一种基于鱼鳞状电极的发电机及转动速度识别传感器

1.本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种基于鱼鳞状电极的发电机及转动速度识别传感器。


背景技术：

2.物联网的建立需要数十亿或数万亿分散式传感器，这些传感器可以可靠、自主地监控人类生活的方方面面，传统的基于电池的传感器存在寿命短、封装尺寸大、设备可维护性低、环境污染风险大等缺点。从环境中收集能量的自供电传感技术是实现无线传感器大规模应用的理想策略，摩擦电纳米发电机(teng)是一种从环境中收集机械能并将其转化为电能的装置，转换后的电能可用作电源或传感器信号。
3.在各种机械运动形式中，平面滑动和旋转运动在日常生活中无处不在，它已经成为一个有吸引力的能量收集目标，同时在日常生活和工业生产中，摩擦纳米发电机作为自供电的主动传感器进行旋转状态监测也具有重要意义。图形电极是实现机械能采集和自供电传感的重要手段，为满足摩擦纳米发电机不同场景下多种形式机械能的收集和自供电传感的需求，人们在新型电极结构设计方面做了大量的研究在之前的研究中，郭等人设计了一种基于棋盘电极的全方位平面运动能量采集摩擦纳米发电机，但是电极结构的严格对称导致其在特定的运动方向上不能够收集能量[h.guo,q.leng,x.he,m.wang,j.chen,c.hu,y.xi,a triboelectric generator based on checker-like interdigital electrodes with asandwiched pet thin film for harvesting sliding energy in all directions,adv.energymater.5(2015)1
–
9.https://doi.org/10.1002/aenm.201400790]，由于摩擦纳米发电机电极结构的严格对称，其存在特定的方向上无法收集能量的问题；为了克服上述的局限性，夏等人设计了一种基于蜂窝状的三电极摩擦纳米发电机[x.xia,g.liu,h.guo,q.leng,c.hu,y.xi,honeycomb-like three electrodes based triboelectric generator for harvesting energy in full space and as a self-powered vibration alertor,nano energy.15(2015)766
–
775.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.05.033.]，但是相比于两电极的结构设计，采用三电极结构的设计方式，会不可避免的导致能量耗散和电路结构的复杂性。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种基于鱼鳞状电极的发电机及转动速度识别传感器，能够收集平面任意方向上机械滑动产生的能量。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0006]
一种基于鱼鳞状电极的发电机，包括电极部分和滑块部分；所述电极部分包括pet膜封装的电极结构，所述电极结构包括第一电极连接线、第二电极连接线和矩阵式排列的鱼鳞状电极，各所述鱼鳞状电极平铺在同一平面上，相邻所述鱼鳞状电极之间存在间隔；所述鱼鳞状电极分为第一电极和第二电极，各行鱼鳞状电极中第一电极和第二电极依次间隔
排列，各列鱼鳞状电极中第一电极和第二电极依次间隔排列，各所述第一电极均与所述第一电极连接线连接，各所述第二电极均与所述第二电极连接线连接，所述滑块部分包括亚克力板和多个滑动块，所述滑动块为ptfe膜，所述滑动块与所述鱼鳞状电极的形状和尺寸均相同，多个所述滑动块粘贴在所述亚克力板上，多个所述滑动块在所述亚克力板上的位置分布与所述第一电极或所述第二电极的位置分布相同；通过所述滑块部分与所述电极部分相互摩擦进行发电。
[0007]
可选地，相邻所述鱼鳞状电极之间间隔为0.8mm。
[0008]
可选地，所述鱼鳞状电极的外形为依次连接的第一圆弧、第二圆弧和第三圆弧，所述第一圆弧、所述第二圆弧和所述第三圆弧对应的圆的半径相同，且三个圆的圆心组成一个等腰直角三角形。
[0009]
可选地，所述基于鱼鳞状电极的发电机的制备过程为：
[0010]
将表面镀有金属的pet膜裁剪成设定形状；
[0011]
将光致抗蚀膜粘贴在所述pet膜上金属的表面；
[0012]
采用菲林按照预设图形对所述光致抗蚀膜进行曝光；
[0013]
通过显影液将所述光致抗蚀膜未曝光的区域显影掉；
[0014]
将显影后露出的金属进行刻蚀；
[0015]
将光致抗蚀膜剥离，获得电极结构；
[0016]
将电极结构镀有金属的一面，通过热压合覆盖一层pet膜，获得电极部分；
[0017]
将ptfe膜粘贴在亚克力板上，所述ptfe膜在所述亚克力板上的位置分布与所述电极结构中第一电极或第二电极的位置分布相同。
[0018]
可选地，所述金属为铜。
[0019]
可选地，所述铜的厚度为35μm。
[0020]
可选地，所述pet膜的厚度为25μm。
[0021]
可选地，所述ptfe膜的厚度为200μm。
[0022]
本发明还公开了一种转动速度识别传感器，所述转动速度识别传感器包括所述的基于鱼鳞状电极的发电机；所述转动速度识别传感器还包括第一有机玻璃圆筒和第二有机玻璃圆筒；
[0023]
电极部分卷成筒状固定于第一有机玻璃圆筒内壁，电极部分与所述第一有机玻璃筒内壁贴合，滑块部分粘贴在第二有机玻璃圆筒外壁，外壁粘贴有所述滑块部分的所述第二有机玻璃圆筒能够插入所述第一有机玻璃圆筒内；
[0024]
通过单位时间内，所述第二有机玻璃圆筒在所述第一有机玻璃圆筒内转动时输出的电流大小或脉冲数量进行转动速度识别。
[0025]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0026]
本发明鱼鳞状的电极结构对称周期性排布在平面上且鱼鳞状电极的各边形状均为曲线，使得滑块能够收集平面任意方向上机械滑动产生的能量；通过pet膜封装鱼鳞状的电极结构，使得鱼鳞状的电极结构的摩擦纳米发电机具有结构简单、可卷曲、可折叠、便于携带和适应性强的特点；并且包括基于鱼鳞状电极的发电机的转动速度识别传感器可用于转动能量收集和旋转状态监测。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机结构示意图；
[0029]
图2为巨骨蛇鱼的示意图；
[0030]
图3为巨骨蛇鱼的鳞片的示意图；
[0031]
图4为本发明鱼鳞状电极的获得过程原理示意图；
[0032]
图5为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机结构中电极结构的放大示意图；
[0033]
图6为本发明砂纸打磨前ptfe滑块表面的扫描电镜示意图；
[0034]
图7为本发明砂纸打磨后ptfe滑块表面的扫面电镜示意图；
[0035]
图8为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机的工作原理和电荷转移情况；
[0036]
图9为本发明ptfe滑块在平面上，沿任意方向以随机速度滑动时，摩擦纳米发电机的电压输出曲线；
[0037]
图10为本发明转动模式时的基于鱼鳞状电极的发电机的制作流程示意图；
[0038]
图11为本发明不同转速下，基于鱼鳞状电极的发电机的电流输出特性示意图；
[0039]
图12为本发明转轴转动一周，速度为50r/min时，基于鱼鳞状电极的发电机的电流输出特性示意图；
[0040]
图13为本发明电流输出特性和1.2s内基于鱼鳞状电极的发电机脉冲输出个数与转速关系示意图；
[0041]
图14为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机为电子设备供电的等效电路图；
[0042]
图15为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机为电容器充电，重复为温度计供电时，实测220μf电容两端的电压曲线图；
[0043]
图16为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机的制备过程流程示意图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
本发明的目的是提供一种基于鱼鳞状电极的发电机及转动速度识别传感器，能够收集平面任意方向上机械滑动产生的能量。
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
图1为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机结构示意图，如图1所示，一种基于鱼鳞状电极的发电机，包括电极部分和滑块部分；电极部分包括pet膜封装的电极结构，封装电极结构的pet膜如图1中101所示，电极结构包括第一电极连接线106、第二电极连接线107和矩阵式排列的鱼鳞状电极，各鱼鳞状电极平铺在同一平面上，相邻鱼鳞状电极之间存在
间隔；鱼鳞状电极分为第一电极102和第二电极103，各行鱼鳞状电极中第一电极102和第二电极103依次间隔排列，各列鱼鳞状电极中第一电极102和第二电极103依次间隔排列，各第一电极102均与第一电极连接线106连接，各第二电极103均与第二电极连接线107连接，滑块部分包括亚克力板104和多个滑动块105，滑动块105为ptfe(聚四氟乙烯)膜，滑动块105与鱼鳞状电极的形状和尺寸均相同，多个滑动块105粘贴在亚克力板104上，多个滑动块105在亚克力板104上的位置分布与第一电极102或第二电极103的位置分布相同；通过滑块部分与电极部分相互摩擦进行发电。
[0048]
本发明鱼鳞状电极为受巨骨蛇鱼的鳞片形貌结构启发的仿鱼类鳞片结构电极，巨骨蛇鱼如图2所示，巨骨蛇鱼的鳞片如图3所示。
[0049]
鱼鳞状电极的外形为依次连接的第一圆弧、第二圆弧和第三圆弧，第一圆弧、第二圆弧和第三圆弧对应的圆的半径相同，且三个圆的圆心组成一个等腰直角三角形。
[0050]
图4为本发明鱼鳞状电极的获得过程原理示意图，如图4所示，首先以斜边长为10mm的等腰直角三角形的三个顶点为圆心，以5mm为半径画三个完全相同的圆，然后以直角顶点为圆心的圆减去与两个以45
°
角为圆心的圆的重叠面积，以直角顶点为圆心的圆剩余面积即为仿鱼鳞结构的电极(鱼鳞状电极)。
[0051]
图5为本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机结构中电极结构的放大示意图，图5为图1中虚线框对应的放大图，相邻鱼鳞状电极之间间隔为0.8mm。
[0052]
根据图4所示过程获得的仿鱼类鳞片结构的电极尺寸，采用刻蚀的方法制备摩擦纳米发电机的仿鱼类鳞片的电极结构，并使用pet膜对获得的电极结构进行封装；使用刻纸机刻出与鱼鳞状电极形状尺寸相同的ptfe滑块粘贴在亚克力板104上作为滑动部分，最终获得平面滑动模式下的仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机，即本发明摩擦纳米发电机(基于鱼鳞状电极的发电机)。
[0053]
本发明还公开了一种转动速度识别传感器，所述转动速度识别传感器包括所述的基于鱼鳞状电极的发电机；所述转动速度识别传感器还包括第一有机玻璃圆筒和第二有机玻璃圆筒，图10为转动速度识别传感器的制备过程，转动速度识别传感器的结构如图10中最右边所得装置所示。
[0054]
电极部分卷成筒状固定于第一有机玻璃圆筒内壁，电极部分与第一有机玻璃筒内壁贴合，滑块部分粘贴在第二有机玻璃圆筒外壁，外壁粘贴有滑块部分的第二有机玻璃圆筒能够插入第一有机玻璃圆筒内，获得卷曲后的基于鱼鳞状电极的发电机，即转动速度识别传感器；
[0055]
通过单位时间内，所述第二有机玻璃圆筒在所述第一有机玻璃圆筒内转动时输出的电流大小或脉冲数量进行转动速度识别。
[0056]
本发明卷曲后的基于鱼鳞状电极的发电机，不仅能够收集转动摩擦产生的能量，可以通过单位时间内卷曲后的摩擦纳米发电机产生的脉冲输出个数、输出电流大小检测转动速度，基于本发明卷曲后的摩擦纳米发电机的转动状态监测传感器具有很好的线性度，并且可以通过调整转动方向上鱼鳞状电极结构的个数实现传感器灵敏度的调整。
[0057]
本发明基于鱼鳞状电极的发电机的工作原理是摩擦起电和静电感应现象的共同作用。当两种得失电子能力不同的摩擦材料由于外部的机械运动，导致摩擦材料产生周期性的接触分离，在摩擦层之间产生周期性变化的电场，通过静电感应使得电子在外部电路
产生与机械运动相对应的电能输出。本发明摩擦纳米发电机的工作原理和电荷转移情况如图8所示。
[0058]
本发明给出了一个工作周期内基于鱼鳞状电极的发电机电流产生的工作原理，当ptfe膜与pet膜相互接触并产生相对滑动时，由于两种摩擦材料得失电子能力不同，ptfe膜表面带负电荷，pet膜表面带正电荷，图8中(a)所示为滑动周期初始时电荷分布状态，此时ptfe膜与电极1(第一电极102)完全重合，电路中没有电流流动；如图8中(b)所示为ptfe膜从电极1向电极2(第二电极103)滑动过程中，静电感应产生由电极1向电极2的电流；图8中(c)所示为ptfe膜滑动到与电极2完全重合；图8中(d)所示为pet膜从电极2向电极1滑动过程中，由静电感应产生由电极2向电极1的电流，直至滑块与电极1重合，回到图8中(a)所示的状态，至此本发明基于鱼鳞状电极的发电机完成一个滑动周期的运动。
[0059]
图9为ptfe滑块在平面上，沿任意方向以随机速度滑动时，基于鱼鳞状电极的发电机的电压输出曲线，从图9中可以看出本发明仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机(基于鱼鳞状电极的发电机)可以用于收集滑块在平面内随机滑动时产生的能量。
[0060]
图10所示为用于转动模式时的仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机(转动速度识别传感器)的制作流程，具体制备过程如下：
[0061]
①
电极部分：将在一个平铺的电极部分卷成圆筒状，固定于第一有机玻璃筒内壁，并使用双面胶进行固定防止脱落。
[0062]
②
转动部分(滑动部分)：将与仿鱼鳞结构电极形状和尺寸相同的ptfe滑块粘贴在第二有机玻璃外壁上，然后将第二有机玻璃插入固定有仿鱼鳞结构电极的第一有机玻璃圆筒内，使得ptfe膜与电极部分重合。
[0063]
图11所示为不同转速下，基于鱼鳞状电极的发电机的电流输出特性；图12所示为转轴转动一周，速度为50r/min时，基于鱼鳞状电极的发电机的电流输出特性；图13所示为电流输出特性和1.2s内，基于鱼鳞状电极的发电机脉冲输出个数与转速关系图，图13中s1表示电流与转速之间的关系曲线，即电流的输出特性，s2表示1.2s内基于鱼鳞状电极的发电机脉冲输出个数与转速的关系曲线。
[0064]
从图11、图12和图13中可以看出，当转动速度为50r/min(1.2s/r)时，在1.2s内仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机转轴转动一周，产生了8个脉冲输出，仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机的输出电流随着转轴转动速度的增加而增大，随着转轴转动速度增加时，仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机的输出电流和单位时间内输出的脉冲数线性增加，实验结果表明，仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机不仅能够收集转动能量，可以通过单位时间内仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机产生的脉冲输出个数、输出电流大小和led的明亮程度实现转动速度的检测，基于仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机的转动状态监测传感器具有很好的线性度，并且可以通过调整转动方向上鱼鳞状电极结构的个数实现传感器灵敏度的调整。
[0065]
由于仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机收集机械运动能量时，产生的高电压和不规律的电流无法直接为电子元器件供电，因此需要能量储存装置(电容和电池)对产生的能量进行储存，然后利用储存的能量为电子元器件供电，图14所示为仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机作为便携式电源驱动电子设备的等效电路图。
[0066]
图15所示为仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机为电容器充电，重复为温度计
供电时，实测220μf电容两端的电压曲线，实验结果表明，仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机作为电子设备可持续、环保、便携式的电源具有良好的应用前景。
[0067]
本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机，由于鱼鳞状的电极结构对称周期性排布在平面上且电极的各边形状均为曲线，使得滑块在平面各个方向上滑动都会产生电能，不存在特定方向上不能够收集能量的问题，同时本发明一种基于鱼鳞状电极的发电机避免了三电极结构引入带来的电路结构的复杂性和能量耗散等问题。
[0068]
本发明通过pet封装仿鱼鳞电极结构，使得仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机具有结构简单、可卷曲、可折叠、便于携带和适应性强等特点，鱼类鳞片状的电极结构拓宽了电极结构设计。
[0069]
本发明卷曲后的仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机可用于转动能量收集和旋转状态监测，仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机作为转动状态监测传感器时具有很好的灵敏度和线性度。
[0070]
图16为本发明基于鱼鳞状电极的发电机的制备过程流程示意图，如图16所示，所述基于鱼鳞状电极的发电机的制备过程包括：
[0071]
步骤201：将表面镀有金属的pet膜裁剪成设定形状。
[0072]
其中，金属为铜。
[0073]
将表面镀有金属的pet膜裁剪成设定形状，具体包括：将表面镀有铜的pet膜裁剪成正方形，铜的厚度为35μm。pet膜的厚度为25μm。
[0074]
将裁剪后的pet膜(表面镀有金属的pet膜)使用垫板夹起来，防止材料出现皱褶，通过钻孔机在pet膜上钻出定位孔。
[0075]
步骤202：将光致抗蚀膜粘贴在pet膜上金属的表面。
[0076]
其中，步骤202具体包括：去除铜面氧化和增加铜面的粗糙度，增加光致抗蚀膜与铜面的附着力，将光致抗蚀膜粘贴在铜的表面，作为图形转移的胶片。
[0077]
步骤203：采用菲林按照预设图形对光致抗蚀膜进行曝光。
[0078]
其中步骤203具体包括：将菲林对准已贴好光致抗蚀膜的pet膜相对应的定位孔上，保证菲林图形(预设图形)与pet膜重合，将菲林图形通过光成像原理转移至光致抗蚀膜上。通过光感应的方式，通过曝光光源将摩擦纳米发电机的电极结构形状，照射到光致抗蚀膜上，使光致抗蚀膜感光，被光照射的光致抗蚀膜会形成保护层，未被照射到的光致抗蚀膜不会形成保护层，在显影工序会被显影掉，露出待刻蚀的铜。
[0079]
步骤204：通过显影液将光致抗蚀膜未曝光的区域显影掉。
[0080]
其中，步骤204具体包括：将线路图形未曝光的区域通过显影液显影掉，留下已曝光区域的光致抗蚀膜图形。
[0081]
步骤205：将显影后露出的金属进行刻蚀。
[0082]
步骤206：将刻蚀后pet膜上的光致抗蚀膜剥离，获得电极结构。
[0083]
其中，步骤205-206具体包括：将线路图形显影后露出铜面的区域通过刻蚀液腐蚀掉，留下光致抗蚀膜覆盖的图形部分，通过剥离药液，将蚀刻后的光致抗蚀膜剥离，露出铜，即为所需要的电极结构。
[0084]
步骤207：将电极结构镀有金属的一面，通过热压合覆盖一层pet膜，获得电极部分。
[0085]
其中，步骤207具体包括：在铜箔线路(电极结构上)上，覆盖一层pet膜(厚度为25μm)，经过高温高压将两者压合成一个整体，避免电极氧化和短路，同时起到避免滑动部分与电极结构直接摩擦、绝缘和产品弯折的作用，在有效开窗的铜面沉积一层具有耐酸碱盐的、可焊性好的、可靠性高的镀层，用于连接外电路。
[0086]
本发明通过pet封装仿鱼鳞电极结构，使得仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机具有可卷曲、可折叠、便于携带和适应性强等特点。
[0087]
步骤208：将ptfe膜粘贴在亚克力板上，ptfe膜在亚克力板上的位置分布与电极结构中第一电极或第二电极的位置分布相同。获得本发明摩擦纳米发电机。
[0088]
其中，步骤208具体包括：将与鱼鳞状电极形状和尺寸相同，厚度为200微米的ptfe膜粘贴在亚克力板上。为了提升仿鱼类鳞片结构双电极摩擦纳米发电机的输出性能，本发明采用砂纸打磨的方法提高ptfe滑块表面的粗糙度，图6和图7为砂纸打磨前后ptfe滑块表面扫描电镜图像。
[0089]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0090]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。