[发明专利]静电脉冲发电机和直流脉冲发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的静电脉冲发电机和直流脉冲发电机。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池有三点难以克服的局限性，第一是较大的体积和较重的质量，使得整个电子系统难以实现小型化；第二是有限的寿命，特别是对于由大量分散的传感器所组成的网络，有限的电池寿命将带来极高的维护成本；第三是有毒化学物质对环境和人体潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能从而实现无需外接电源的微型器件的技术具有极其重要的意义。

目前，机械能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能等。然而，已经发明的静电感应发电机存在体积大，适用性窄等缺点，而电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的静电脉冲发电机，为微型电子器件提供匹配的电源。

为实现上述目的，本发明提供一种静电脉冲发电机，所述发电机具有层状结构，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，

所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；

所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。

优选地，所述第一绝缘层或第二绝缘层面向所述空隙的表面包括纳米线或纳米棒阵列，所述纳米线或纳米棒基本垂直与所述第一绝缘层或第二绝缘层的表面。

优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层面向所述空隙的表面经过化学改性，使两个绝缘层中极性为正的薄膜层表面引入易失电子的官能团，或者在极性为负的材料表面引入易得电子的官能团。

优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层为绝缘薄膜层。

优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。

优选地，所述绝缘支撑体为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。

优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层和/或绝缘支撑体为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。

优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层的材料为无机非金属材料、有机高分子材料或其组合。

优选地，所述第一绝缘层为厚度为2微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜层，所述第二绝缘层为厚度为50微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，并且所述第二绝缘层在面向所述空隙的表面包括长度约为1.5微米的聚酰亚胺纳米棒阵列，所述纳米棒基本垂直与所述第二绝缘层。

优选地，所述绝缘支撑体为聚酰亚胺双面胶。

优选地，所述外力包括低频机械冲击和高频机械振动。

相应地，本发明还提供一种直流脉冲发电机，包括本发明所述的静电脉冲发电机和全桥整流器，所述静电脉冲发电机的输出端与所述全桥整流器的输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供一种静电脉冲发电机，所述发电机具有层状结构，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。由于第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差，本发明的静电脉冲发电机利用第一绝缘层与第二绝缘层在外力作用下接触时所产生的接触电荷和第一绝缘层与第二绝缘层之间的中空结构的设计，在第一电极层和第二电极层之间形成电势差。在周期性外力的作用下，第一绝缘层与第二绝缘层发生周期性接触和分开两个过程，分别产生方向相反的脉冲电流。

本发明的静电脉冲发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，具有广泛的实际用途。另外，与全桥整流器结合可以形成直流脉冲发电机，直接用于电化学领域的多种用途，其不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，为各种小型便携式电子器件提供所需电力。