[发明专利]平面滑动摩擦纳米发电机、光束方向调节器和光衰减器组

说明书

技术领域

本发明涉及纳米及微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术领域，尤其涉及一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组。

背景技术

近年来，王中林教授研究组发明了摩擦纳米发电机，其原理基于摩擦生电和静电感应现象，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，两种聚合物具有不同的得失电子能力，从而产生电荷分离并形成电势差，两个金属极板通过静电感应在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势的驱动下流经外电路即可形成电流。对于仅3cm²大小的单层摩擦纳米发电机，其输出电压可以高达200～1000V，输出电流为100μA，可以瞬时带动几百个LED灯、无线探测和传感系统以及为手机电池充电等。摩擦纳米发电机的特点是以柔性聚合物膜为基本结构，易加工，器件使用寿命长，容易和其他加工工艺集成，相比压电纳米发电机和其他形式的能量采集器具有更高的输出电压和功率，可以为个人电子产品、环境监控、医学科学等中的MEMS/NEMS器件提供自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力。

随着微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的发展，及其在人体健康实时监测、基础设施监测、环境监测、物联网以及军事技术上的广泛应用，解决小范围的用电问题显得格外重要。由于蓄电池技术具有供电持久性差、对环境污染严重和材料资源消耗大等局限性，无法满足传感器网络的工作环境和MEMS/NEMS技术日益发展的需求。因此，大力开发微纳级可持续性自驱动电源技术，解决MEMS/NEMS器件对可持续性自驱动电源的需求将是未来科技发展的一个重心。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机及应用其的光束方向调节器和双路光衰减器组，以利用平面滑动摩擦纳米发电机输出的高电压驱动压电式和静电式的光调制器，实现对光束方向和强度的调控，解决微机械器件和MEMS器件对外电源的依赖和自驱动技术等问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种平面滑动摩擦纳米发电机。该平面滑动摩擦纳米发电机包括：动摩擦块120；下静摩擦层110，位于动摩擦块120的下方，包括：沿第二方向延伸的两下摩擦块-第一下摩擦块111和第二下摩擦块112，该两下摩擦块111、112沿与第二方向正交的第一方向排列并彼此相互绝缘；以及上静摩擦层130，位于动摩擦块120的上方，包括沿第一方向延伸的两上摩擦块-第一上摩擦块131和第二上摩擦块132，该两上摩擦块131、132沿第二方向排列并彼此相互绝缘；其中，下摩擦块111、112的材料与上摩擦块131、132的材料相同或不同，且两下摩擦块111、112和两上摩擦块131、132的材料与动摩擦块120的材料为位于摩擦电极序中不同位置的材料；当动摩擦块120沿第一方向运动时，其依次与下静摩擦层的第一下摩擦块111和第二下摩擦块112产生摩擦，从而在该两下摩擦块之间产生第一电势差；当动摩擦块沿第二方向运动时，其依次与上静摩擦层的第一上摩擦块131和第二上摩擦块132产生摩擦，从而在该个两上摩擦块之间产生第二电势差。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述平面滑动摩擦纳米发电机的光束方向调节器。该光束方向调节器还包括：第一压电双晶片210；以及第二压电双晶片220，其在水平面的投影与第一压电双晶片210在水平面的投影相互垂直；其中，平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111、112分别电性连接至第二压电双晶片220的两电压输入端，用于控制该第二压电双晶片220的弯曲变形；两上摩擦块131、132分别电性连接至第一压电双晶片210的两电压输入端，用于控制该第一压电双晶片210的弯曲变形。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种利用上述光束方向调节器的光束方向调节方法。该光束方向调节方法中，光源的出射光束依次经过第二压电双晶片220和第一压电双晶片210末端的两次反射后出射；平面滑动摩擦纳米发电机中两下摩擦块111、112输出的电势差用于驱动第二压电双晶片220产生弯曲变形，从而使得出射光束在上下方向产生位移；平面滑动摩擦纳米发电机中两上摩擦块131、132输出的电势差用于驱动第一压电双晶片210产生弯曲变形，从而使得出射光束在左右方向产生位移。