涂覆于所述氧化锌纳米线阵列层22、32上，第一、第二导电薄膜24、34设置在所述高分子绝缘层23、33上。所述基底上下表面侧的上、下电极2、3中的导电薄膜24、34作为纳米发电机电压和电流的输出电极。作为本发明另一实施例，如表示上电极2结构的剖视图2所示，将用于制作第一电极2的氧化锌种子层21通过射频溅镀于一个预先清洁的支撑基底I上。然后，在第一电极2上覆盖光阻材料，用微加工平板印刷法在光阻材料上开设一个规则的方形窗阵列，如说明书附图3所示，方形窗口内区域，裸露有氧化锌种子，作为氧化锌纳米线阵列生长的区域5，方形窗口间隙存在光阻材料而使氧化锌纳米线无法生长。光阻材料在随后的氧化锌纳米线生长过程中相当于一个分区模具，使氧化锌纳米线只生长在使氧化锌种子暴露的区域上，从而实现氧化锌纳米线阵列22、32的分区域5生长。接下来剥落所有剩余光阻材料，并对纳米线阵列加热退火。然后通过旋涂作为将由聚甲基丙烯酸甲酯构成的高分子绝缘层23 覆盖于氧化锌纳米线阵列22上，并形成氧化锌纳米线区域填充部分4，其将氧化锌纳米线分割成预先设定的区域。最后，采用另一个聚甲基丙烯酸甲酯涂层进行封装外壳封装。第一电极2和第二电极3作为纳米发电机的电压和电流输出电极。局部高放大倍数的扫描电子显微镜照片参见说明书附图5。氧化锌纳米线为半导体，具有一定程度的导电性，当氧化锌纳米线互相接触时，其自身所带的电荷在形变发电过程中会产生相互影响，从而会抵消部分压电电荷，导致发电的输出电量减少，降低了纳米发电机的发电性能。而在本发明中，氧化锌纳米线阵列只在指定的区域或规则区域内生长，相互之间影响较小。由于采用氧化锌纳米线阵列分区域生长的方法，并用高分子绝缘层对其进行分割、包覆，在受到外力作用时，产生压电电荷的纳米线与未直接受压而没有产生压电电荷的纳米线之间形成屏蔽分割，从而阻止了压电电势的降低，进而提高了发电量。最后，整个装置使用聚二甲硅氧烷(PDMS)充分封装以提高机械强度和弹性。纳米发电机有效工作区域的尺寸是IcmX lcm。两条引线分别连接到顶部和底部的电极上。必须指出，作业温度相当低(<100°C )，这样整个过程能够适应柔性电子。另外，在本实施方式中，第一氧化锌种子层21和第二氧化锌种子层22相同由同一材质构成，第一氧化锌纳米线阵列层22和第二氧化锌纳米线阵列层32由同一种材质构成，第一高分子绝缘层23和第二高分子绝缘层23由同一种材质构成,第一导电薄膜24和第二导电薄膜34也由同一种材质构成。所述第一高分子绝缘层和第二高分子绝缘层的材质分别为选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷和P型高分子材料中的一种。第一导电薄膜24和第二导电薄膜34的材质能够为铟锡金属氧化物、石墨烯和银纳米线膜涂层中的一种，或者是金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的一种材料。支撑基底I能够为硅基底、氮化镓基底、导电金属板基底、导电陶瓷基底或镀有金属电极的高分子聚合物材料基底中的一种基底。为了呈现它的工作机制，首先计算了压电电势在纳米线薄膜中的分布。纳米发电机的整个结构模仿一个带有在共同的基底上具有特定结构的纳米线薄膜的悬臂梁。顶部和底部表面的薄膜分别具有单轴结构。然后，计算了当整个结构弯曲时穿过顶部和底部电极的电势差。考虑到基底上生长的氧化锌纳米线阵列在顶端和底端上的结合填充紧密，通过一层薄膜模拟它们来简化计算。通过一个尺寸500 μ mX 500 μ mX 224 μ m的矩形盒子来模拟纳米发电机装置。它是一个三层结构，包括聚合物基底(厚度220 μ m)(注意电极的厚度为IOOnm,因而计算中忽略了它们)顶部和底部表面的两个单晶氧化锌薄膜(分别厚2 μ m)。计算中所使用的氧化锌的材料常数与Ref. 25中的一样。聚合物基底的杨氏模量、泊松比和相对介电常数分别是E=5GPa，v=0. 33，k=3. 2。所有计算都是通过使用计算软件COMSOL来执行的。压电电势的分布是通过把装置结构模拟成一端固定(y=0的平面)且另一端(y=500ym的平面)的边缘被周期性横向施力的悬臂梁来计算的。悬臂中的张力分布不均匀。横梁中沿着I轴与基底平行的均匀张力为O. 2%。为了模拟纳米发电机中的金属电极，结构的顶部和底部表面通过将底部的接地设置为等电势平面。在开路情况下，顶部和底部表面的总电荷一定为零。假定氧化锌薄膜是本质的不掺杂质。压电电势在氧化锌薄膜中大小上有巨大的变化。从所述计算结果中，预测到了一个穿过两个电极的83. 8V的感应电势差。这样一个穿过顶部和底部电极的电势降是外部负载中电子瞬变流动的驱动力。 如果考虑到氧化锌薄膜是由密集填充的纳米线构成的事实，存在两种情况。当纳米发电机弯曲时，考虑到张力的中性面处于基底的中心线，如图4所示，基底的被拉伸表面上的纳米线薄膜遭受拉伸应变，而被压缩表面上的纳米线薄膜遭受压缩应力。首先，考虑到纳米线的生长方向是沿着c轴(氧化锌的极地方向)，如果纳米线间的结合非常强可以形成固态膜，垂直于纳米线的拉伸应力导致沿着c轴方向的压缩应变，从而从纳米线的根部到顶端形成压电电势降。同时，一个相当的压缩应力在基底的底部表面被应用到纳米线上，导致沿c轴的拉伸应变，从而纳米线的顶端获得比根部高的压电电势。因此，顶层和底层的氧化锌薄膜中的压电电势降具有相同的极性，并且建设性地累计起来。这个压电电势分布将在顶部和底部电极中引进感生电荷，从而生成输出电压。上述实施例所述的单体纳米发电机并联或串联组成了纳米发电机组。由纳米发电机组构成了自发电系统。其次，在纳米线间的结合非常弱有线间滑动/缝隙可能性的情况下，不会通过拉伸应力下的基底顶层和底层表面的薄膜生成压电电势。但是，考虑到纳米线充分填充且可彼此拥挤，压电电势降通过受到压缩应力作用的基底底层表面薄膜仍然被创造(见图4)，虽然有一些减少。因此，电势降在顶部和底部电极间也是可以获得的，但是大小与第一种情况下的相比降低不到一半。纳米线间实际的结合情况应该是介于如上讨论的两种情况之间。而且，可知生成态氧化锌纳米线有η型掺杂，其能显著地阻挡压电电势较高一侧，而压电电势低一侧几乎未改变。因此，由于如上所列原因，观察到的纳米发电机的输出电压将比理论上计算的值小。在实际测量中，一个横向的机械触发力作用在该纳米发电机结构的边缘。当纳米线薄膜在3. 56%S^应变率下被拉伸O. 12%时，测量到的输出电压达到10V，输出电流超过
O.6μΑ (相应体积电流密度ImA/cm3，功率密度10mW/c m3)，如图7的(a)和(b)所示。观察到的电压比理论计算值显著要小。获得的能量的储存是通过使用一个连接在纳米发电机和电容器(型号1210，22 μ F± 10%，AVX)之间集成的低损耗全波桥式整流器来实现的。为了证明无线电数据传输的可能性，发明人用单晶体管无线电频率(RF)发送器发出检测到的电信号。振荡频率调整到大约90MHz，用一个商用便携式调幅/调频收音机(CX-39，Coby)来接收传输的信号。首先，只测试到了电路的传送部分。当发送器被储存的纳米发电机收获的能量启动时，收音机收到干扰噪音(支持信息见视频)。由于发送器的低功耗(〈lmW)，纳米发电机的三个应变周期期间生成和储存的能量足够传输信号。由于受接收器质量的限制，所述发送器的最大传输距离在5米以上。然后，将开槽光开关(型号OPB825，OPTEK Technology出品)中的光电晶体管作为光子探测传感器加入系统中来演示自供电系统可以独立无线运转。光开关由一个红外发光二极管(LED)和一个安装在低成本的黑塑料罩中4_宽槽的两对面的NPN型娃光电晶体管构成。发光二极管由一个综合功能发电机(型号DS345,斯坦福研究系统出品)启动照亮光电晶体管,这个发电机拥有作为一个外部输入光源顺序运转的程控电压。由光电晶体管生成的光电流信号利用电容器中储存的能量周期性发出。由于光电晶体管的大能量功耗(100mW)，它要求纳米发电机(该纳米发电机的表现如图7 (a)所示)1000个应变循环获得的能量一起为光电晶体管和发送器提供动力(驱动时间20-25ms )。当它每次被启动时,通过光电晶体管收到的信号调制传输信号，信息就被收音机收到，已解调信号就从耳机插孔被记录。启动发光二极管的电压顺序的每个循环包括一个开(16ms) /关(5ms) /开(5ms) /关(IOms)的状态顺序。收音机被调整在一个大约90MHz的避免商业无线电信号的频率下工作。当光电晶体管和发送器被启动时，检测到超过噪声本底的脉冲。如果放大这个脉冲，它包含了拥有作为发光二极管启动电压顺序 的相同波形包络的信息段。这表明无线电数据传输已经通过这种自供电系统实现了。关于本发明的纳米发电机结构，有三个因素对功率输出特性很重要纳米线的长度、基底的厚度和纳米发电机的形变量。从实用角度看，有两种模式触发纳米发电机，哪种模式取决于纳米发电机在环境中搜寻到的机械能的形式。对于纳米发电机在恒应力下启动的情况，例如气流，计算结果显示两个电极间的压电电势随着纳米线长度的增长或基底厚度的降低而增长。当施加的张力恒定时，例如当纳米发电机通过刚性的触发源桥的振动被驱动时，压电电势以相对之前情况的反方向变化。从而，通过调整两个相互矛盾的因素即基底的厚度和纳米线阵列的长度，根据从环境中搜寻的能量特性使其对特定工作环境的功率收获效率最大化，而将该装置最优化。增加的张力也能够显著提高输出电压。此外，氧化锌是一种生物相容的环保材料。纳米线薄膜能够在任何一种基底和任何形状的基底上在很低的温度下(〈100°c)生长。这些优点对于它在柔性/可伸缩的电子产品和很多领域中的产业应用是决定性的。总之，利用通过低温化学法以特定结构密集生长在聚合物基底上的氧化锌纳米线薄膜已经作为一种收获低频机械能的有效方法被展示出来。拥有自由悬臂梁构造的纳米发电机的制造由五层结构组成柔性聚合物基底、纳米种子层、具有有特定结构的氧化锌纳米线薄膜、高分子绝缘层以及导电薄膜层。对于Icm2大小的纳米发电机，应变率为3. 56%^1的场合，当它被拉紧变形至O. 12%时，测量到的输出电压达到了 10V，输出电流超过了 O. 6 μ A(对应功率密度10mW/cm3)。通过储存纳米发电机生成的电能,展示了一个能够独立无线运转的自供电系统。系统由纳米发电机、整流电路、储存能量的电容器、传感器和射频数据传输发送器组成。系统发出的无线电信号在5-10米的距离内通过商业电台被检测到。这项研究证明以氧化锌纳米线发电机构建具有远距离数据传输能力的自供电系统的可行性，清晰地证明了它在无线电生物感测、环境/基础设施监测、传感器网络、个人电子产品、甚至国家安全方面的潜在应用。本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均 落入本发明的范围。
权利要求
1.ー种纳米发电机，包括支撑基底、设置在支撑基底上下表面两侧的上电极和下电极，其特征在干， 所述上电极分别包括氧化锌纳米线阵列层、第一高分子绝缘层和第一导电薄膜，所述氧化锌纳米线阵列垂直生长在支撑基底上，第一高分子绝缘层涂覆于所述氧化锌纳米线阵列层上，第一导电薄膜设置在高分子绝缘层上； 所述下电极分别包括氧化锌纳米线阵列层、第二高分子绝缘层和第二导电薄膜，所述氧化锌纳米线阵列垂直生长在支撑基底上，第二高分子绝缘层涂覆于所述氧化锌纳米线阵列层上，第二导电薄膜设置在高分子绝缘层上； 上、下电极中的所述第一导电薄膜和第二导电薄膜成为纳米发电机电压和电流的输出电极。
2.根据权利要求I所述的纳米发电机，其中，所述上电极和下电极中的所述氧化锌纳米线阵列分别生长在多个区域内，区域与区域之间存在间隙，所述高分子绝缘层涂覆于氧化锌纳米线阵列上，并填充区域间隙将氧化锌纳米线阵列分割、包覆。
3.根据权利要求I所述的纳米发电机，其中，所述第一高分子绝缘层和第二高分子绝缘层的材质分别为选自聚甲基丙烯酸甲酷、聚ニ甲基硅氧烷和P型高分子材料中的ー种。
4.根据权利要求3所述的纳米发电机，其中，所述第一高分子绝缘层材质与第二高分子绝缘层材质相同。
5.根据权利要求I所述的纳米发电机，其中，所述第一导电薄膜和第二导电薄膜的材质分别为选自铟锡金属氧化物、石墨烯和银纳米线膜涂层中的ー种，或者选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的ー种。
6.根据权利要求5所述的纳米发电机，其中，所述第一导电薄膜材质与第二导电薄膜材质相同。
7.根据权利要求I所述的纳米发电机，其中，所述支撑基底为选自硅基底、氮化镓基底、导电金属板基底、导电陶瓷基底或镀有金属电极的高分子聚合物材料基底中的ー种。
8.根据权利要求I所述的纳米发电机，其中，所述纳米发电机还包括封装外壳，所述外壳采用高分子绝缘材质。
9.ー种纳米发电机组，其特征在干，由权利要求1-8所述的单体纳米发电机并联或串联组成。
10.ー种自供电系统，其特征在于，包括权利要求1-8所述的纳米发电机或权利要求8所述的纳米发电机组，还包括整流电路、储存単元及电能使用単元，所述发电机连接整流电路，整流电路连接储存单元，所述电能使用单元连接储存单元使用其储存的电能； 所述整流电路将发电机输出的电流转变为直流电； 所述储存単元包括用于存储直流电的电容器或/和电池。
全文摘要
本发明提供纳米发电机、纳米发电机组及其自供电系统，所述纳米发电机包括支撑基底以胶设置在支撑基底上下表面两侧的上下电极，所述电极分别包括氧化锌纳米线阵列层、高分子绝缘层和导电薄膜，氧化锌纳米线阵列垂直生长在支撑基底上，高分子绝缘层涂覆于所述氧化锌纳米线阵列层上，导电薄膜设置在高分子绝缘层上；导电薄膜成为纳米发电机电压和电流的输出电极。自供电系统能够使用纳米发电机从环境中非常小的力中获得能量并在传感器处于待命模式时储存大部分能量；并且将所收集的能源在活跃模式下用来触发传感器，快速处理并传输数据；在无线电生物感测、环境/基础设施监测、传感器网络、个人电子产品、甚至国家安全方面的应用具有巨大潜力。
文档编号B82Y40/00GK102683573SQ20121014238
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者张岩, 王中林, 胡又凡, 许晨 申请人:纳米新能源(唐山)有限责任公司