振动式的纳米发电机的制作方法

本发明涉及纳米发电技术领域，具体地，涉及一种振动式的纳米发电机。

背景技术：

在如今全球经济迅速发展的同时，能源问题日渐成为焦点，如何收集自然界中的各种能源来缓解能源危机成为研究的重点。其中，压电和磁电技术的出现使得能量收集相比于传统技术更为有效。近几年，纳米摩擦技术的发展使得基于摩擦起电和静电感应耦合技术制成的摩擦纳米发电机在收集滑动、转动等机械运动过程中产生的能量时占据着重要的地位。虽然，基于摩擦效应制成的纳米发电机被证明能够有效地收集机械能，但是此种方式收集能量的方式单一，存在一定的局限性。因此，需要提供一种可采用多种方式进行能量收集的发电机，以此来提高能量收集的效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种振动式的纳米发电机，用于解决上述技术问题，至少部分的解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种振动式的纳米发电机，该纳米发电机包括：第一振动板和第二振动板，所述第一振动板和所述第二振动板的一端相互接触且被固定而形成固定端，所述第一振动板和所述第二振动板相对表面的材料的摩擦系数相异以使所述第一振动板和所述第二振动板在振动并相互接触摩擦时产生电势差，所述第一振动板比所述第二振动板长；磁铁部件，固定于所述第一振动板中未被固定且超出所述第二振动板的边缘的部分；线圈，设置在靠近所述磁铁部件的位置上，以当所述磁铁部件随所述第 一振动板振动时在线圈两端产生电势差。

优选地，所述纳米发电机还包括：与所述第一振动板和所述第二振动板分别电连接的第一导线对；以及与所述线圈两端分别电连接的第二导线对。

优选地，所述纳米发电机还包括第一缓冲部件，所述第一缓冲部件固定于所述磁铁部件的表面。

优选地，所述纳米发电机包括至少两个磁铁部件，所述至少两个磁铁部件分别固定于所述第一振动板中未被固定且超出所述第二振动板的边缘的部分的上下表面。

优选地，所述磁铁部件固定于所述第一振动板中靠近非固定端的部分。

优选地，所述第一振动板包括：振动板和位于振动板表面的金属层；所述第二振动板包括：振动板、位于振动板表面的金属层、以及位于金属层的表面的摩擦层。

优选地，所述纳米发电机包括两个所述第二振动板和一个所述第一振动板；所述第一振动板位于两个所述第二振动板之间。

优选地，所述纳米发电机还包括第三振动板，所述第三振动板在所述第二振动板的固定端处与所述第二振动板接触且被固定而形成固定端，所述第二振动板位于所述第三振动板和所述第一振动板之间；所述第三振动板和所述第二振动板相对表面的材料的摩擦系数相异以使所述第三振动板和所述第二振动板在振动并相互接触摩擦时产生电势差，所述第三振动板比所述第一振动板短。

优选地，所述纳米发电机还包括：与所述第三振动板和所述第二振动板分别电连接的第三导线对。

优选地，所述纳米发电机还包括重物部件，所述重物部件固定于所述第三振动板与所述第二振动板不相接触的另一侧表面上，且靠近所述第三振动板中非固定端的另一端。

优选地，所述第三振动板包括：振动板和位于振动板表面的金属层。

优选地，所述摩擦层的材料包括如下材料中至少一种：聚四氟乙烯，聚酰亚胺，聚甲醛，聚酰胺，聚乙二醇丁二酸酯，聚己二酸乙二醇酯，纤维素，再生纤维海绵，苯乙烯丙烯共聚物，人造纤维，聚甲基，聚乙烯醇，聚酯，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，天然橡胶，聚碳酸酯，聚氯醚，液晶高分子聚合物和聚氨酯柔性海绵。

优选地，所述金属层的材料包括如下材料中至少一种或其中多种材料的合金：金、银、铝、铂和铜。

优选地，所述金属层采用金属箔进行制作。

优选地，所述纳米发电机还包括第二缓冲部件，所述第二缓冲部件固定于所述重物部件的表面。

优选地，所述线圈数量为1至5中的任意数量。

优选地，所述纳米发电机包括5个线圈，还包括长方体盒子状基底，在基底内壁的一面固定第一振动板和第二振动板，其余5个面上均设置线圈。

通过上述技术方案，纳米发电机包括：第一振动板和第二振动板，所述第一振动板和所述第二振动板的一端相互接触且被固定而形成固定端，所述第一振动板和所述第二振动板相对表面的材料的摩擦系数相异以使所述第一振动板和所述第二振动板在振动并相互接触摩擦时产生电势差，所述第一振动板比所述第二振动板长；磁铁部件，固定于所述第一振动板中未被固定且超出所述第二振动板的边缘的部分；线圈，位于所述纳米发电机中靠近所述磁铁部件的位置上，以当所述磁铁部件随所述第一振动板振动时在线圈两端产生电势差。如此在振动时，能够基于摩擦效应和电磁效应进行发电，增加能量收集模式，提高了能量收集的效率，并且本发明中纳米发电机的结构简单，制造成本低廉。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的振动式的纳米发电机的剖面示意图；

图2是根据本发明一实施例的振动式的纳米发电机的剖面示意图；

图3是根据本发明一实施例的振动式的纳米发电机的剖面示意图；

图4是根据本发明一实施例的振动式的纳米发电机的摩擦部输出电流与输出电压的示意图；以及

图5是根据本发明一实施例的振动式的纳米发电机的磁电部输出电流与输出电压的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明中的纳米发电机包括：第一振动板、第二振动板、磁铁部件和线圈。第一振动板和第二振动板的一端相互接触且被固定而形成固定端，第一振动板和第二振动板相对表面的材料的摩擦系数相异以使第一振动板和第二振动板在振动并相互接触摩擦时产生电势差，第一振动板比第二振动板长。磁铁部件固定于第一振动板中未被固定且超出第二振动板的边缘的部分。进一步地，纳米发电机可包括至少两个磁铁部件，至少两个磁铁部件分别固定于未被固定且超出第二振动板的边缘的部分的上下表面。例如，磁铁部件可固定于所述第一振动板中靠近非固定端的部分。如此可增加能量输 出。线圈位于纳米发电机中靠近磁铁部件的位置上，以当磁铁部件随第一振动板振动时在线圈两端产生电势差。选择性地，线圈的圈数大于2000匝。其中，第一振动板和第二振动板组成摩擦部，利用摩擦效应进行发电；磁铁部件和线圈组成磁电部，利用磁电效应进行发电。

其中，纳米发电机还可包括：与第一振动板和第二振动板分别电连接的第一导线对；以及与线圈两端分别电连接的第二导线对。如此，通过第一导线对从摩擦部向外部电路输出电信号，通过第二导线对从磁电部向外部电路输出电信号。

其中，纳米发电机还可包括第一缓冲部件，第一缓冲部件固定于磁铁部件的表面，以在振动时对磁铁部进行保护。

其中，第一振动板和第二振动板相互接触的表面可具有纳米材料的修饰或涂层。

其中，线圈数量可为1至5中的任意数量。例如，纳米发电机包括5个线圈，分别位于纳米发电机中除第一振动板和第二振动板的固定端所在面之外的五个面上。如此，能够增加能量输出。

上述纳米发电机是基于摩擦效应和磁电效应的振动式复合型纳米发电机。当施加的外力振动发电机基底时，发电机内部的第一振动板和第二振动板发生振动，使得第一振动板和第二振动板之间不断接触分离，从而应用摩擦效应产生电势差。同时，由于磁铁部件随着第一振动板的振动在上下运动，固定在纳米发电机的固定部件上的线圈会切割磁感线，从而在线圈两端产生电势差。如此能够基于摩擦效应和磁电效应的两种方式进行发电。

如图1所示，第一振动板可包括：振动板b3和位于振动板b3表面的金属层a5、a6；第二振动板可包括：振动板b2，位于振动板b2表面的金属层a3、a4，以及位于金属层a3、a4的表面的摩擦层c1、c2。

其中，摩擦层c1、c2的材料可包括如下材料中至少一种：聚四氟乙烯， 聚酰亚胺，聚甲醛，聚酰胺，聚乙二醇丁二酸酯，聚己二酸乙二醇酯，纤维素，再生纤维海绵，苯乙烯丙烯共聚物，人造纤维，聚甲基，聚乙烯醇，聚酯，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，天然橡胶，聚碳酸酯，聚氯醚，液晶高分子聚合物和聚氨酯柔性海绵。

金属层a3、a4、a5、a6的材料可包括如下材料中至少一种或其中多种材料的合金：金、银、铝、铂和铜。金属层a3、a4、a5、a6可采用磁控溅射、蒸镀或印刷打印方法制作。金属层a3、a4、a5、a6也可采用金属箔进行制作，例如金属铝或铜箔，来达到组装时工艺简单，成本低廉的目的。

举例而言，如图1所示，振动板b3、b2为钢板，金属层a3、a4、a5、a6材料为铜，摩擦层c1、c2材料为fep(氟乙烯丙烯共聚物)。第一振动板与第二振动板一端对齐并由亚克力固定件固定形成固定端，第一振动板长于第二振动板，第一振动板非固定端(即自由端)的上下表面固定有磁铁e1、e2。磁铁e1、e2的附近固定有线圈d1、d2、d3。磁铁e1、e2的表面上分别设置有第一缓冲部件f2、f3，其材料为海绵。

如上所述。纳米发电机包括：通过外力使基底g1(亚克力)振动从而随之振动而使一端变形并且振动过程中变形程度不同从而两摩擦材料不断接触分离的摩擦部，摩擦部包括第一振动板和第二振动板；以及磁铁运动输出信号的磁电部，磁铁部包括磁铁部件和线圈。此外，纳米发电机还可包括第一缓冲部件、第一导线对和第二导线对。当发生振动时，纳米发电机在外力的驱动下不断运动。一方面，由于振动板b3、b2在外力作用下发生振动，未固定一端上下运动，第一振动板的金属层a5和第二振动板的摩擦层c2之间不断接触分离，相邻两个面的摩擦材料不同，根据摩擦效应，由于两侧材料的摩擦系数不同，将在两个摩擦面产生不同的电荷，第一振动板的金属层a5和第二振动板的摩擦层c2之间可具有摩擦电极序列差。第一导线对 中一根导线与第一振动板的金属层a5连接，另一根导线与第二振动板的金属层a4连接，进而对外输出电信号。另一方面，当纳米发电机振动时，中间第一振动板非固定端固定有磁铁部件e1、e2，磁铁部件e1、e2随着第一振动板的振动上下运动，根据磁电效应，穿过线圈d1、d2、d3的磁通量会发生变化，进而在线圈d1、d2、d3两端产生电位差，第二导线对中两根导线分别与线圈两端连接实现点信号对外输出。其中，第二导线对的数量与线圈数量相同，每个线圈对应一用于导出电信号的第二导线对。当对纳米发电机提供外力，使第一振动板的非固定端的不断振动时，线圈d1、d2、d3不断切割磁感线，便可实现能量的持续输出。

基底g1可以为盒子形状，将第一振动板和第二振动板的固定端固定在基底的内部，如图1中所示；基底g1也可以为支架状等其他形状，具体结构不作为对本发明的限定。以基底g1为长方体形状盒子为例，可以在盒子内壁的一面固定第一振动板和第二振动板，其余5个面上均设置线圈，在磁铁随着第一振动板振动时，5个线圈均可以产生电磁感应。

如图2所示，纳米发电机可包括两个第二振动板和一个第一振动板；第一振动板位于两个第二振动板之间。相应地，第一导线对数量为两个，一个第一导线对的两根导线分别与第一振动板的金属层a5和一个第二振动板的金属层a4连接，另一个第一导线对的两根导线分别与第一振动板的金属层a6和另一个第二振动板的金属层a7连接。

在一实施例中，纳米发电机还可包括第三振动板，第三振动板在第二振动板的固定端处与第二振动板接触且被固定而形成固定端，第二振动板位于第三振动板和第一振动板之间；第三振动板和第二振动板相对表面的材料的摩擦系数相异以使第三振动板和第二振动板在振动并相互接触摩擦时产生电势差，第三振动板比第一振动板短。

其中，纳米发电机还可包括：与第三振动板和第二振动板分别电连接的 第三导线对。

其中，纳米发电机还可包括重物部件，重物部件固定于第三振动板与第二振动板不相接触的另一侧表面上，且靠近第三振动板中非固定端的另一端。如此，来促进振动板进行振动。

其中，第三振动板可包括振动板和位于振动板表面的金属层。

其中，第二振动板和第三振动板相互接触的表面具有纳米材料的修饰或涂层。

本实施例中通过多层结构，增大了摩擦产生的电信号的输出。

举例而言，如图3所示，纳米发电机包括摩擦部a1～a10、b1～b5、c1～c4和磁电部e1～e2、d1～d3，磁电部件e1、e2上分别设置第一缓冲部件f2、f3，还可包括第一缓冲部件f2、f3，以及第一导线对、第二导线对和第三导线对(图中未示出)。此外，在两个第三振动板上分别设置重物部件g2、g3，重物部件g2、g3上分别设置第二缓冲部件f1、f4。其中，a1～a10材料为铜，b1～b5为钢片，c1～c4材料为fep，f1～f4材料为海绵，g1～g3材料为亚克力。

上述所述材料为示例性说明，本发明不限于此，例如，摩擦层c1～c4的材料可包括如下材料中至少一种：聚四氟乙烯，聚酰亚胺，聚甲醛，聚酰胺，聚乙二醇丁二酸酯，聚己二酸乙二醇酯，纤维素，再生纤维海绵，苯乙烯丙烯共聚物，人造纤维，聚甲基，聚乙烯醇，聚酯，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，天然橡胶，聚碳酸酯，聚氯醚，液晶高分子聚合物和聚氨酯柔性海绵。金属层a1～a10的材料可包括如下材料中至少一种或其中多种材料的合金：金、银、铝、铂和铜。金属层a1～a10可采用磁控溅射、蒸镀或印刷打印方法制作。金属层a1～a10也可采用金属箔进行制作，例如金属铝或铜箔，来达到组装时工艺简单，成本低廉的目的。

金属层a2、a5、a6、a9既分别与摩擦层c1～c4摩擦，又作为金属电 极，钢片b1～b5作为振动板。金属层a3、a4、a7、a8只作为电极，而不进行摩擦。上述电极分别与导线对(例如，第一导线对、第三导线对)的导线连接输出电信号，构成摩擦发电机的输出端。第一振动板、第二振动板和第三振动板的固定端由亚克力板进行固定。在纳米电动机的五个面上共设置五个圆形线圈，在中间最长的第一振动板上下各固定一个方形磁铁部件e1、e2，线圈在靠近磁铁部件e1、e2的面上。磁铁部件e1、e2可跟随第一振动板的上下振动而运动。每个线圈的两端分别与对应的第二导线对的导线相连，构成磁电发电机的输出端。当将纳米发电机的振动时，一方面，由于摩擦部可振动部分在外力作用下振动，一端发生形变，导致每个摩擦部分两摩擦面不断接触分离，根据摩擦效应，由于两侧材料的摩擦系数不同，将在两个摩擦面产生不同的电荷，对外输出电信号；另一方面，由于磁电部的磁铁部件在随着第一振动板的振动上下运动，根据磁电效应，穿过线圈的磁通量会发生变化，进而在线圈两端产生电位差，实现对外输出。如果纳米发电机振动，便会持续对外输出电信号。

以下对上述示例中纳米发电机的制作方法进行如下说明。首先，分别切割两个长80mm×宽40mm×厚1mm、两个长80mm×宽50mm×厚1mm和一个长50mm×宽40mm×厚1mm的亚克力板，并将它们粘贴起来作为放置内部器件的盒子。再切割四个长40mm×宽15mm×厚1mm和四个长15mm×宽15mm×厚1mm的亚克力板，粘成两个凹形结构作为固定第一振动板、第二振动板、第三振动板的固定端的固定架。再分别切两个长80mm×宽40mm×厚3mm、两个长80mm×宽50mm×厚3mm和一个长50mm×宽40mm×厚3mm的亚克力板，在每个面上切割一个直径为27.5mm的圆，在圆形凹槽里分别固定一个线圈，在外层再分别粘上两个长80mm×宽40mm×厚1mm、两个长80mm×宽50mm×厚1mm和一个长50mm×宽40mm×厚1mm的亚克力板封装。制作四个长46.7mm×宽16.6mm×厚0.1mm、一 个长61.7mm×宽16.6mm×厚0.1mm的钢片作为振动板，在两个面上用磁控溅射镀上铜。其中，两个长46.7mm×宽16.6mm×厚0.1mm的钢片在镀完铜之后再固定一层fep。将五个钢片一端固定在一起，其中，长61.7mm×宽16.6mm×厚0.1mm的钢片(第一振动板)在最中间，贴有fep的钢片(第二振动板)在其两侧，无fep的长46.7mm×宽16.6mm×厚0.1mm的钢片(第三振动板)在最外两侧。将钢片一端用上面制作好的凹型结构的固定架固定在亚克力盒子无封装一侧。

对上述制备的纳米发电机的输出性能进行测试。对于摩擦部，分别使用stanfordresearchsystem(斯坦福研究系统)生产的sr570和tektronix生产的dpo3014测量a2和a3、a4和a5、a6和a7、a8和a9间的电流输出和电压输出，结果分别如图4所示。对于磁电部，磁铁e1和e2随着第一振动板的振动上下运动，使用keithely生产的6514分别测量线圈的电流和电压输出，结果分别如图5所示，其中，图5(a)和图5(b)是上层线圈的电流电压输出，图5(c)和图5(d)是下层线圈的电流电压输出，图5(e)和图5(f)是侧面线圈的电流电压输出(两个侧面的电流电压输出相同)，图5(g)和图5(h)是前面线圈的电流电压输出。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。