一种内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机及自供能传感器

1.本发明涉及自供能技术领域，具体而言，尤其涉及一种内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机及自供能传感器。


背景技术：

2.随着现代社会快速发展和人工智能时代的到来，人们的日常生活已经越来越离不开各种电子设备。无论是个人小型化电子设备还是工业生产设备，都离不开电能的持续供应。能源短缺问题已经日益严重，急需要开发可利用再生能源的机械设备缓解传统能源短缺造成的问题。无论是风能、海洋能还是声能等可再生能源，均储量大、分布范围广，无污染，有很好的利用价值。但目前对可再生能源的开发技术利用率较低，所以探究新的可再生能源利用方式对促进社会健康发展和解决能源短缺有着极其重要的意义。
3.目前现有的新型能源技术主要是太阳能供电和燃料电池供电，但太阳能供电受限于各种环境因素，如温度和湿度以及海拔高度，很难大面积铺设；燃料电池受限于燃料携带和安全问题。二者都只能一定程度解决能源短缺问题。在此背景下新型自供能技术应运而生。新型自供能技术通过收集环境风能、振动能、声能等实现对传感器及微型电子器件自供能、为解决能源短缺问题提供了可能。传统自供能技术主要依靠光电效应、压电效应和电磁感应效应。这类技术虽然能够实现对设备的自供能，但是器件结构较大、成本高昂、结构复杂，很难带动自供能技术进一步发展。
4.基于摩擦起电和静电感应作用耦合的摩擦纳米发电机技术在近些年被提出，其具有输出功效高、制备工艺简单、制备成本低、能量转换过程清洁无污染的特点，且可通过不同结构的设计广泛应用于各种环境能量的收集，在未来环境能量的收集和新能源利用方面具有很大发展前景。目前，摩擦纳米发电机已被广泛应用于环境能量收集，它可将所采集的环境能量转换为电能为电子设备供电。
5.风能作为自然界中广泛存在的清洁能源之一，通过设计合适的摩擦纳米发电机结构，实现将风能转换为电能输出，可有效缓解当今社会所面临的能源短缺问题。现有设计的用于风能收集的旗帜型摩擦纳米发电机能量密度低、小面积发电旗帜的输出能效低，只能通过多个旗帜串并联处理提升整体的输出能效为传感器节点和电子器件供电，该处理方式加大了整体发电器件的大小，且外部电路过多也易产生线路问题，无形中降低了摩擦纳米发电机的耐久度。


技术实现要素：

6.根据上述提出的现有旗帜型摩擦纳米发电机能量密度低、输出能效低的技术问题，而提供一种内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机及自供能传感器。本发明能够提升旗帜型摩擦纳米发电机发电的能量密度，使单个小型旗帜型摩擦纳米发电机也可以有较大的能效输出。
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
9.聚四氟乙烯薄膜，所述聚四氟乙烯薄膜的两面均经过砂纸打磨处理；
10.聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜分别敷设在所述聚四氟乙烯薄膜的上、下表面，且任意所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜朝向聚四氟乙烯薄膜的表面均匀涂刷导电油墨；
11.所述聚四氟乙烯薄膜与上、下设置的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的边缘固定连接；
12.受到外部振动时，所述聚四氟乙烯薄膜的中部分别与上、下设置的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜交替接触和分离，从而产生摩擦带电使聚四氟乙烯薄膜带负电，两侧聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜分别带正电，由于聚四氟乙烯薄膜运动过程中与两侧聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜间距的不同而使两侧聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜具有电势差，外接外部电路后可在稳定进风的条件下产生电流。
13.进一步地，在所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜涂刷导电油墨的一侧沿长度方向上、垂直长度边均匀设置有若干软质细垫条。
14.进一步地，所述聚四氟乙烯薄膜在长度方向上划分为第一部分和第二部分，其中所述第二部分的宽度小于第一部分。
15.进一步地，所述第二部分在宽度方向上被均匀裁切为若干带状结构。
16.进一步地，所述聚四氟乙烯薄膜的第一部分的长度占聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜总长度的7/50-11/50。
17.进一步地，在所述聚四氟乙烯薄膜的任意一个面的边缘位置黏贴一个框状柔性绝缘层，以防止聚四氟乙烯薄膜两侧的导电油墨层相互接触引起短路。
18.进一步地，所述框状柔性绝缘层宽度为5mm。
19.进一步地，所述摩擦纳米发电机还包括用于连接所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上的导电油墨层从而实现电能输出的导线。
20.本发明还公开了一种自供能传感器，包括整流电路、传感装置以及如上述任意一项所述的内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机；
21.所述内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机产生的电能通过导线传输至整流电路整流后为所述传感装置供能。
22.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.本发明共对原始旗帜型摩擦纳米发电机进行三次优化，分别为风致振动薄膜的改性处理、导电油墨层加垫层处理以及风致振动薄膜切割增加自由度处理。例如在7cm*14cm的旗帜尺寸下，未经任何处理的原始旗帜型摩擦纳米发电机在11.1m/s的环境风能下，开路电压为24v，短路电流为2μa，转移电荷量为14nc。风致振动薄膜经过1200目砂纸改性处理后在相同条件下，开路电压为35v，短路电流为2.82μa，转移电荷量为31nc。进一步，导电油墨层加垫层处理后，开路电压为37.5v，短路电流为2.89μa，转移电荷量为34nc。进一步，风致振动薄膜切割增加自由度处理后，在最佳自由度时，开路电压为78v，短路电流为7.0μa，转移电荷量为72nc。旗帜型摩擦纳米发电机的输出性能得到明显提升。
附图说明
24.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
25.图1为本发明内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机结构爆炸图。
26.图2为本发明聚四氟乙烯薄膜平铺状态下形状示意图。
27.图3为本发明聚四氟乙烯薄膜振动状态下形状示意图。
28.图4为本发明自供能传感器结构示意图。
29.图中：1、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，2、导电油墨层，3、软质细垫条，4、聚四氟乙烯薄膜，401、第一部分，402、第二部分，5、柔性绝缘层。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
35.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
36.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
37.本发明公开了一种内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机，包括聚四氟乙烯薄膜4和聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1。本发明中的聚四氟乙烯薄膜4的两面均经过砂纸打磨处理。聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1分别敷设在所述聚四氟乙烯薄膜4的上、下表面，且任意所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜朝向聚四氟乙烯薄膜的表面均匀涂刷导电油墨形成油墨层2。聚四氟乙烯薄膜4与上、下设置的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1的边缘固定连接；受到外部振动时，聚四氟乙烯薄膜4的中部分别与上、下设置的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1交替接触和分离，从而产生相对摩擦进而导致电子运动产生电流。在本发明优选的实施方式中，采用1200目砂纸打磨聚四氟乙烯薄膜4。理论上来说，打磨后的聚四氟乙烯薄膜4均可以实现功能，但砂纸目数越大，改性处理效果越好。此处选择1200目是综合砂纸成本和处理效果后选择的，实际上只需要经过砂纸改性处理即可。
38.进一步地，在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1涂刷导电油墨的一侧沿长度方向上、垂直长度边均匀设置有若干软质细垫条。优选地，软质细垫条以两对为佳，过多软质细垫层会使两侧pet薄膜和ptfe薄膜难以完全接触摩擦带电。
39.进一步地，所述聚四氟乙烯薄膜4在长度方向上划分为第一部分和第二部分，其中所述第二部分的宽度小于第一部分，如图2所示。更进一步地，所述第二部分在宽度方向上被均匀裁切为若干带状结构，如图3所示。
40.具体来说，第一部分的长度应当远小于第二部分的长度。根据实验观察可知，旗帜型摩擦纳米发电机在进风条件下，距离旗帜根部固定位置11/50处会发生第一次弯折，内部ptfe薄膜会产生拍打pet薄膜的情况，故为使切条这种处理方式有效，必须在距离根部11/50之前切条。切条太长的话，内部ptfe薄膜又容易卷边使pet两侧的碳层导通电路短路，失去产电能力。因此，在本技术中聚四氟乙烯薄膜的第一部分的长度占聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜长度的7/50-11/50，在一个较佳的实施方式中，优选为1/5比例为佳。
41.另外，本技术中ptfe薄膜与pet薄膜尺寸相当，优选内部ptfe薄膜总长要比pet薄膜略短，短的距离不超过5mm。该长度应不超过柔性绝缘层宽度，避免两侧pet薄膜接触短路且使得ptfe薄膜没有固定的一侧可以随意摆动。
42.在如图3所示的较佳的实施方式中，优选将第二部分在宽度方向上均匀裁切为5个带状结构。实际上条状结构的数量可以根据实际情况变化，据实验观察可知，当带状结构数量由1-5逐渐提高时，摩擦纳米发电机产生电能的性能逐渐提升，当带状结构数量由5-8逐渐降低时，摩擦纳米发电机产生电能的性能逐渐降低，由此本实施例中优选为5条带状结
构。
43.进一步地，在所述聚四氟乙烯薄膜的任意一个面的边缘位置黏贴一个框状柔性绝缘层，以防止聚四氟乙烯薄膜两侧的导电油墨层相互接触引起短路。
44.进一步地，所述框状柔性绝缘层宽度为5mm。
45.进一步地，所述摩擦纳米发电机还包括用于连接所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上的导电油墨层从而实现电能输出的导线。
46.下面通过具体的应用实例结合附图对上述摩擦纳米发电机的结构做进一步说明。
47.如图1所示，本发明提供了一种内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机，主要由五层薄膜组成，中间薄膜为经1200目砂纸表面处理的聚四氟乙烯(ptfe)薄膜4，优选厚度为0.08mm。聚四氟乙烯(ptfe)薄膜4两外侧薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜1，优选厚度为25μm，分别在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜一侧刷导电油墨2，导电油墨层可以完整覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜层保证导电即可，理论导电油墨层上越薄越好。其中刷有导电油墨2的聚对苯二甲酸乙二醇酯1的一侧分别与聚四氟乙烯4相对，形成pet-ptfe-pet的双电极摩擦纳米发电机。其中聚四氟乙烯薄膜作摩擦层，两侧刷有导电油墨的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜既作导电层，又作摩擦层。
48.进一步的，在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1上刷有导电油墨层2的一面，粘贴两对细垫层3，其材料性质要求为软质垫层。
49.进一步地，为了避免中间聚四氟乙烯薄膜4宽度减小而引起聚四氟乙烯薄膜4两侧刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1上的导电油墨层2相互接触引起短路，故须在任意一个聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1刷有导电油墨2的一侧粘合一层柔性的绝缘层5，本实施例优选使用透明胶带为绝缘层，沿聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜外1侧一周向内贴一个宽度为5mm的环状绝缘层。
50.进一步的，为了增加中间聚四氟乙烯层4与两侧聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜1的接触分离效果，对中间的聚四氟乙烯薄膜4进行均等切割处理增加自由度，切割从聚四氟乙烯薄膜旗杆对侧开始，向旗杆侧切割，切割长度达薄膜总长度的4/5结束，形成多条长度宽度相同的条状聚四氟乙烯薄膜。
51.进一步，对两张刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上的导电油墨层进行处理，在靠近旗杆侧的导电层一端引出导线，两个导电层一共引出两根导线用于该摩擦纳米发电机的电能输出。其中，整个旗帜型摩擦纳米发电机四边通过粘合剂(本专利使用普通双面胶作为粘合剂)在一起。
52.本发明还公开了一种自供能传感器，如图4所示，包括整流电路、传感装置以及如上述任意一项所述的内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机；内部多自由度旗帜型摩擦纳米发电机产生的电能通过导线传输至整流电路整流后为所述传感装置供能。
53.上述旗帜型摩擦纳米发电机可通过收集环境风能为微型传感器节点或电子器件供电，具体原理如下：
54.当风从某个方向吹来时，整个旗帜产生风致振动，其内部聚四氟乙烯薄膜条产生自由振动，对两侧的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行交错拍打，从而产生摩擦带电效果使聚四氟乙烯薄膜带负电，两侧聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜分别带正电，由于聚四氟乙烯薄膜运动过程中与两侧聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜相对间距的不同而使两侧聚对苯二甲酸
乙二醇酯薄膜具有电势差，外接外部电路后可在稳定进风的条件下产生电流，接入外在负载电路就可对外在微型传感器节点或电子器件供电。
55.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。