[發明專利]一種折疊式微型震動發電機及其制造方法

有效

• 申請號: 201310021766.3
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103944442A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 張海霞;孟博;唐偉
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明涉及一種折疊式微型震動發電機及其制造方法，具體涉及一種利用靜電感應原理，基于撓性基底制備的折疊式微型震動發電機。

背景技術

在全球能源危機不斷深化，供需矛盾日益惡化的背景下，從生活環境中采集能量將有望成為實現能源可持續發展的有效途徑，尤其是在消費電子、植入式醫療器件、物聯網等領域發揮作用。通過微納米加工技術制備微型發電裝置是近年的研究熱點，研究人員通過不同的加工手段制備得到了多種基于壓電、電磁、熱電等原理的微型發電機，并實現了一定的應用。但上述類型的微型發電機，受限于其較低的輸出功率密度和能量轉換效率，很難滿足實際應用需求。

利用靜電感應原理，通過兩個不同表面的互相摩擦或撞擊產生靜電荷積累，并使兩個表面延垂直表面方向做靠近、分離的往復運動，從而在分別對應這兩個表面的感應電極間形成電荷輸運，從而可以完成對周圍環境機械能的高效率采集，實現高輸出功率密度和能量轉換效率的折疊式微型震動發電機。

單個的基于靜電感應原理的拱形摩擦納米發電機[Wang，S.，Lin，L.?and?Wang，Z.L.Nanoscale?triboelectric-effect-enabled?energy?conversion?for?sustainably?powering?portable?electronics.Nano?Letters12，6339-6346(2012).]已經通過較為復雜的微納米加工工藝制備得到，并可以達到較高的瞬時輸出電壓。但其通過多層復合薄膜制備拱形結構，制備工藝復雜，成本高昂，而且難以實現批量制備和組裝。

發明內容

針對現有技術存在的技術問題，本發明的目的在于提供一種折疊式微型震動發電機及其制造方法，采用折疊結構，兩個表面摩擦層和兩者之間的感應電極構成折疊單元，可極大提高單位面積的輸出功率，同時利用折疊結構本身的撓性，在保證輸出功率的基礎上，可有效減少轉換成拱形結構彈性勢能所消耗的能量，從而有效提高能量轉換效率。本發明提出的制造方法工藝簡單、成本低、成品率高、生產周期短、可實現批量制備，單個折疊微型震動發電機在制備成型后無需進行人工或機械組裝，因而性能一致度高，可有效降低甚至消除多個微型震動發電機并連組裝時的損耗。該制造方法與印刷電路板工藝兼容，可方便實現多個折疊微型震動發電機串并連組裝成發電機組及其與外部負載電路的互連。

為達到上述目的本發明提供了一種折疊式微型震動發電機，其結構包括由兩層撓性絕緣基底和感應電極構成的可折疊三明治基底、第一摩擦結構單元，第二摩擦結構單元。三明治基底上、下表面周期性分布第一摩擦結構單元、第二摩擦結構單元，且上、下表面結構對稱。兩個互補的梳齒狀感應電極分別對應兩個摩擦結構單元，沿兩個梳齒間隙將三明治基底壓折成鋸齒狀，即制備得到折疊式微型震動發電機，折疊層數由感應電極的梳齒總數決定，梳齒總數不小于兩個。

上述方案中所述撓性絕緣基底為撓性高聚合物材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene?terephthalate，PET)，聚酰亞胺(polyimide，PI)等，其厚度為20μm-60μm。

上述方案中所述感應電極為導電性好的金屬材料，如銅、鋁等，其厚度為1μm-20μm，其形狀為兩個互補的梳齒結構，分別與兩個摩擦單元對應。

上述方案中所述第一摩擦結構單元表面具有微納米陣列結構，其材料為在發生緊密接觸后容易失去電子積累正電荷的材料，如銅、銀、金、鋁、PET等。

上述方案中所述第二表面摩擦結構單元為光滑表面或微納米陣列結構表面，其材料為在發生緊密接觸后容易得到電子積累負電荷的材料，如PI，聚二甲基硅氧烷(polydimethyl?siloxane，PDMS)，聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)等。

本發明還提供了一種折疊式微型震動發電機制造方法，包括以下步驟：

a、在撓性絕緣基底上淀積或鍵合一層金屬薄膜作為電極層；

b、通過光刻和化學腐蝕或物理刻蝕在電極層制備得到感應電極，感應電極由兩個互補的梳齒狀結構組成，其梳齒總數決定發電機折疊層數，梳齒總數大于等于2；

c、在感應電極上鍵合另一層撓性絕緣基底，構成可折疊三明治基底；

d、在三明治基底上、下表面分別加工第一摩擦結構單元；

e、在三明治基底上、下表面分別加工第二摩擦結構單元；

f、通過電鍍、鈍化等物理化學方法對摩擦結構單元進行修飾；