[发明专利]一种r型复合式微纳发电机

说明书

技术领域

本发明涉及微加工与微能源领域，具体涉及一种r型复合式微纳发电机。

背景技术

随着科学技术的进步，对能源的需求也越来越迫切。传统的能源如煤、石油、天然气等不仅会对环境造成污染，还面临着消耗殆尽的问题。因此寻找新能源、清洁能源引起了广泛关注。机械振动广泛稳定地存在于环境中，目前已经有多种方法能够将环境中的机械振动转换为电能，从而为各种微电子器件供能。例如，王中林教授研究小组利用氧化锌纳米线成功制备了压电型微纳发电机[Wang,Z.L.et al.Science,vol.312,pp.5771,2006]。近年来，基于摩擦特性的微纳发电机得到广泛研究与关注[Wang，Z.L.et al.Nano energy,vol.1,pp.328,2012]。

但是，基于压电特性的纳米发电机输出电压并不高，基于摩擦特性的微纳发电机输出电流很小、脉冲宽度窄，不利于为器件充电供能。将多种能量收集方式复合，进行优势互补，是提高输出性能的主要方法。目前已经有研究将各种微纳发电机与太阳能电池、生物燃料电池等相结合，同时收集自然界中的多种能量。以上几种复合方式只是单纯的将两种器件叠加，其输出不会互相影响，降低了复合的意义。因此，提出一种简单有效的复合方式，并通过复合式能量采集提高原有器件的输出性能，是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型结构的复合式微纳发电机,通过独特的结构设计增强压电薄膜在受到外界机械作用时产生的形变。与此同时，将压电特性与摩擦特性复合，有效地利用了压电薄膜形变过程中与基底摩擦产生的电荷，并通过摩擦产生的电荷增强原有压电输出。通过在表面制备微米、纳米结构，增大摩擦有效面积，进一步提高输出。为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：由可从完全释放状态变换为完全压缩状态的两组结构组成，即由结构一和结构二组成；其中，在所述完全释放状态时结构一与结构二仅一端闭合，在所述完全压缩状态时结构一与结构二完全闭合。

结构一由压电薄膜及压电薄膜两侧的压电薄膜电极组成；结构二由薄膜及在薄膜一侧的电极组成，所述结构二中的薄膜与结构一中的任意一侧的压电薄膜电极相对。

压电薄膜为聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）或混有钛酸钡（BaTiO₃）颗粒的有机物薄膜或混有氧化锌(ZnO)纳米结构的有机物薄膜。

压电薄膜电极为金属铝。

薄膜为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate,PET）或聚对二甲苯（parylene）。

薄膜电极为铟锡金属氧化物（ITO）或金或银或铂或铜或铝。

压电薄膜的厚度为1μm-500μm，压电薄膜电极中纳米结构特征尺寸为10nm-500nm。

薄膜表面具有微米结构或纳米结构或微米纳米复合结构。

微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。

本发明提供的压电摩擦复合式微纳发电机的优点在于：

1、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，下摩擦表面为平面，且在实际应用过程中可将下摩擦表面任意替换为其它材料，易于将该微纳发电机与其它器件进行集成。

2、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，将压电微纳发电机与摩擦微纳发电机相结合，实现了二者的优势互补，实现了高输出电压与高充电能力。

3、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，将压电微纳发电机置于具有微纳复合结构的摩擦衬底上，通过摩擦产生的电荷影响压电输出，实现了压电性能的提升。

4、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，摩擦上表面采用具有纳米结构的金属材料，摩擦下表面采用具有微纳复合结构的柔性聚合物材料，提高了表面粗糙度，极大增加了摩擦的有效面积。

本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、生产周期短，结合铸膜转印工艺，可以大批量大面积制备具有微纳复合结构的有机物薄膜，结合水浴加热的方法，可以大批量大面积制备具有纳米结构的金属Al电极。

附图说明

图1为本发明的r型结构复合式微纳发电机结构示意图;

图2为本发明的r型结构复合式微纳发电机初始状态及完全释放状态结构示意图;

图3为本发明的r型结构复合式微纳发电机形变过程结构示意图;