[发明专利]一种具有纳米结构的摩擦发电机

说明书

本发明公开了一种具有纳米结构的摩擦发电机，包括自上到下依次分布的顶层发电片、中层发电片及底层发电片，其中，顶层发电片的上表面、底层发电片的下表面、中层发电片的上表面及中层发电片的下表面均设有金属薄膜层；顶层发电片的下表面及底层发电片的上表面均设置有有机材料薄膜层；中层发电片上表面的金属薄膜层与中层发电片下表面的金属薄膜层电连接；顶层发电的下表面上及底层发电片的上表面上均设置有导电环，顶层发电片上的有机材料薄膜层上以及底层发电片上的有机材料薄膜层上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构，该发电机能够在有限的空间内实现发电量的最大化，同时不需要额外消耗电能即可实现最大能量的自检测。

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，涉及一种具有纳米结构的摩擦发电机。

背景技术

物联网技术的快速发展依赖于大面积覆盖的传感器网络，传感器网络由数个传感器节点组成，这些传感器节点各自独立供电，用以感知被监测量，并将采集到的信号发送到控制终端。传感网络建设完成后，通常要求其具有数十年的寿命。这就对各个传感节点的能量供给提出严峻挑战。现如今，电池常被应用在传感器节点作为能量源，但高电量的电池体积较大，且电池电量有限需要频繁更换，因此电池并不是传感器网络的最佳选择。在环境中存在各种各样形式的能量，如果可以将这些能量收集利用起来，就可以用以补充电池电量，延长传感器的适用寿命，甚至实现自供电。

摩擦电和静电是生活中非常普遍的电荷产生形式，但由于其很难被收集和利用，常被人忽视。2012年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次实现了将机械运动转化为电能的摩擦发电机，在此之后，各种类型的摩擦发电机相继被发明和发表。摩擦发电的机理是当两种不同材料的物体相互接触摩擦时，由于得失电子能力不同，摩擦过程中会在两种物体表面分别产生正负电荷对，当两种物体分离时，表面的正负电荷产生电势，驱动自由电子移动对外做功。

现如今，人们所发明和制造的摩擦发电机，为了产生足够的电量，其面积常为数十甚至上百平方厘米，并且需要复杂的外部电路辅助，才可以将产生的最大能量传输到负载端，外部辅助电路损耗较高。但如果将摩擦发电机应用于传感器节点作为能量源，由于传感器自身尺寸较小，且通常传感器被放置在有限的空间内，这就要求发电机具有较小的体积，并且能够在有限的空间内尽可能多的将机械能转化为电能。同时，为了能够使传感器更高效的利用摩擦电能，需要实现最大能量的自检测，然而现有技术中没有相类似的设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有纳米结构的摩擦发电机，该发电机能够在有限的空间内实现发电量的最大化，同时不需要额外消耗电能即可实现最大能量的自检测。

为达到上述目的，本发明所述的具有纳米结构的摩擦发电机包括自上到下依次分布的顶层发电片、中层发电片及底层发电片，其中，顶层发电片的上表面、底层发电片的下表面、中层发电片的上表面及中层发电片的下表面均设有金属薄膜层；顶层发电片的下表面及底层发电片的上表面均设置有有机材料薄膜层；中层发电片上表面的金属薄膜层与中层发电片下表面的金属薄膜层电连接；

顶层发电的下表面上及底层发电片的上表面上均设置有导电环，其中，有机材料薄膜层位于导电环内，顶层发电片上的有机材料薄膜层上以及底层发电片上的有机材料薄膜层上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构；

顶层发电片上的导电环与底层发电片上的导电环通过第一金属线连接后作为第一导电极；

顶层发电片上的金属薄膜层通过第二金属线引出后作为第二导电极；

底层发电片上的金属薄膜层通过第三金属线引出后作为第三导电极。

顶层发电片、中层发电片及底层发电片的大小及形状均相同。

顶层发电片、中层发电片及底层发电片均设置有用于进行组装的通孔。

金属薄膜层通过真空蒸镀的方式制备得到；有机材料薄膜层通过旋涂的方式制备得到。