[发明专利]压电摩擦电复合式振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及的是一种压电摩擦电复合式振动能量采集器。

背景技术

近年来，随着微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical System微机电系统)技术的不断发展，使得微传感器和微型电子设备等微型系统的应用范围不断扩大，广泛应用于军事、医学、物联网等领域。由于这些设备是便携式的，其电源的性能和质量成了目前大多数MEMS应用的关键所在。因此人们拟采用能量采集技术解决上述问题。

能量采集(Energy Harvesting)，就是一种利用能量采集器从其周围环境中获取能量的技术。其实质是利用光伏、热电、压电、电磁等物理和化学效应把器件周围环境中广泛存在的光能、热能、机械能、风能等能量转换为可以使用的电能。使用MEMS技术制备的能量采集器具有如下的主要特点：1)使用便携2)节省能源3)能量管理方便。

但是目前广泛集成制备的MEMS压电式振动能量采集器，还难以完全满足微传感器和微电子器件应用的需求：一方面，其所获得的输出电能功率密度还较低；另一方面，压电式非常依赖于所使用的压电材料的压电性能，目前应用范围较广的材料是PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料，这种材料的压电性能较为优异，但是含有铅对环境有害。

经过对技术文献的检索发现，文献号：J.Micromech.Microeng.18(2008)055017(7pp)，Dongna Shen,Jung-Hyun Park等人提出了一种MEMS PZT cantilever for vibration energy harvesting(MEMS工艺制备的用于采集能量的锆钛酸铅悬臂梁)。该技术利用MEMS工艺制作成一个硅悬臂梁式的能量采集器，具有较高的能量输出。但是共振频率在460Hz左右，不符合环境振动的频率范围，且利用了PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料，对环境有污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于PVDF(聚偏二氟乙烯)和PDMS(聚二甲基硅氧烷)和碳纳米管材料的压电摩擦电复合式振动能量采集器，使换能原件能在周围环境下获得较大的输出功率，以解决传统MEMS压电能量采集器输出功率低和能量转化效率低等问题。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：PVDF薄膜、带凸块的PDMS活动层、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极；所述PVDF薄膜具有上下金属电极，且具有压电效应；带凸块的PDMS活动层表面密布直径15～100微米的小凸块，形成粗糙表面；带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极表面密布直径15～100微米的小凸块，形成粗糙表面；PVDF薄膜设置于带凸块的PDMS活动层的上表面，带凸块的PDMS活动层和带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极固定在一起。

优选地，所述的PVDF薄膜的厚度为15～30微米，具有上下金属电极。在该厚度范围的PVDF振动时压电输出性能最优。

优选地，所述的带凸块的PDMS活动层是由PDMS浇注成型，具有密布凸块的粗糙表面提高接触摩擦和摩擦电输出。

优选地，所述的带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极是由PDMS和碳纳米管掺杂混合物固化形成的薄膜导电体，具有良好的导电性和柔韧性，作为接触摩擦时的电子提供层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明上PDMS活动层在承受外界压力时会发生形变，从而与下PDMS碳纳米管电极产生接触摩擦形成电压，利用摩擦生电机制实现了机械能向电能的转换。PVDF薄膜在振动时，发生应变产生压电效应，将一部分机械能量转换为电能。本发明能使MEMS换能器件不但结构简单，制作容易，体积减小，有较高的能量转换效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得更明显：

图1是本发明一较优实施例的结构示意图

图2是本发明一较优实施例在振动源的作用下发生向下弯曲的示意图

图3是本发明一较优实施例在撤销振动源恢复初始形状的示意图

图中：PVDF薄膜1、带凸块的PDMS活动层2、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。