[发明专利]一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法，具体涉及一种基于静电感应原理的单摩擦表面微型发电机。

背景技术

利用微型发电机从生活环境中采集能量，实现对植入式医疗器件、无线传输系统，乃至消费类电子的自供能，无论对器件或设备本身的应用，还是能源可持续发展来说都具有非常重要的意义。基于光电，压电，热电，静电等原理，研究人员制备得到了多种微型发电机，并实现了一定的应用。

基于静电感应原理的微型摩擦发电机可以完成对周围环境机械能的高效率采集，实现高输出功率密度和能量转换效率。一种基于静电感应原理的拱形摩擦纳米发电机[Wang，S.，Lin，L.and Wang，Z.L.Nanoscale triboelectric-effect-enabled energy conversion for sustainably powering portable electronics.Nano Letters12，6339-6346(2012).]已经通过较为复杂的微纳加工手段制备得到，并可以达到较高的瞬时输出电压。但其通过多层复合薄膜制备拱形结构，制备工艺复杂，成本高昂，同时拱形结构的设计极大局限了其应用范围。

对于触控手机，平板，触控电脑等具备触控屏幕的消费电子设备而言，使用者在日常使用中需要通过不断的触摸来操作设备，在反复的触摸过程中消耗了大量的机械能。在触控屏幕表面集成平面发电装置，将这部分能量采集并转换成电能，对设备进行充电，延长设备使用时间，乃至实现自供能，将具有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法，采用单摩擦表面设计，当手或者其他物体触摸摩擦表面时即成为第二个摩擦表面，在触摸过程中产生电荷转移，当手或者其他物体与摩擦表面分离时，即在对应摩擦表面的感应电极与作为近似零电势的另一感应电极之间产生电势差，当两个电极连通时即形成电流，从而将触摸产生的机械能转换成电能。本发明提供的单摩擦表面微型发电机可薄至约10μm，发电机整体透明，具有在触控手机，平板，触控板等消费类电子领域应用的潜力。本发明提出的制造方法具有工艺简单、高效、低成本、高成品率等特点。

本发明提供的单摩擦表面微型摩擦发电机，其结构包括由第一感应电极，第二感应电极，绝缘基底和表面摩擦结构层；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层对应(即与摩擦工作区对应)，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔，由于第二感应电极距离作为摩擦表面的表面摩擦结构层具有一定间距，受摩擦表面电荷影响微弱，可近似等同于零电势。

上述方案中所述绝缘基底为透明绝缘材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)，玻璃等，其厚度为5μm-100μm。绝缘基底可适用于任何形状的平滑表面，如平面，拱形面，球面等。

上述方案中所述第一感应电极和第二感应电极为导电性好的透明材料，如铟锡氧化物半导体(ITO)等，其厚度为0.1μm-20μm。

上述方案中所述表面摩擦结构层为光滑表面或具有微纳米阵列结构的表面，对于触控应用，手指优先考虑(其他如带上手套等也可以操作)，其材料为在与手指发生接触后容易产生电荷转移的透明材料(优选是相对易于得到电子的材料，可以产生更大输出电压；但是相对不易于得到电子的材料也可以应用)，如PET，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)，聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等。

本发明还提供了一种单摩擦表面微型发电机制造方法，包括以下步骤：

a、在绝缘基底下表面淀积或涂布一层透明导电薄膜；

b、通过光刻和化学腐蚀或物理刻蚀将导电薄膜图形化，制备得到第一感应电极和第二感应电极；

c、在绝缘基底上表面加工表面摩擦结构层；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层对应，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔，由于第二感应电极距离作为摩擦表面的表面摩擦结构层具有一定间距，受摩擦表面电荷影响微弱，可近似等同于零电势；

上述单摩擦表面微型发电机制造方法中：

步骤a中所述绝缘基底为透明绝缘材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)，聚酰亚胺(polyimide，PI)，玻璃等。