[发明专利]静电发电机及其制备方法和自驱动传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及一种将机械能转化为电能的静电发电机及其制备方法，以及应用静电纳米发动机的自驱动传感系统。

背景技术

当今电子器件产业发展迅速，并趋向于无线、便携和多功能化方向发展，这就要求器件能有一个可以独立、持久工作的电源。因为我们的生活和周围环境中有很多各种形式的机械能，像车辆移动、潮汐、人体运动等等，不胜枚举。自从2006年，基于纳米压电材料的纳米发电机问世，可以收集环境中的机械能，并将其转化为电信号，为小型电子设备（尤其是植入式的电子设备）的供电问题提供了一个很有前景的解决方案；近年来，人们研究出一种基于两平板表面接触起电的平板式静电发电机，也可以有效的将机械能转化为电能。以上所述的两种类型的纳米发电机具有相似的工作原理：首先，在外力作用下发电机中存在不可移动的电荷（压电发电机中的离子电荷和静电发电机中的静电荷），在周期性的变形过程中，发电机中的正负电荷中心（或平面）会发生循环往复的分离和重合过程，而在这个过程中顶电极和底电极上产生的交变的电势差会驱动外电路的可移动载流子（即电子）的定向移动，从而产生交流的电流信号。

但是，到目前为止，已经研发的纳米发电机的输出功率仍然太小，还不足以达到驱动商用电子设备正常工作的需求。对于静电发电机来说，要提高其输出功率可以从两个主要方面进行：一方面，可以选取两种得电子能力差异较大的材料作为发电机的主要部分，或者通过表面修饰，可以提高接触起电过程中在材料表面产生的电荷密度；另一方面，对于平板式的静电发电机，两个平板之间的有效接触和分离对纳米发电机的输出性能有很重要的影响。由于外力的挤压作用只能提供使得两个平板相接触的驱动力，而接触产生静电荷之间的引力反而会使得两个平板之间的有效分离变得困难。目前，在两平板之间引入一种弹性隔离层来实现两个平板之间的分离，但是，隔离层的引入会阻碍两个平板之间的有效接触，从而影响纳米发电机的输出性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电发电机，能够克服现有静电发电机中隔离层的引入使产生静电的两个平板接触不充分的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种静电发电机，包括：

弯曲的柔性基底，所述基底的外表面制备有电极层；

贴合在所述基底内表面的高分子薄膜层；

与所述高分子薄膜层边缘粘贴的金属薄膜，所述金属薄膜与所述高分子薄膜之间形成拱形空腔；

其中，所述高分子薄膜层和金属薄膜具有不同的得电子能力。

优选地，所述基底包括：

弯曲的有机物衬底；

所述衬底外表面的弯曲动力层；

其中，所述弯曲动力层与有机物衬底具有不同的热膨胀系数。

优选地，所述高分子薄膜层和/或金属薄膜面向空腔的表面具有微纳结构。

优选地，所述静电发电机还包括全桥整流电路，所述全桥整流电路的两个输入端分别连接所述电极层和所述金属薄膜，所述全桥整流电路的两个输出端为静电发电机的输出端。

优选地，所述高分子薄膜层为聚对二甲基硅氧烷薄膜；所述金属薄膜为铝箔。

优选地，所述有机物衬底为聚酰亚胺；所述弯曲动力层为二氧化硅薄膜。

优选地，所述高分子薄膜层和/或金属薄膜面向空腔的表面具有金字塔阵列或立方体阵列的微纳结构。

相应地，本发明还提供一种静电纳米发动机的制备方法，包括步骤：

提供弯曲的柔性基底；

将高分子薄膜贴合在所述基底的内表面；

在所述基底的外表面制备电极层；

用绝缘胶将所述高分子薄膜的边缘与金属薄膜的边缘粘贴，使所述高分子薄膜与金属薄膜之间形成拱形空腔。

优选地，所述提供弯曲的柔性基底步骤为：

提供平面型有机物衬底；

采用高温沉积方法在所述有机物衬底的上表面制备金属氧化物薄膜层；

将制备有金属氧化物薄膜层的有机物衬底取出冷却至室温，形成弯曲的柔性基底。

优选地，所述将高分子薄膜贴合在所述基底的内表面步骤前还包括：在高分子薄膜的上表面制备微纳米结构；

相应地，将高分子薄膜贴合在所述基底的内表面的步骤为：将高分子薄膜贴合在所述基底的内表面，使所述微纳米结构与所述基底分别位于所述高分子薄膜的上下表面。

优选地，所述用绝缘胶将所述高分子薄膜的边缘与金属薄膜的边缘粘贴步骤前还包括步骤：在所述金属薄膜的上表面制备微纳米结构；