一种电气装置和制造电气装置的方法与流程

本发明涉及一种电气装置和用于制造电气装置的方法，特别地(但不限于)具有能量收集及转换能力的和用于可穿戴电子设备的电气装置。

背景技术：

电子或电子设备通常需要电能供给装置，包括光伏电池、燃料电池和化学电池，或直接连接到电网中。

便携式电子设备，特别是可穿戴设备通常由诸如电池的便携式能量源供电。电池只提供有限的循环稳定性，因此便携式电子设备仅在有限的电池寿命期间稳定工作。而且，电池需要充电的过程，这对于需要具有连续性操作特性的可穿戴电子设备很不方便。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种电气装置，其包括：电荷产生结构，该结构响应于所经受外部压力的变化，从而产生电荷。其中该电荷产生结构依托于织物材料或基于织物材料制备。

在第一方面的实施例中，电荷产生结构包括一对电极，该对电极之间的相对运动产生电荷。

在第一方面的实施例中，该对电极带相反电荷。

在第一方面的一个实施方案中，通过静电感应以及摩擦生电来产生电荷。

在第一方面的一个实施方案中，该对电极被布置为当该对电极的每一层彼此接触时接收电荷。

在第一方面的一个实施方案中，当在每个层接收电荷之后，该对电极的每个层彼此分离时，在该对电极之间建立电位差。

在第一方面的一个实施方案中，该对电极通过摩擦产生电荷/电能。

在第一方面的一个实施方案中，该对电极包括第一材料层和第二材料层；其中第一材料层和第二材料层被布置成当彼此接触时交换电荷。

在第一方面的一个实施方案中，第一材料层和第二材料层包括不同的电子亲合力和/或摩擦极性。

在第一方面的一个实施方案中，第一材料层包括聚四氟乙烯涂层。

在第一方面的一个实施方案中，织物材料包括尼龙。

在第一方面的一个实施方案中，第一材料层被布置成从第二材料层接收电子。

在第一方面的一个实施方案中，第二材料层包括石墨烯涂层。

在第一方面的一个实施方案中，石墨烯涂层被布置成收集在第二材料层中产生的电荷。

在第一方面的一个实施方案中，装置还包括用于分离第一材料层和第二材料层的间隔层。

在第一方面的一个实施方案中，间隔层具有弹性结构。

在第一方面的一个实施方案中，间隔层经受外部压力时被压缩，使得第一材料层和第二材料层彼此接触或接近。

在第一方面的一个实施方案中，第一材料层和第二材料层有间隔层连接。

在第一方面的一个实施方案中，电荷产生结构包括该对电极上的多个功能模组(pixel)。

在第一方面的一个实施方案中，所产生电能为与其连接的至少一个电气部件供电。

在第一方面的一个实施方案中，电荷响应于电荷产生结构经受的外部压力的变化。

在第一方面的一个实施方案中，电荷产生结构被用于可穿戴器件上。

在第一方面的一个实施方案中，电荷产生结构能够识别的对象的运动模式。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造根据第一方面的电气装置的方法，包括以下步骤：制备第一电极和第二电极；以及通过在第一电极和第二电极之间通过弹力间隔层来连接。

在第二方面的一个实施方案中，间隔层通过在第一和第二电极之间编织织物材料来制备。

在第二方面的一个实施方案中，提供第一电极和第二电极的步骤包括编织织物材料以制备第一电极和第二电极的步骤。

在第一方面的一个实施方案中，第一电极、第二电极和间隔层中通过针织机制造。

在第一方面的一个实施方案中，该方法还包括以下步骤：在第一电极上涂覆第一材料层；和/或在第二电极上涂覆第二材料层。

附图说明

附图说明现在将参考附图通过示例来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的电气装置的透视图；

图2a和2b是图1的电气装置的电极的示意图及sem图像；

图3a和3b是图2a的电极的织物材料的示意图及sem图像；

图4a和4b是图2a的电极的另一种织物材料的示意图及sem图像；

图5a是根据本发明的实施例的电气装置的俯视摄影图像；

图5b和5c是分别处于初始状态和压缩状态的图5a的电气装置的横截面视图；

图6是用于制造图5a的电气装置的计算机编织针织横机的照片图像；

图7是用于制造图1的电气装置方法的工艺流程图；

图8是图1的电气装置的操作和相应的电流-电压分布的图示；

图9示出以1hz的变形频率测量的图5a间隔织物teng的voc的曲线图；

图10示出以1hz的变形频率测量的图5a间隔织物teng的isc的曲线图；

图11示出在不同的变形频率下测量的图5a间隔织物teng的voc的曲线图；

图12示出在不同的变形频率下测量的图5a间隔织物teng的isc的曲线图；

图13是示出在图5a的电气装置中不同数量的teng功能模组产生的isc的曲线图；

图14是示出在图5a的电气装置中不同数量的teng功能模组产生的峰值isc值的曲线图；

图15a是示出图5a间隔织物teng的负载电阻所致的输出电压和电流的曲线图；

图15b是示出图5a间隔织物teng的负载电阻所致的输出功率的曲线图；

图16a是示出经由整流器电路连接到图5a的电气装置的负载的示意图；

图16b是示出图16a间隔织物teng的输出电流的曲线图；

图16c是示出图16b中的输出电流的单个周期的曲线图；

图16d是图16a的电路的摄影图像，其包括示出“city”图案的teng驱动闪烁的led阵列；

图17a是示出在人行走期间由图5a间隔织物teng产生的isc记录的曲线图；

图17b是示出在具有不同模式的人运动期间由图5a间隔织物teng产生的isc记录的曲线图；

图18是人脚的压力分布以及由位于脚的不同位置所导致图5a的电气装置中的指定teng功能模组产生的isc的图示；以及

图19是示出由图1间隔织物teng分别具有石墨烯涂层和不具有石墨烯涂层时产生isc的比较曲线图。

具体实施方式

发明人基于自己的研究、实验和试验认为微型电子设备可被广泛应用于日常生活中。与此同时，可穿戴电子设备在多功能化集成方面已获得长足的进步。研发可以用于可穿戴电子设备的储能装置依然是最关键的挑战。常规储能装置需要频繁充电是一个极需解决的问题。

纳米发电机可以用于收集机械能量，特别是将人类运动(例如，步行和拉伸)所产生的机械能量转换为电能，为电子设备供电。

参考图1，示出了电气装置100的实施例，该电气装置100包括电荷产生结构102，该电荷产生结构102响应于所经受的外部压力的变化而产生电荷，其中电荷产生结构102包括织物材料。

在本实施例中，电荷产生结构102包括一对电极，其包括第一电极104和第二电极106。当从两层的相对侧施加外部压力时，电极(104、106)相对于彼此移动，并且层间距离减小。或者，当施加外力以拉开两层时，层间距离增加。

例如，两个电极(104、106)带相反带荷，使得可以响应于该对电极(104、106)之间的相对运动而产生电荷(即，增加或减小层之间的距离)，例如通过静电感应及摩擦生电。

电荷产生结构102可以作为基于摩擦生电的纳米发电机，产生电荷或能量，从而为连接到其上的一个或多个电气构件/设备供电。基于摩擦生电的纳米发电机(teng)的原理为摩擦生电并结合静电感应效应。teng可以从人的运动中收集机械能量并将其以高效率和高输出功率转换为电能。而且，tengs可以容易地结合到织物中。这是因为摩擦生电普遍存在于织物常用材料中，诸如尼龙，聚酯和特氟隆(ptfe)。因此，电荷产生结构102可以依托于织物材料并应用于可穿戴物品或设备上。

teng存在三种模式：滑动模式、旋转模式和垂直接触模式。与前两者相比，由于垂直运动占人类活动的主要部分，因此基于垂直接触模式的teng在可穿戴teng中更为适合。基于垂直接触模式的teng可以通过设计具有弹性的拱结构或堆叠结构来制造。然而，真正的可穿戴的设备需要基于织物材料的设计。因此，具有优异弹性的织物对于制备可穿戴teng是至关重要的。

参考图2a至2b，提供了由织物材料(诸如但不限于尼龙，聚酯，人造丝和棉等其它普通织物)制成的电极(104或106)的示例性实施例。在一些实例中，基于电极的期望机械/电气性能的要求，电极可以包括多于一种织物材料。参考如图2b所示的sem图像，多个织物股线结合(诸如通过编织或缝合)为织物材料的连续层，其可以被包括在电荷产生结构102中。

同时，可以通过使用针织横机或任何合适的织物处理装置/方法来制造电极(104、106)。

如上所述，电荷产生结构102包括一对电极(104、106)，因此可以包括如图2a所示的至少一个附加层。功能化的材料层(涂层104c、106c)可以被包括作为电极的一部分或整体，从而限定第一和第二电极的低层/下层104和上层106)。上层和/或下层可以通过缝合尼龙纤维来制造，这提供了对teng有益的相对粗糙的表面。

为了收集由摩擦生电和静电感应在尼龙表面上产生的电荷，每层中的织物材料包括不同的电气性能。每层中的织物可以涂覆有不同的涂层(104c、106c)。因此，第一材料层和第二材料层包括不同电子亲和性和/或摩擦极性，并且该对电极可以通过摩擦生电。

参考图3a和3b，第二材料层或上层106包括了尼龙纤维上涂覆石墨烯(油墨)的涂层106c。图3b所示的sem图像示出石墨烯可以涂覆在上层106的上表面，从而收集在第二材料层产生的电荷。图3b中的插图进一步示出石墨烯层106c紧密地附接到尼龙纤维的上表面，提供良好的导电性(在本公开的后面部分中讨论了在涂覆和未涂覆的上层106的性能之间详细的比较)。

由于上层106以具有正摩擦极性的尼龙为基础，基于teng的工作原理，下层104被具有负摩擦极性。参考图4a和4b，第一材料层104c包括聚四氟乙烯(ptfe)涂层。其具有优异的尼龙兼容性和负摩擦极性。同样，尼龙纤维可以被ptfe织物涂层104c包裹。ptfe织物涂层104c粘附地包裹在尼龙纤维周围，如图4b中的sem图像所示。

此外，第一，第二材料层可包括由本领域技术人员所理解的其它可能的涂层或织物材料。

参考图1和图5a至图5c，电气装置100还包括在电荷产生结构102的第一材料层和第二材料层(104c、106c)之间或电极(104、106)对之间的间隔层108。

参考图5c，当电荷产生结构102经受到外部压力时，间隔层108可以被压缩。例如，当将一定量的重量被放置在电气装置100上时，两个层(104、106)之间以及第一材料层和第二材料层(104c、106c)的间隙被减小，因此，两层材料彼此接近或甚至彼此接触。

间隔层108包括弹性结构，用于将第一材料层和第二材料层(104c、106c)之间保持预定的距离。因此，当施加的外部压力从电气装置100被释放时，第一材料层和第二材料层(104c、106c)之间的距离通过弹性结构被恢复，如图5b所示。这种可靠的弹性增强了基于该间隔织物的teng100的性能。

为了赋予织物弹性，可以在两个分开层之间加入弹簧或其它弹性填料。然而，基于这种添加策略所制造的织物的可靠性有限，而且穿着舒适度也不理想。因此，必须设计和制造具有内在弹性的织物，该织物可用于基于垂直接触模式的teng。

上述电极(104、106)，第一材料层和第二材料层(104c、106c)可以被间隔层108连接。涂层材料(104c、106c)可以涂覆在间隔层108的两个织物层的相对侧上，以限定电荷产生结构102的两个电极(104、106)。

如本领域技术人员所理解的，电气装置100可以包括附加数量的电荷产生结构102，并且每个电荷生成结构102可以包括多于两个的电荷生成层(104、106)或多于一对的电极。

还参考图1，间隔织物层108基于3d纬编结构。间隔层108可以限定三个功能层：两个外织物层和一个间隔层。间隔层(图1中的插图)可以为整个织物提供良好的弹性。此外，为了使间隔织物易于制造teng100，应精细地选择用于缝合上层和下层(104、106)的材料，使得这些层的电气性能满足teng的要求。

电荷产生结构102包括在该对电极上的多个功能模组(pixel)。参考图5a，示出了间隔织物teng100的实施例的俯视摄影图像。涂层(104c、106c)被模组化，使得一个间隔织物108可包括多个单独的teng，其可以进一步被优化为多功能设备。被模组化的电荷产生结构102的性能将在本公开中稍后讨论。

考虑到摩擦极性，缝合的适合性和穿着舒适性，尼龙(用于具有非常高的失去电子倾向的常见织物材料)可以用作上层和下层(104、106)的材料。

参考图6和图7，示出了用于制造电气装置100的方法的实施例。该方法包括以下步骤：提供第一电极104和第二电极106；以及通过在第一信号产生层和第二信号产生层之间用间隔层108来连接第一信号产生层和第二信号产生层。

在该实施例中，通过编织织物材料来制备第一，第二产生层(104、106)。间隔层108通过在第一和第二电极(104、106)之间编织织物材料来制备。

间隔织物(包括电极(104、106)和间隔层108)可以通过如图6所示的(计算机化的)针织横机制造。在这种类型的机器中，前针床和后针床水平定位，而包含计算机辅助制造系统的托架在针床上来回移动以制造织物。这些层也可以使用其他编织或缝纫机制造。

在参考图7的一个示例性实施例中，需要三组纱线来编织间隔织物。第一步骤是使用第一组纱线在前针床上编织织物的第一层104(步骤702)。第二步骤是使用第二组纱线在后针床上编织织物的第二层106(步骤704)。第三步是使用第三组纱线在前针床和后针床两者上编织间隔层108，以便将第一层104和第二层106连接在一起。为了制造具有中空空间的间隔织物，间隔层108以未定义的序列交替编织(步骤706)。

为了保持两个外织物层之间的空间，必须使用高刚度的单丝来编织间隔层108，而多丝通常用于编织两个外织物层以得到柔软的触感。

同时，可以附加步骤以分别在第一材料层和/或第二材料层(104、106)上涂覆第一和/或第二材料层(104c、106c)。涂覆步骤在互连间隔层108之前或之后进行。或者，第一材料层和/或第二材料层可以在编织步骤之前预涂覆在织物材料上。

参考图8，示出了电气装置100的示例操作。该操作基于两个主要过程，其包括电荷交换以及通过静电感应产生电荷聚集。

该对电极的每一层彼此接触时接收电荷。例如，第一材料层和第二材料层(104c、106c)可以在彼此接触时交换电荷，即第一材料层104可以从第二材料层106接收电子，或反之亦然。在不经受外部压力下，间隔层108被布置成在正常状态下电分离第一材料层和第二材料层。

电荷产生结构可以通过产生的电荷识别的对象的运动模式。例如，装置被安装在人类的鞋子中，在预定时段内的多种信号可以表示人在该时段内的不同运动模式。

操作过程为：步骤802，其中在初始阶段不产生电荷。当间隔织物的上层和下层(104、106)通过外部力/压力而接触时，表面电荷将产生。根据材料的摩擦生电系数/电子亲和性，尼龙层106倾向于失去电子，而ptfe涂覆的尼龙层104将接收电子。在步骤804中，电子从尼龙层106注入ptfe涂覆的尼龙层104。因此，正电荷聚集在尼龙层106的表面，负电荷聚集在ptfe涂覆的尼龙层104的表面。当两个层(104、106)接触(或电连接)时，这些电荷位于几乎相同的层上，因此没有电位差(epd)。

在步骤806中，当外力被释放时，上层和下层由于间隔织物的内在弹性而开始分离。一旦这两层分离，一对电极之间将建立epd。

在步骤808中，epd将随着两层之间的距离增加而增加，并且当间隔织物返回到其初始状态时达到epd的最大值。所产生的epd与两层间距的关系被定义为以下等式：

其中σ代表摩擦生电的电荷密度，ε是真空介电常数，并且d是两个层之间的距离。

在步骤810中，当再次施加外力时，epd将随着两层彼此更靠近而开始减小。此后，该过程再次从步骤804重复。由于建立了epd，如果两个电极被短路，则电子可以被驱动以在两个层之间流动。在释放过程中，由于尼龙电极的较高电位，电子将从涂覆ptfe的尼龙电极流动到尼龙电极。这将导致在释放过程期间的正向电流，其在图8中的i-v曲线中所示的短路电流(isc)相对于时间的记录中被清楚地记录。

当电气装置100被再次按压时，电子将被从尼龙电极驱动到涂覆有ptfe的尼龙电极，以中和ptfe涂覆的尼龙电极的电荷。因而，瞬时产生负电流。

这种电荷的产生可以为与其连接的电子/电子设备的供电，或者可以监测由电荷产生结构102经受的外部压力的变化。因此，电气装置100可以被实现为发电机和/或电压力传感器。

发明人已经进行实验以研究根据本发明的实施例实现的电气装置100或间隔织物teng的性能。参考图9，示出了在1hz频率下产生的开路电压(voc)的曲线图。显然，voc的值可以达到3.3vcm^-2，显示当尼龙层和ptfe涂覆的尼龙层接触时积聚电荷的优异性能。

参考图10，显示在释放状态下短路电流(isc)的峰值达到0.2μacm^-2，而在按压期间isc的峰值仅能达到0.1μacm^-2。这对应于半周期释放处于比按压更高的速率。由于机械能量来自环境，特别是来自人类运动，而且频率上有变化，有必要研究在不同变形频率下间隔织物teng的输出性能。因此，间隔织物teng的性能在人类运动的普遍频率，特别是对于人类行走或跑步的频率(0.5hz至3hz)下测试。。

参考图11，voc在不同频率下几乎保持恒定。这归因于在开路状态下不涉及电荷转移的动态过程，因此开路电压仅取决于摩擦生电的电荷密度和分离距离。另一方面，参考图12，isc随着频率的增加而增加。很明显，isc从频率为0.5hz时的0.2μacm^-2增加到频率为3hz的0.3μacm^-2。isc对频率的依赖性可以解释为因为随着频率增加的变形速率增加导致的电荷流动时间更短，可以实现更高的电荷流量，即更高的电流。

对于人类运动，不同的频率通常表示不同模式的运动。因此，间隔织物teng的isc对频率的依赖性可以用于识别和监测不同的人类运动模式。

此外，由于间隔织物可以被模组化用于制造teng，参考图13，示出了具有不同数量的teng模组的性能。很明显，由于较大的接触面积，isc随着teng功teng模组数量的增加而增加。

参考图14，示出了利用不同数量的teng模组实现的isc的值。随着teng模组数量从1增加到3，isc从0.13μacm^-2增加到0.28μacm^-2。此外，增加的趋势几乎显示出线性关系，这表明间隔织物teng的输出可以通过控制teng模组的数量来调节。

间隔织物teng可以通过从环境收集的能量为电子设备供电。因此，研究了不同负载下的输出性能。参考图15a，示出了当间隔织物teng与具有不同电阻值得负载连接时的电压和电流的变化。其示出电压随着电阻增加而增加。相反，电流isc的值通常随着电阻的增加而减小。功率对负载的依赖性可以使用以下等式计算：

p＝i²r

其中i是输出电流，r表示连接的电阻。参考图15b，功率在初始阶段增加，但是如果电阻变得太大则功率减小。可以在约为0.6mω的负载电阻上输出最大功率，约为16μwcm^-2。在一些示例性实施例中，间隔织物teng可以包括多个teng模组，可以通过控制teng模组的数量来调节输出功率。此外，间隔织物teng用于向极性设备供电，在这种情况下，在连接到负载之前，所产生的ac信号应该被整流，如图16a的示意图所示。

参考图16b，示出了整流后的电流曲线图，其示出了整个间隔织物teng的输出电流可以达到约3.0μa，并且操作中的单个周期的电流曲线图被提取，并且如图16c所示。

作为间隔织物teng用作电源的示例，组成“city”图案的led通过人类行走直接点亮，如图19所示。这证明了通过间隔织物teng将机械能量从人类行走转换成电能的强大能力。

除了将机械能转换成电能的基本功能之外，间隔织物teng可用作监测人类运动的自供电传感器和脚的压力传感器。

间隔织物teng可以用作鞋垫，其不仅大量地收集来自人类行走的机械能量，voc或isc可以明确地反映人类运动的状态。例如，参考图17a，可以通过所生成的信号数量来准确地反映步数。这是因为每行走一步对应于图8所示的周期性场景。

此外，isc对频率的依赖性可以有效地表示由于人类运动的不同模式所致频率的变化。参考图17b，示出了以不同的运动模式记录的isc曲线图。当慢走时，isc相对较小。随着步行的速度的增加，isc的值随着步伐的频率变大而相应地增加。当模式改变到跑步时，可以发现isc的值最大，这可以归因于跑步的最高步伐频率以及由于人类跑步，两个层之间的接触程度最大。

电气装置100还可具有脚压力感测的能力。利用可以功能模组化设计的特性，可以选择几个teng模组作为人类行走时脚压力的传感器。

参考图18，示出了脚底的压力分布。压力增加伴随着颜色从黑色变为白色。最高的压力发生在脚的跟部(位置v)，而最低的压力发生在脚的足弓(位置iv)。因此，如图18-iv所示，足弓部位teng模组产生的isc值呈现最小值。如图图18-v所示，isc的值表示位于脚跟处的teng模组的最大值。isc的变化可归因于在不同压力下的接触程度。较高的压力可以导致更紧密的接触，这可以有效地增强摩擦生电，使得更多的电荷将聚集在两个电极的表面上。对于脚的外侧，两个位置(ii和iii)处的压力相对相同。结果，isc的值也类似，如图18-ii和图18-iii中所示。此外，由于大趾下方位置的颜色是白色(位置i)，所以在大脚趾下方位置处的压力比在外侧处的压力稍大。该微小差异也从位置i(图18-i)处的teng模组产生的isc的值反映：其比位置ii和iii的位置稍大。该结果进一步表现出对间隔织物teng的压力极好的敏感度。

参考图19，示出了由间隔织物teng在具有石墨烯油墨涂层和不具有石墨烯油墨涂层而产生的isc。结果表明，具有石墨烯油墨涂层的teng值大于不具有石墨烯油墨涂层的teng值，这表明在尼龙层上表面涂覆石墨烯油墨可以大大提高当导电性增强时收集摩擦生电产生的电荷的能力。

电气装置可以收集机械能量并将这种能量转换为电能形式。这有利于可穿戴电子设备或其它电子设备的发展。并且，该种电气装置可以有效地减少对电子设备再充电的频率或者甚至可以完全消除对电子设备再充电的需要。

除了将机械能量从人类运动转换到电能之外，电气装置的多功能是另一个关键追求。基于teng的自供电传感器的实现可以广泛地应用于运动监测和人体健康护理。

此外，间隔织物可以通过小的teng模组进行功能模组化，以便于在一个设备中实现多功能。间隔织物teng的操作电压和电流在用于检测以及用于对电子设备供电的可用范围内。此外，可以通过控制teng模组的数量来调整个间隔织物teng的输出。

整个间隔织物teng可以为发光二极管(led)供电，显示出其将机械能量转换成电能的优良能力。除了作为电源的基本性能之外，间隔织物teng还可以实现为自供电监控系统，以追踪和识别人类运动。并且可以在人类行走期间以高灵敏度原位感测脚的压力。

本领域技术人员将理解，在不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对具体实施例中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。

除非另有说明，本文包含的对现有技术的任何引用不被认为是承认该信息是公知常识。