一种压电纳米发电机

1.本实用新型属于压电发电新能源领域，涉及一种压电纳米发电机。


背景技术：

2.目前的以压电薄膜为压电材料的压电纳米发电机主要以单层压电薄膜纳米发电机为主。压电纳米发电机的基本原理是：压电材料在受到外加载荷时发生形变，内部产生极化现象，在材料体表面出现符号相反的电荷，产生的电荷密度与外载荷的大小成正比。当纳米线在外载荷下动态拉伸或压缩时，纳米线中产生压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡纳米能级，从而产生电能。
3.根据压电材料的压电效应，压电纳米发电机能够从环境中收集微弱的机械能并将其转换为电能。然而，单层的压电纳米发电机对外界的载荷响应程度小，产生的压电效应微弱导致压电纳米发电机的输出电压低，不能提供高的输出功率密度。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种压电纳米发电机，克服了单层的压电纳米发电机对外载荷响应程度小所导致的输出电压低的缺陷，提高压电纳米发电机的输出功率密度。
5.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
6.压电纳米发电机，包括压电材料层和压电电极层；
7.压电电极层数量为两层，分别作为正负电极设置在压电材料层上下表面，设置有两层压电电极层的压电材料层呈s形弯折，形成叠层结构，相同电极的压电电极层贴合设置，形成贴合层，不同电极的贴合层依次交错设置。
8.优选的，最上层或最下层的两层压电电极层分别连接有整流电路的正负极。
9.优选的，压电材料层的厚度为20nm到20mm。
10.优选的，压电材料层采用压电陶瓷、氧化物和聚合物的任意一种或混合物制成。
11.进一步，所述压电陶瓷包括锆钛酸铅、氧化锌或聚偏氟乙烯。
12.优选的，压电电极层的厚度为10nm到10mm。
13.进一步，压电电极层采用金属、金属合金或金属氧化物制成。
14.优选的，两层压电电极层采用磁控溅射法制成。
15.优选的，两层压电电极层采用电镀或印刷铺覆在压电材料层上下表面。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
17.本实用新型通过将设置有两层压电电极层的压电材料层呈s形弯折，形成叠层结构，能够增强对外界载荷的响应强度，能够承受更大的载荷，输出高电压，而且s形弯折形成的叠层结构，相同电极的压电电极层贴合设置，能够避免因为正负压电电极层的接触相反造成电荷的中和从而导致压电纳米发电机的输出功率密度、驱动指向和转换效率的降低。
附图说明
18.图1为本实用新型的结构示意图；
19.图2为本实用新型的图1的a-a向截面图；
20.图3为本实用新型的与整流电路连接示意图；
21.图4为本实用新型的单层结构压电纳米发电机受力示意图；
22.图5为本实用新型的叠层结构压电纳米发电机受力示意图；
23.图6为本实用新型的单层结构压电纳米发电机的实际测试输出结果图；
24.图7为本实用新型的叠层结构压电纳米发电机的实际测试输出结果图。
25.其中：1-正压电电极层；2-压电材料层；3-负压电电极层；4-整流电路。
具体实施方式
26.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
27.本实用新型提供压电纳米发电机，如图1所示，该压电纳米发电机包括正压电电极层1、压电材料层2和负压电电极层3，所述的正压电电极层1和负压电电极层3通过磁控溅射法形成压电材料层2的两侧电极，然后呈s形弯折，形成叠层结构，实现压电纳米发电机。相同电极的压电电极层贴合设置，形成贴合层，不同电极的贴合层依次交错设置。
28.本实用新型不限制压电材料层表面的正压电电极层1和负压电电极层3的具体施加方法，只要其能够使得在压电材料层表面形成电极层即可。例如，正压电电极层1和负压电电极层3可以通过电镀，印刷方法等等。
29.叠层后的每一压电层与相邻的压电层电极接触时都是相对应的正负压电电极层，如图2所示。避免压电纳米发电机工作时，因为正负压电电极层的接触相反造成电荷的中和从而导致压电纳米发电机的输出功率密度，驱动指向和转换效率的降低。
30.在根据本实用新型的叠层结构纳米发电机中，未叠层前的压电纳米发电机的结构可以采用单层结构压电纳米发电机，其中，该单层压电纳米发电机可以包括依次正压电电极层1、压电材料层2和负压电电极层3。正压电电极层1和负压电电极层3可以由诸如金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟)等导电材料形成，其厚度可以为10nm到10mm。压电材料层2可以由锆钛酸铅(pzt)、氧化锌、聚偏氟乙烯(pvdf)等压电陶瓷以及氧化物或聚合物等材料形成，其厚度可以为20nm到20mm。另外，单层结构压电纳米发电机的压电极化方向可上可下，本实用新型对此不进行限制。
31.应当理解的是，上述单层压电纳米发电机的结构仅是示例，实际上，本实用新型对单层压电纳米发电机的结构具体结构不进行限制，也即任何结构的压电材料层构成的单层压电纳米发电机结构均可应用于本实用新型的叠层结构的纳米发电机的结构中。
32.根据本实用新型的一个优选实施方式，在根据本实用新型的压电纳米发电机中，所述的叠层层数优选为多层。以下对此进行详细描述。
33.如图1的压电纳米发电机剖面示意图所示，压电纳米发电机的叠层数可以是三层，也可以是n层，根据实际需要的压电纳米发电机的厚度来决定，本实用型不做限制。
34.以下以图1所示的叠层结构纳米发电机为例来描述根据本实用新型的叠层结构纳米发电机的工作原理：当叠层结构的压电纳米发电机受到外界机械刺激时，由叠层结构形成的每一层压电材料层2发生形变从而在对应的该压电材料层2的上下表面上产生电势差，
并使得形成的每一层压电材料层2相邻的正压电电极层1和负第二压电电极层3的表面上感应出相反的电荷，在外电路接通的情况下就会发生电荷定向移动并形成电流，从而输出电能。这样就实现了根据本实用新型的叠层结构的纳米发电机利用机械能进行发电的目的。
35.另外，图3中示出了叠层结构纳米发电机的电路连接形式。其中，叠层结构的压电纳米发电机的正压电电极层1和负压电电极层3作为压电公共电极，收集每一压电层在受到机械刺激时产生形变形成的电荷，该公共电极与整流电路4相连，通过整流电路将收集到的电荷输出为电流。
36.如图4所示，单层结构压电纳米发电机与叠层结构压电纳米发电机相比，在受到等大的能够使压电纳米发电机产生形变的压力时，单层结构压电纳米发电机只有一层压电层产生形变，在压电层两侧产生相应的正负电荷。如图5所示，而叠层结构压电纳米发电机随着折叠层数的增长，在能使压电纳米发电机产生形变的压力下，叠层结构产生形变的压电层层数是单层结构的数倍，在同一个受力点，压电层的受力面积极大的增大，产生的电荷量也在增大。
37.在相同的实验条件下，单层结构压电纳米发电机和叠层结构压电纳米发电机同时施加压力大小50pa。在10倍探针下，图6为单层结构压电纳米发电机的实际测试输出结果，单层结构的输出电压为1.5v；图7为叠层结构压电纳米发电机的实际测试输出结果，叠层结构的输出电压为1.75v。在本次输出性能测试中叠层结构的压电纳米发电机只按照本实用新型结构折叠一次进行实验，相比较单层结构压电纳米发电机输出电压增大0.25v，可见叠层结构在与单层结构在同一作用力下输出性能有增长趋势，当随着叠层结构的叠层数增多时，受力点增大，输出性能会进一步提高。
38.以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。