本发明涉及可穿戴智能装置领域，尤其涉及一种驻极体自发电可穿戴装置。
背景技术：
可穿戴装置，例如手环，佩戴在手腕上可起装饰作用且具有美感，是人体常见的佩戴饰品。日常生活中的人手臂、脚臂等运动无时无刻不消耗着机械能，特别是人体步行及跑步过程中，若通过一种智能可穿戴装置将这种消耗的机械能转化为电能加以转化利用，会在能源转化方面具有重大的实际应用价值。除此之外，常规有源充电的缺点是需要寻找充电源头，或者插座，或者移动电源。
此外，现有的可穿戴装置发电主要依据压电原理、温差原理发电、电磁原理发电，但其由于存在发电电压小，电流小的缺点，不易被可穿戴传感器件使用。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种驻极体自发电可穿戴装置，充分利用人体或动物手臂、脚臂等在运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，实现了机械能到电能的有效转换，解决了人或动物可穿戴相关智能电子器件长期供电的能量收集问题；电压、电流及动能到电能的转换效率有很大的提高，便于可穿戴传感器使用。
(二)技术方案
本发明驻极体自发电可穿戴装置包括：外条形弹性带；内条形弹性带，与所述外条形弹性带相对设置，两者共同构成可穿戴装置的载体，该载体中间设置有空腔；驻极体薄膜，固定设置在所述空腔内；外电极，设置在所述外条形弹性带上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及内电极，设置在所述内条形弹性带上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；其中，随着所述可穿戴装置运动，所述外条形弹性带和/或内条形弹性带发生形变，所述驻极体薄膜与所述外电极和/或内电极之间的距离和/或相对位置发生变化，由此所述驻极体薄膜与所述外电极和内电极之间的感应电场强度发生变化，从而将机械能转换为电能。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明驻极体自发电可穿戴装置至少具有以下有益效果其中之一：
(1)可穿戴装置采用驻极体进行自发电，充分利用人体或动物手臂、脚臂等在运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，实现了机械能到电能的有效转换，该转换收集的能量可用于人体可穿戴传感器件的持续供电；解决了人或动物可穿戴相关智能电子器件长期供电的能量收集问题；
(2)相较于现有的可穿戴装置，本发明提供的可穿戴装置依据驻极体方式的静电感应效应发电，其发电电压及电流有很大的提高，便于可穿戴传感器使用；
(3)采用外硬质支撑架与内硬质支撑架，实现了对所述驻极体薄膜的固定支撑，使其在手臂、脚臂等运动弯曲碰撞过程中免受损坏；
(4)本发明可穿戴装置充分利用其具有的空腔结构以及可穿戴装置载体的弹性，极大的提高了动能到电能的转换效率。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明的单电荷驻极体自发电可穿戴装置结构示意图。
图2为本发明的单电荷驻极体自发电可穿戴装置闭环电流测试曲线。
图3为本发明的单电荷驻极体自发电可穿戴装置开环电压测试曲线。
图4为本发明的正常驻极体自发电可穿戴装置结构示意图。
图5为本发明的正常驻极体自发电可穿戴装置闭环电流测试曲线。
图6为本发明的正常驻极体自发电可穿戴装置开环电压测试曲线。
【本发明主要元件符号说明】
1,20-外条形弹性带；
2,21-带间隙空腔；
3,15,16,17,18,19,22,35,36,37,38,39-发电功能模块；
4,23-外电极；
5,24-外带空腔；
6,25-外硬质架空腔；
7,26-驻极体薄膜
8,27-外硬质支撑架；
9,28-内硬质架空腔；
10,29-内硬质支撑架；
11,31-内带空腔；
12,32-内电极；
13,33-内条形弹性带；
14,34-空腔洞；
30-驻极体薄膜电极
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种驻极体自发电可穿戴装置，充分利用人体或动物手臂、脚臂等在运动过程中产生的机械能，将其转化为电能，实现了机械能到电能的有效转换，解决了人体或动物可穿戴相关智能电子器件长期供电的能量收集问题；电压、电流及动能到电能的转换效率有很大的提高，便于可穿戴传感器使用。
一、第一实施例
本发明第一实施例提供了一种单电荷驻极体自发电可穿戴装置，即只有单一正电荷或者负电荷(monocharge)的充电驻极体发电装置。以下结合图1-3来详细介绍本发明第一实施例中提供的单电荷驻极体自发电可穿戴装置。
图1为本发明单种电荷驻极体自发电可穿戴装置结构示意图。请参照图1，本发明提出的单种电荷驻极体自发电可穿戴装置包括：
外条形弹性带1；
内条形弹性带13；与所述外条形弹性带相对设置，共同构成可穿戴装置的载体；
单种电荷极化方式的驻极体薄膜7，固定设置在所述外条形弹性带与内条形弹性带形成的空腔2内；
外电极4，设置在所述外条形弹性带上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及
内电极12，设置在所述内条形弹性带上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；
其中，随着所述可穿戴装置运动，所述外条形弹性带和/或内条形弹性带发生形变，所述驻极体薄膜与所述外电极和/或内电极之间的距离和/或相对位置发生变化，由此所述驻极体薄膜与所述外电极和内电极之间的感应电场强度发生变化，从而将机械能转换为电能。
所述外条形弹性带与内条形弹性带之间形成空腔2，即带间隙空腔，其用于提供空气腔体，便于可穿戴装置自由形变。具体的，所述外条形弹性带与内条形弹性带均沿可穿戴装置长带延伸的方向具有韧性，使可穿戴装置有一定的弯曲能力，从而用户穿戴可穿戴装置舒适可靠；沿可穿戴装置长带垂直的方向具有弹性，以提供垂直空腔厚度方向因可穿戴装置运动产生形变。
为了便于弯曲，优选的，所述外电极与内电极的电极材料沉积在柔性薄膜材料基底上。柔性薄膜材料基底优选为绝缘有机物材料，可以与内、外条形弹性带的材料相同。
进一步的，所述外电极与所述驻极体薄膜之间形成外带空腔5，所述内电极与所述驻极体薄膜7之间形成内带空腔11，所述外带空腔与所述内带空腔用于提供厚度方向可变空腔，从而使得所述外电极4与内电极12的电压及电荷能发生相应变化。
如图1所示，所述驻极体自发电可穿戴装置还包括：外硬质支撑架8与内硬质支撑架10，所述驻极体薄膜通过所述外硬质支撑架与内硬质支撑架固定在所述带间隙空腔2中，使其在随人体或动物手臂、脚臂等运动弯曲碰撞过程中免受损坏。
进一步的，通过所述外硬质支撑架与内硬质支撑架的固定支撑，所述驻极体薄膜的两侧还分别形成外硬质架空腔6与内硬质架空腔9，进一步提供垂直空腔厚度方向因可穿戴装置运动产生形变的空间，增大静电感应效果。
所述单种电荷极化方式的驻极体薄膜；外电极；以及内电极共同构成所述可穿戴装置的发电功能模块。所述驻极体可穿戴装置的发电功能模块数量越多，驻极体发电的电流也就会越大。所述可穿戴装置的发电功能模块3、15、16、17、18、19分布数量可以为一个也可以为多个，优选但不限于6个。另外，如图1所示，所述内条形弹性带弯曲形成供穿戴的空腔洞14。
所述单种电荷驻极体自发电可穿戴装置的工作原理为：随着人体或动物的手臂、脚臂等运动带动所述可穿戴装置运动，所述外条形弹性带和/或内条形弹性带发生形变，所述驻极体薄膜两边的空腔会发生相对应的形变，所述驻极体薄膜与所述外电极和/或内电极之间的距离和/或相对位置发生变化，依据静电感应效应，所述驻极体薄膜与外电极和内电极之间的感应电场强度发生变化，所述外电极和内电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，产生的相应高压的电荷作为电能将通过传输导线输出，从而将机械能转换为电能，实现驻极体可穿戴装置的自发电。
图2是对图1所示的单电荷驻极体自发电可穿戴装置进行闭环电流测试，获得的可穿戴装置短路电流曲线，从图2可以看出，可穿戴装置短路电流大于10na，相较于现有的可穿戴装置，其短路电流相对较高；图3是对图1所示的单电荷驻极体自发电可穿戴装置进行开环电压测试，得出的开路电压曲线，从图3可以看出，可穿戴装置开路电压大于1.5v，相较于现有的可穿戴装置，其开路电压相对较高。
二、第二实施例
本发明第二实施例提供了一种正常驻极体自发电可穿戴装置，即单面镀电极驻极体自发电可穿戴装置。以下结合图4-6来详细介绍本发明第二实施例中提供的正常驻极体自发电可穿戴装置。
图4为本发明正常驻极体自发电可穿戴装置结构示意图。请参照图4，本发明提出的正常驻驻极体自发电可穿戴装置包括：
外条形弹性带20；
内条形弹性带33；与所述外条形弹性带相对设置，共同构成可穿戴装置的载体；
驻极体薄膜26，固定设置在所述外条形弹性带与内条形弹性带形成的空腔21内，所述驻极体薄膜26的其中一表面上形成有驻极体薄膜电极30，即正常驻极体薄膜；
外电极23，设置在所述外条形弹性带上，与所述驻极体薄膜的一表面相对；以及
内电极32，设置在所述内条形弹性带上，与所述驻极体薄膜的另一表面相对；
其中，随着所述可穿戴装置运动，所述外条形弹性带和/或内条形弹性带发生形变，所述驻极体薄膜与所述外电极和/或内电极之间的距离和/或相对位置发生变化，由此所述驻极体薄膜与所述外电极和内电极之间的感应电场强度发生变化，从而将机械能转换为电能。
所述外条形弹性带与内条形弹性带之间形成空腔21，即带间隙空腔，其用于提供空气介质腔体，便于可穿戴装置穿戴的自由形变，从而提高可穿戴装置的可靠性。具体的，所述外条形弹性带与内条形弹性带均沿可穿戴装置长带延伸的方向具有韧性，使可穿戴装置有一定的弯曲能力，从而用户穿戴舒适可靠；沿可穿戴装置长带垂直的方向具有弹性，以提供垂直腔体厚度方向因可穿戴装置运动产生形变。
为了便于弯曲，优选的，所述外电极与内电极的电极材料沉积在柔性薄膜材料基底上。
进一步的，所述外电极与所述驻极体薄膜之间形成外带空腔24，所述内电极与所述驻极体薄膜26之间形成内带空腔31，所述外带空腔与所述内带空腔用于提供厚度方向可变空腔，从而使得所述外电极与内电极的电极电压及电荷能发生相应变化。
如图4所示，所述驻极体自发电可穿戴装置还包括：外硬质支撑架27与内硬质支撑架29，所述单面镀电极驻极体薄膜通过所述外硬质支撑架与内硬质支撑架固定在所述带间隙空腔21中，使其在人体或动物手臂、脚臂运动弯曲碰撞过程中免受损坏。另外，通过所述外硬质支撑架与内硬质支撑架的固定支撑，所述驻极体薄膜的上下方还分别形成外硬质架空腔25与内硬质架空腔28，进一步提供垂直空腔厚度方向因可穿戴装置运动产生形变的空间，增大静电感应效果。
所述驻极体薄膜；外电极；以及内电极共同构成所述可穿戴装置的发电功能模块。所述驻极体可穿戴装置发电功能模块数量越多，驻极体发电的电流也就会越大。所述的可穿戴装置发电功能模块22、35、36、37、38、39分布数量可为一个也可为多个，优选但不限于6个。另外，如图4所示，所述内条形弹性带弯曲形成供穿戴的空腔洞34。
图5是对图4所示的正常驻极体自发电可穿戴装置进行闭环电流测试，获得的可穿戴装置短路电流曲线，从图5可以看出，可穿戴装置短路电流大于30na，相较于现有的可穿戴装置，其短路电流相对较高；图6是对图4所示的正常驻极体自发电可穿戴装置进行开环电压测试，得出的开路电压曲线，从图6可以看出，可穿戴装置开路电压大于-4.5v，相较于现有的可穿戴装置，其开路电压相对较高。
与第一实施例相比，采用表面镀有驻极体薄膜电极30的驻极体薄膜26，更易于在工艺上实现且表面电荷更为稳定。
本申请实施例中提供两类驻极体自发电可穿戴装置，单电荷驻极体自发电可穿戴装置与正常驻极体自发电可穿戴装置，都是依据驻极体的静电感应，当驻极体薄膜两面的电极空间位置发生变化时，对应的内、外电极4、12、23、32之间的电场强度发生改变，从而导致其表面电荷及表面电压都会发生相应变化，其产生的相应高压电荷可输出到负载被传感器使用，从而实现可穿戴装置的驻极体自发电。
为了保证可穿戴装置自发电效果，本申请第一实施例和第二实施例中，所述驻极体薄膜与其两端的电极保持适当的空间距离，优选为10μm-100mm。
本发明驻极体自发电可穿戴装置采用一种良好的无源供电方式，可随时随地作为应急充电且成本低廉。通过电晕极化方式对驻极体薄膜充电，使驻极体膜内产生基于空气的偶极子并产生具有高压的表面电荷以及表面电压，当驻极体自发电可穿戴装置随着人体或动物的手臂、脚臂运动时，外条形弹性带和/或内条形弹性带发生形变，依据静电感应效应，所述内、外电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，产生的相应高压的电荷作为电能将通过传输导线输出，从而实现驻极体可穿戴装置的自发电，可潜在解决人体的相关智能传感器长期不间断供电。
本申请第一实施例和第二实施例中，所述内、外条形弹性带优选采用韧性大及高弹性的材质形成，例如橡胶带、硅胶、pdms等，该类材料容易获得且价格便宜。所述内、外条形弹性带的厚度可为0.2mm-3mm，宽度可为1cm-3cm，长度可为15cm-30cm。
本申请第一实施例和第二实施例中，所述驻极体薄膜可采用聚丙烯(pp)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、左旋聚乳酸(plla)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚全氟乙丙烯(fep)中的至少其中之一材质形成，其薄膜厚度可为10μm-10mm。所述驻极体薄膜7、26的电极材料可为铝(al)、金(au)、铜(cu)、银(ag)等，镀电极的方式可采用电子束蒸发或者磁控溅射方式，电极的厚度可为1nm-2μm。
本申请第一实施例和第二实施例中，所述带间隙空腔2、21间隙的作用是提供可穿戴装置可弯曲的曲率，提高可穿戴装置的使用寿命，其空腔的厚度可为10μm-50mm。外带空腔5、24与内带空腔11、31结构的尺寸的面积越大越好，厚度适中为宜，优选的，所述外带空腔5、24结构与内带空腔11、31结构的尺寸为0.2cm2-10cm2，厚度为10μm-50mm；此外，外带空腔5、24与内带空腔11、31结构可为圆形，也可为方形，还可为五角星等多种图案。
本申请第一实施例和第二实施例中，外电极4、23，内电极12、32的尺寸依据外带空腔5、24与内带空腔11、31面积尺寸来来决定，具体的，尺寸可以比外带空腔5、24与内带空腔11、31面积尺寸稍大，优选为1.2-2倍。
本申请第一实施例和第二实施例中，可穿戴装置发电功能模块3、15、16、17、18、19、22、35、36、37、38、39在可穿戴装置的载体满足要求下越多越好，数量越多，可穿戴装置发电电流越大。可穿戴装置的外电极4、23，内电极12、32分别相连，其中内电极与外电极分别引出一根导线出来，作为驻极体自发电的电能输出导线。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明驻极体自发电可穿戴装置有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)所述外、内条形弹性带也可以为环状或其他形状，均不影响本发明的实现；
(2)本发明的可穿戴装置除了穿戴于手臂、脚臂作为手环、脚环外，也可以是穿戴于胳膊上的护肘或者腿部的护膝等其他可穿戴装置，在人体运动时，引起外、内条形弹性带形变，使发电功能模块产生电能，同样可以实现本发明。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。