[发明专利]一种用于增强风致振动中摩擦起电性能的装置

说明书

本发明公开了一种用于增强风致振动中摩擦起电性能的装置，包括中间设置的打孔的柔性薄膜摩擦电极作为中间层，上下两侧对称着的拱形支撑架基底，及基底上所附着的摩擦介电层。所述柔性薄膜摩擦电极作为中间层，薄膜上下表面均导电可作为摩擦面，所述柔性薄膜摩擦电极水平设置。摩擦介电层位于柔性薄膜摩擦电极两侧，与柔性薄膜摩擦电极之间形成拱形的空隙，柔性薄膜摩擦电极与上下两侧的摩擦介电层形成两个TENG单元。在摩擦介电层黏附支撑架基底的一侧进行金属电极表面修饰处理，沉积数百纳米厚度的金属层作为摩擦介电层的输出电极。所述柔性薄膜摩擦电极表面打孔和和孔的图案化设计。本发明有效提高基于柔性摩擦材料的风致振动型TENG器件的能量收集效率。

技术领域

本发明属于微型能量收集技术领域，具体涉及一种用于增强风致振动中摩擦起电性能的装置。

背景技术

信息科技的发展加剧了对能源的需求，利用新型的微型能量采集手段，实现从环境中收集能源的自供电技术已成为物联网传感未来发展的重要方向。微型环境能量收集技术是低功耗无线传感网络节点和移动电子设备持久可靠供电的前瞻性技术。近年来，新兴的摩擦电纳米发电机(TENG)技术成为了一种有效的能量收集和转化方式，TENG能量采集器件几乎可以从所有环境机械运动中获取能量并转化为电能。TENG具有制造简单、易于组装、成本低适用性高等优点。环境中的风能是自然界中最常见的清洁能源之一，尤其是风速较低的微风(＜3m/s)基本存在所有地区和大部分时间中。基于TENG的能量采集器件对这种低频微风能量源的收集具有独特的优势。尤其是在风的流动下发生风致振动型的TENG器件，通过柔性摩擦层的风致振动可以高效俘获微风能，进而利用摩擦起电和接触起电效应将风致振动能转化为电能。

然而，当前对于微风能收集的TENG器件普遍存在输出电流较低、转化效率不足的问题。对基于风致振动型TENG器件，其收集风能转化到电能的多少取决于柔性摩擦层的风致振动状态。对基于TENG技术的风致振动型风能收集器件而言，风致振动状态主要为柔性摩擦层在风流下振动的频率和幅度。因此，要想从风致振动型TENG器件工作机制上入手提升其性能，优化器件中摩擦层的风致振动是一个重要的途径。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于增强风致振动中摩擦起电性能的装置，通过在柔性薄膜摩擦层上进行穿孔和孔的图案化设计，进而增强薄膜摩擦层风致振动性能(振频、振幅)，通过对风致振动性能的优化，将有效提高基于柔性摩擦层材料的风致振动型TENG器件的能量收集效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于增强风致振动中摩擦起电性能的装置，包括中间位置设置的柔性薄膜摩擦电极，上下两侧对称着的拱形支撑架基底，及基底上所附着的摩擦介电层，所述柔性薄膜摩擦电极作为中间层，薄膜上下表面均导电可作为摩擦面，所述柔性薄膜摩擦电极水平设置，摩擦介电层位于柔性薄膜摩擦电极两侧，与柔性薄膜摩擦电极之间形成拱形的空隙，柔性薄膜摩擦电极与上下两侧的摩擦介电层形成两个TENG单元，所述柔性薄膜摩擦电极表面进行图案化打孔，在摩擦介电层黏附支撑架基底的一侧进行金属电极表面修饰处理，沉积数百纳米厚度的金属层，作为摩擦介电层的输出电极。

所述摩擦介电层整体尺寸小于支撑架基底。

所述柔性薄膜摩擦电极厚度在50-500μm区间。

所述摩擦介电层上附着的金属电极利用真空蒸镀、磁控溅射或类似的物理沉积工艺镀膜进行表面修饰处理。

由于柔性薄膜摩擦电极在风流作用下的运动，为近似垂直于风流的弯曲变形耦合扭转变形的运动，所述柔性薄膜摩擦电极表面进行图案化打孔在于通过改变薄膜振动时其附件的气流分布，增强薄膜振动的频率和幅度，所述柔性薄膜摩擦电极为薄膜长条状的形状，打孔图案沿着薄膜长度方向分布，以薄膜长度方向中轴线为准，孔的阵列排布平行于中轴线，或呈斜线与中轴线成一角度，或者呈现不规则的曲线，以增强柔性薄膜风流中振动的频率和幅度。柔性薄膜上的孔不止一排，数量多时为多排分布。