滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)、發(fā)電方法以及矢量位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)以及發(fā)電方法，發(fā)電機(jī)包括一個(gè)下表面設(shè)置有第一導(dǎo)電層的摩擦層，并且第一導(dǎo)電層電連接至等電位，以及一個(gè)與摩擦層的上表面相對(duì)設(shè)置的第二導(dǎo)電層，當(dāng)摩擦層的上表面與第二導(dǎo)電層的下表面在外力作用下發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)摩擦面積在滑動(dòng)過程中發(fā)生變化，在第一導(dǎo)電層和等電位之間能夠輸出電信號(hào)。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的矢量位移傳感器，其中，摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成，每個(gè)摩擦單元的下表面對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)電連接至等電位的第一摩擦單元，第二導(dǎo)電層在摩擦單元上滑動(dòng)時(shí)，根據(jù)第一導(dǎo)電單元與等電位之間輸出的電信號(hào)能夠?qū)Φ诙?dǎo)電層的位置、移動(dòng)方向和移動(dòng)距離進(jìn)行探測(cè)，無需為傳感器提供電源。
【專利說明】滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)、發(fā)電方法以及矢量位移傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)，特別是涉及將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)以及發(fā)電方法，以及應(yīng)用該滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的矢量位移傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]滑動(dòng)摩擦電發(fā)電機(jī)的工作原理是基于兩種不同的摩擦電材料的相互摩擦產(chǎn)生表面電荷轉(zhuǎn)移，但是，所有已經(jīng)報(bào)道的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)都是基于導(dǎo)電金屬沉積在摩擦電薄膜材料表面作為電極層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出電能。這種結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致器件制作成本增加，另外，現(xiàn)有的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)需要兩個(gè)電極層用于輸出產(chǎn)生的電能。因此，現(xiàn)有滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)極大的妨礙了這種摩擦電發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單的單電極式滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，能夠?qū)⑼饬Φ臋C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> [0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，包括
[0005]摩擦層，所述摩擦層的下表面接觸設(shè)置第一導(dǎo)電層；所述第一導(dǎo)電層電連接至等電位；
[0006]所述摩擦層上方設(shè)置的第二導(dǎo)電層，所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面相對(duì)設(shè)置；
[0007]當(dāng)所述摩擦層的上表面與所述第二導(dǎo)電層的下表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，同時(shí)摩擦面積在滑動(dòng)過程中發(fā)生變化時(shí)，在所述第一導(dǎo)電層和所述等電位之間輸出電信號(hào)。
[0008]優(yōu)選的，所述摩擦層的上表面材料與所述第二導(dǎo)電層下表面材料存在電極序差巳升。
[0009]優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電層通過需要供電的外電路連接至地或等電位電路。
[0010]優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電層通過外負(fù)載電連接至等電位。
[0011]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面接觸設(shè)置。
[0012]優(yōu)選的，在未受外力時(shí)所述第二導(dǎo)電層與所述摩擦層不接觸，在外力作用下所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面接觸。
[0013]優(yōu)選的，所述摩擦層的上表面材料選擇絕緣體。
[0014]優(yōu)選的，所述絕緣體材料選自聚合物材料。
[0015]優(yōu)選的，所述聚合物材料選自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。
[0016]優(yōu)選的,所述摩擦層的厚度100nm-5mm。
[0017]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層下表面的材料選自金屬，銦錫氧化物或有機(jī)物導(dǎo)體。
[0018]優(yōu)選的，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；所述有機(jī)物導(dǎo)體選自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
[0019]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層為薄膜材料。
[0020]優(yōu)選的,所述第二導(dǎo)電層的厚度為10nm-5mm。
[0021]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面的全部或部分分布有納米、微米或次微米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽，納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)，以及由前述結(jié)構(gòu)形成的陣列，或者納米材料的點(diǎn)綴或涂層。
[0022]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面經(jīng)過化學(xué)改性。
[0023]優(yōu)選的，在所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面，在摩擦電極序相對(duì)為正的材料表面引入更易失電子的官能團(tuán)，或者在摩擦電極序相對(duì)為負(fù)的材料表面引入更易得電子的官能團(tuán)。
[0024]優(yōu)選的，在所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面，在極性為正的表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的表面引入負(fù)電荷。
[0025]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面為平面或曲面；
[0026]和/或，所述摩擦層的上表面為平面或曲面。
[0027]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面為互補(bǔ)表面。
[0028]優(yōu)選的，所述摩擦層的上表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，所述第二導(dǎo)電層的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
[0029]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層和/或摩擦層為柔性材料或硬性材料。
[0030]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層和/或摩擦層為彈性材料。
[0031]優(yōu)選的，還包括第一基板，所述第一導(dǎo)電層的下表面設(shè)置在所述第一基板上；
[0032]和/ 或
[0033]第二基板，所述第二導(dǎo)電層的上表面設(shè)置在所述第二基板上。
[0034]優(yōu)選的，所述摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成，所述多個(gè)摩擦單元的上表面形成所述摩擦層的上表面。
[0035]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面不能同時(shí)與相鄰的兩個(gè)摩擦單元的上表面接觸和摩擦。
[0036]優(yōu)選的，所述摩擦單元的形狀為長條狀或正方形塊狀。
[0037]優(yōu)選的，所述多個(gè)摩擦單元按照預(yù)先設(shè)定的圖形排列。
[0038]優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電層由多個(gè)第一導(dǎo)電單兀構(gòu)成，所述多個(gè)第一導(dǎo)電單兀與所述多個(gè)摩擦單元--對(duì)應(yīng)；每個(gè)所述第一導(dǎo)電單元電連接至等電位。
[0039]優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層由多個(gè)第二導(dǎo)電單元構(gòu)成，所述多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面形成所述第二導(dǎo)電層的下表面。
[0040]優(yōu)選的，多個(gè)所述第二導(dǎo)電單元的下表面在同一個(gè)平面，多個(gè)所述摩擦單元的上表面在同一個(gè)平面。
[0041]優(yōu)選的，多個(gè)所述第二導(dǎo)電單元的下表面、以及多個(gè)所述摩擦單元的上表面屬于同一曲面。
[0042]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種矢量位移傳感器，包括所述的發(fā)電機(jī)，其中，
[0043]在每個(gè)所述導(dǎo)電單元與等電位之間連接檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置用于檢測(cè)所述電信號(hào);
[0044]當(dāng)所述第二導(dǎo)電層下表面與所述摩擦單元上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到所述電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置能夠確定所述第二導(dǎo)電層的位置，或者根據(jù)先后檢測(cè)到電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置確定所述第二導(dǎo)電層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。
[0045]優(yōu)選的，所述檢測(cè)裝置為電流或電壓檢測(cè)裝置，所述電信號(hào)為電流或電壓信號(hào)；
[0046]或者,所述檢測(cè)裝置為發(fā)光元件或發(fā)聲元件，當(dāng)所述發(fā)光元件或發(fā)聲元件檢測(cè)到所述電信號(hào)時(shí)輸出光信號(hào)或聲音信號(hào)。
[0047]優(yōu)選的，在每個(gè)所述電極單元與等電位之間還包括分壓電阻，所述分壓電阻與所述檢測(cè)裝置并聯(lián)或串聯(lián)。
[0048]優(yōu)選的，所述發(fā)電機(jī)包括16個(gè)摩擦單元，所述16個(gè)摩擦單元以4個(gè)為一組，分布在四個(gè)方向上形成十字架結(jié)構(gòu)，每組中的4個(gè)摩擦單元平行等距排列。
[0049]優(yōu)選的，所述16個(gè)摩擦單元為長條狀聚四氟乙烯薄膜，所述摩擦單元的寬度為1mm,長度為2.5cm,摩擦單元之間的距離為2mm。
[0050]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，包括:
[0051]提供下表面設(shè)置有第一導(dǎo)電層的摩擦層，所述第一導(dǎo)電層通過負(fù)載連接至等電位；
[0052]第二導(dǎo)電層與所述摩擦層的上表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦、并且導(dǎo)致摩擦面積變化，所述負(fù)載上有電流流過。
[0053]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0054]1、首次制作了基于單電極的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，只需要用一個(gè)表面設(shè)置有第一導(dǎo)電層的摩擦層材料和第二導(dǎo)電層材料(例如聚合物和金屬材料)，將第一導(dǎo)電層材料電連接至等電位，便可以制作成發(fā)電機(jī)。通過摩擦層材料和第二導(dǎo)電層材料的滑動(dòng)摩擦就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出電能，本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單的單電極式滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)。
[0055]2、本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的第一導(dǎo)電層(或第一導(dǎo)電單元)需要電連接至等電位，而第二導(dǎo)電層則無需進(jìn)行任何連接，只要能夠保證第二導(dǎo)電層與摩擦層之間能夠互相滑動(dòng)摩擦并且在摩擦過程中摩擦面積發(fā)生變化，即可對(duì)連接在第一導(dǎo)電層(或第一導(dǎo)電單元)與等電位之間的負(fù)載供電。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)可以廣泛應(yīng)用在移動(dòng)物體上，將移動(dòng)過程中的相互摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，例如汽車輪胎與地面的摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能的收集，或者應(yīng)用在觸摸屏等領(lǐng)域。
[0056]3、本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的各部分都可以采用柔性材料或彈性材料，因此，可以與柔性器件結(jié)合使用。
[0057]4、本發(fā)明提供了一種利用滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的矢量位移傳感器，是一種自驅(qū)動(dòng)的傳感器，采用摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成的發(fā)電機(jī)，第二導(dǎo)電層在摩擦單元上滑動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，連接在與摩擦單元對(duì)應(yīng)的第一導(dǎo)電單元與等電位之間的檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)電信號(hào)，不需要為傳感器提供電源，主要依靠物體在移動(dòng)過程中，先后觸發(fā)的摩擦單元與第二導(dǎo)電層之間滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的電信號(hào)即可追蹤移動(dòng)物體的移動(dòng)方向、移動(dòng)距離和移動(dòng)速度，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位置的定位。本發(fā)明的矢量位移傳感器不需要額外提供電源，除了可以應(yīng)用在小型器件例如觸摸屏中，也特別適用在不便于進(jìn)行電源更換的環(huán)境中。
[0058]5、本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，以及利用滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的矢量位移傳感器，摩擦層或摩擦單元的材料采用絕緣材料，材料的選擇范圍廣，選擇環(huán)境友好的材料可以進(jìn)行大面積的鋪設(shè)，是一種應(yīng)用范圍廣泛的能量收集裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0059]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0060]圖1為本發(fā)明滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0061]圖2為本發(fā)明滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理示意圖；
[0062]圖3為第一導(dǎo)電層下表面設(shè)置在第一基板上、第二導(dǎo)電層的上表面設(shè)置在第二基板上的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0063]圖4為摩擦層的上表面和第二導(dǎo)電層的下表面為彎曲表面的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0064]圖5為摩擦層的上表面和第二導(dǎo)電層的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)不平整表面的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0065]圖6為摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成的發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程示意圖；
[0066]圖7為摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成，以及第一導(dǎo)電層由多個(gè)第一導(dǎo)電單元構(gòu)成的發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程示意圖；
[0067]圖8為第二導(dǎo)電層由多個(gè)第二導(dǎo)電單元構(gòu)成的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0068]圖9為多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面，以及多個(gè)摩擦單元的上表面屬于同一曲面的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0069]圖10至圖12為矢量位移傳感器的一個(gè)具體實(shí)施例圖片。

【具體實(shí)施方式】
[0070]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0071]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0072]現(xiàn)有的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)是通過兩種摩擦電材料互相摩擦產(chǎn)生表面電荷轉(zhuǎn)移從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軄戆l(fā)電，這種結(jié)構(gòu)不僅使發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要兩個(gè)電極層用于輸出產(chǎn)生的電能，限制了摩擦發(fā)電機(jī)的應(yīng)用。本發(fā)明提供一種單電極式的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，技術(shù)方案是，依靠存在電極序差異的導(dǎo)電材料和摩擦電材料之間的互相摩擦產(chǎn)生表面電荷，并且通過將摩擦電材料的電極層電連接至等電位，為連接在電極層與等電位之間的負(fù)載或外電路供電。
[0073]本發(fā)明中所述的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對(duì)電荷的吸引程度將其進(jìn)行的排序，兩種材料在相互摩擦的瞬間，在摩擦面上負(fù)電荷從摩擦電極序中極性較正的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較負(fù)的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)與金屬材料招箔接觸時(shí)，招箔帶正電，即得電子能力較弱，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)帶負(fù)電，即得電子能力較強(qiáng)；而聚合物尼龍與鋁箔接觸時(shí)，聚合物尼龍表面帶正電，即得電子能力較弱，鋁箔帶負(fù)電，即得電子能力較強(qiáng)。迄今為止，還沒有一種統(tǒng)一的理論能夠完整的解釋電荷轉(zhuǎn)移的機(jī)制，一般認(rèn)為，這種電荷轉(zhuǎn)移和材料的表面功函數(shù)相關(guān)，通過電子或者離子在接觸面上的轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。需要說明的是，摩擦電極序只是一種基于經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即兩種材料在該序列中相差越遠(yuǎn)，接觸后所產(chǎn)生電荷的正負(fù)性和該序列相符合的幾率就越大，而且實(shí)際的結(jié)果受到多種因素的影響，比如材料表面粗糙度、環(huán)境濕度和是否有相對(duì)摩擦等。
[0074]本發(fā)明中所述的“接觸電荷”，是指在兩種摩擦電極序極性存在差異的材料在接觸摩擦并分離后其表面所帶有的電荷，一般認(rèn)為，該電荷只分布在材料的表面，分布最大深度不過約為10納米。需要說明的是，接觸電荷的符號(hào)是凈電荷的符號(hào)，即在帶有正接觸電荷的材料表面的局部地區(qū)可能存在負(fù)電荷的聚集區(qū)域，但整個(gè)表面凈電荷的符號(hào)為正。
[0075]下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的【具體實(shí)施方式】。
[0076]本實(shí)施例的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)參見圖1，發(fā)電機(jī)包括:摩擦層100，摩擦層100的下表面接觸設(shè)置第一導(dǎo)電層200，第一導(dǎo)電層200電連接至等電位400 ;摩擦層100上方設(shè)置的第二導(dǎo)電層300，第二導(dǎo)電層300的下表面與摩擦層100的上表面相對(duì)設(shè)置；當(dāng)摩擦層100的上表面與第二導(dǎo)電層300的下表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，同時(shí)摩擦面積在滑動(dòng)過程中發(fā)生變化時(shí)，在第一導(dǎo)電層200和等電位400之間輸出電信號(hào)。如果在第一導(dǎo)電層200和等電位400之間連接負(fù)載或需要供電的外電路500，在負(fù)載或外電路500有電流流過。第一導(dǎo)電層200為設(shè)置在摩擦層下表面的電極層，也即本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的電極。
[0077]摩擦層100與第二導(dǎo)電層200的材料存在摩擦電極序差異，在外力作用下互相摩擦并且使互相接觸的面積發(fā)生改變時(shí)，能夠?yàn)檫B接在電極層200與等電位300之間的負(fù)載或外電路400提供電源。下面以圖1的結(jié)構(gòu)為例詳細(xì)介紹本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的工作原理，發(fā)電機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)、材料等信息。
[0078]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的工作原理參見圖2，由于摩擦層100與第二導(dǎo)電層300的材料存在電極序差異，二者之間存在得電子能力的差異，以摩擦層100得電子能力強(qiáng)而第二導(dǎo)電層300更容易失去電子為例，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層300的下表面與摩擦層100的上表面接觸時(shí)，使摩擦層100上表面帶有負(fù)電荷，而第二導(dǎo)電層300則帶正電荷。如圖2中a圖所示。在外力F作用下摩擦層100與第二導(dǎo)電層300相對(duì)滑動(dòng)并且使接觸面積發(fā)生變化后，破壞了在摩擦層100和第二導(dǎo)電層300表面電荷的平衡，摩擦層100上多余的負(fù)電荷會(huì)對(duì)第一導(dǎo)電層200上的電子有排斥力，因此，電子會(huì)從第一導(dǎo)電層200向等電位400流動(dòng)，如圖2中b圖所示，從而使連接在第一導(dǎo)電層200與等電位之間的負(fù)載或外電路有電流流過。當(dāng)摩擦層100和第二導(dǎo)電層200完全分離后，摩擦層100與第一電極層200整體的正負(fù)電荷達(dá)到平衡，并沒有電子的流動(dòng)，第二導(dǎo)電層300下表面無正電荷，如圖2中c圖所示。當(dāng)反方向的外力F使摩擦層100與第二導(dǎo)電層200發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦層100的上表面和第二導(dǎo)電層300下表面互相摩擦并使接觸面積改變，由于第二導(dǎo)電層300上正電荷對(duì)第一導(dǎo)電層200上正電荷的排斥作用，將導(dǎo)致電子從等電位400向第一導(dǎo)電層200流動(dòng)，對(duì)連接在第一導(dǎo)電層200與等電位之間的負(fù)載或外電路輸出電流，如圖2中d圖所示。當(dāng)摩擦層100和第二導(dǎo)電層300完全接觸后，摩擦層100與第二導(dǎo)電層200的正負(fù)電荷平衡，此時(shí)，并沒有電子在外電路中流動(dòng)，如圖2中a圖所示，在第一導(dǎo)電層200與等電位之間觀察不到電流輸出。如此往復(fù)，形成脈沖電流。
[0079]現(xiàn)有的依靠兩種摩擦電材料進(jìn)行摩擦并產(chǎn)生電信號(hào)輸出的發(fā)電機(jī)中，均需要在摩擦電材料的表面沉積電極層，用于在兩種摩擦電材料互相摩擦而導(dǎo)致兩種材料表面的電荷不平衡而產(chǎn)生電勢(shì)時(shí)通過兩個(gè)電極層傳輸電荷。本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)與現(xiàn)有的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的不同之處在于，只需要在摩擦層的下表面設(shè)置第一導(dǎo)電層(即電極層)，另外一個(gè)摩擦材料層選自導(dǎo)電材料(即第二導(dǎo)電層)并將第一導(dǎo)電層與一等電位(地或等電勢(shì))電連接，負(fù)載或者外電路連接在第一導(dǎo)電層與等電位之間即可，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的輸出不需要在第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層之間進(jìn)行，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)不僅簡化了制備過程，而且是一種應(yīng)用廣泛的將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿幕瑒?dòng)摩擦發(fā)電機(jī)。
[0080]根據(jù)上述的發(fā)電原理可以看出，摩擦層100和第二導(dǎo)電層300之間摩擦電極序的差異是產(chǎn)生可輸出電信號(hào)的關(guān)鍵，本發(fā)明中，優(yōu)選摩擦層材料為絕緣體材料，第二導(dǎo)電層的下表面或者全部為導(dǎo)電材料。作為摩擦層的絕緣體材料中，優(yōu)選聚合物絕緣材料。以下聚合物材料均可用于本發(fā)明的摩擦層100中，并且按照排列的順序具有越來越強(qiáng)的得電子能力:聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能對(duì)所有可能的材料進(jìn)行窮舉，此處僅列出幾種具體的聚合物材料供人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護(hù)范圍的限制性因素，因?yàn)樵诎l(fā)明的啟示下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0081]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦層100的材料與第二導(dǎo)電層300下表面的材料之間得電子能力相差越大，滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)越強(qiáng)。所以，可以根據(jù)上面列出的順序并結(jié)合簡單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇合適的聚合物材料作為摩擦層100，以獲得最佳的電信號(hào)輸出性能。
[0082]第二導(dǎo)電層300在發(fā)電機(jī)中只是提供與摩擦層100進(jìn)行摩擦的一個(gè)摩擦表面，并不作為電極層。因此，第二導(dǎo)電層300可以全部整體采用導(dǎo)電材料，也可以僅為其下表面的一個(gè)薄層為導(dǎo)電材料，例如在絕緣體材料的表面制備有導(dǎo)電薄膜作為第二導(dǎo)電層300。第二導(dǎo)電層200可以為平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可選范圍為10nm-5mm，優(yōu)選為100nm-500 μ m。金屬薄膜層可以采用現(xiàn)有的磁控派射、蒸鍍和印刷打印等技術(shù)來制作。
[0083]摩擦層100的厚度對(duì)本發(fā)明的實(shí)施沒有顯著影響，本發(fā)明優(yōu)選摩擦層為薄膜，厚度為100nm-5mm,優(yōu)選I μ m-2mm,更優(yōu)選10 μ m-800 μ m,更優(yōu)選20 μ m-500 μ m,這些厚度對(duì)本發(fā)明中所有的技術(shù)方案都適用。設(shè)置在摩擦層100下表面的第一導(dǎo)電層200為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的電極層，當(dāng)摩擦層100表面電荷所構(gòu)成的電場(chǎng)不平衡時(shí)，第一導(dǎo)電層200能通過負(fù)載或需要供電的外電路與等電位400傳輸電子，以平衡摩擦層100的電荷。第一電極層200或者第二電極層300選用的導(dǎo)電材料可選自金屬、銦錫氧化物或有機(jī)物導(dǎo)體，常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；有機(jī)物導(dǎo)體一般為導(dǎo)電高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。由于第一電極層200為電極層，需要與摩擦層100有良好的接觸，可以采用現(xiàn)有的磁控濺射、蒸鍍和印刷打印等技術(shù)在摩擦層的下表面來制備第一電極層。當(dāng)然，也可以采用較厚的第一電極層100，例如Cu或Al箔，在其表面制備摩擦層材料，實(shí)現(xiàn)第一電極層與摩擦層的良好接觸。
[0084]參見圖3，對(duì)于第一導(dǎo)電層200和摩擦層100厚度比較薄的發(fā)電機(jī)，可以在第一電極層200的下表面設(shè)置第一基板600,以增強(qiáng)發(fā)電機(jī)的強(qiáng)度。同樣，對(duì)于第二導(dǎo)電層300厚度比較薄的情況(例如采用導(dǎo)電薄膜材料)，還可以在第二導(dǎo)電層300的上表面設(shè)置第二基板700,以增強(qiáng)第二導(dǎo)電層300的機(jī)械強(qiáng)度。第一基板與第一導(dǎo)電層的結(jié)合、第二基板與第二導(dǎo)電層的結(jié)合可以采用常規(guī)的方法，例如粘貼、或者可以采用現(xiàn)有的磁控濺射、蒸鍍和印刷打印等技術(shù)，在基板表面制備導(dǎo)電材料層。當(dāng)然對(duì)于第一導(dǎo)電層或第二導(dǎo)電層厚度較大的情況，發(fā)電機(jī)也可以包括第一基板或第二基板，將導(dǎo)電層設(shè)置在基板上，來支撐導(dǎo)電層或者將第一或第二導(dǎo)電層與其他器件進(jìn)行隔離。
[0085]第一基板600和第二基板700的材料選擇無特殊要求，可以為導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體，例如鋁板或硅片。第一基板600和第二基板700可以為柔性基板也可以為硬性基板，例如橡膠或玻璃板。
[0086]為了提高發(fā)電機(jī)的輸出性能，優(yōu)選在所述摩擦層100的上表面，和/或，所述第二導(dǎo)電層300的下表面，全部或部分分布有納米、微米或次微米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)，以增加摩擦層100和第二導(dǎo)電層300的有效接觸面積，提高二者的表面電荷密度。所述微結(jié)構(gòu)優(yōu)選為納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽，納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)，以及由前述結(jié)構(gòu)形成的陣列，特別是由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列，可以是通過光刻蝕、等離子刻蝕等方法制備的線狀、立方體、或者四棱錐形狀的陣列，陣列中每個(gè)這種單元的尺寸在納米到微米量級(jí)，具體微納米結(jié)構(gòu)的單元尺寸、形狀不應(yīng)該限制本發(fā)明的范圍。還可以在摩擦層100的上表面和/或第二導(dǎo)電層300的下表面通過納米材料的點(diǎn)綴或涂層的方式，獲得表面的微結(jié)構(gòu)。
[0087]除上述的在摩擦層(或第二導(dǎo)電層)表面進(jìn)行物理改性的方法外，也可以對(duì)相互摩擦的摩擦層100和/或第二導(dǎo)電層300的表面進(jìn)行化學(xué)改性，能夠進(jìn)一步提高電荷在接觸瞬間的轉(zhuǎn)移量，從而提高接觸電荷密度和發(fā)電機(jī)的輸出功率?；瘜W(xué)改性又分為如下兩種類型:
[0088]一種方法是對(duì)于相互摩擦的摩擦層100和第二導(dǎo)電層300，在摩擦電極序相對(duì)為正的材料表面引入更易失電子的官能團(tuán)(即強(qiáng)給電子團(tuán))，或者在摩擦電極序相對(duì)為負(fù)的材料表面引入更易得電子的官能團(tuán)(強(qiáng)吸電子團(tuán))，都能夠進(jìn)一步提高電荷在相互滑動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)移量，從而提高摩擦電荷密度和發(fā)電機(jī)的輸出功率。強(qiáng)給電子團(tuán)包括:氨基、羥基、烷氧基等；強(qiáng)吸電子團(tuán)包括:?；?、羧基、硝基、磺酸基等。官能團(tuán)的引入可以采用等離子體表面改性等常規(guī)方法。例如可以使氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚庠谝欢üβ氏庐a(chǎn)生等離子體，從而在摩擦層材料表面引入氨基。
[0089]另外一種方法是對(duì)于相互摩擦的摩擦層100和第二導(dǎo)電層300，在極性為正的材料表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的材料表面引入負(fù)電荷。具體可以通過化學(xué)鍵合的方式實(shí)現(xiàn)。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦層表面利用溶膠-凝膠的方法修飾上正硅酸乙酯(TEOS)，而使其帶負(fù)電。也可以在金屬金薄膜層上利用金-硫的鍵結(jié)修飾上表面含十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的金納米粒子，由于十六烷基三甲基溴化銨為陽離子，故會(huì)使整個(gè)摩擦層變成帶正電性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)摩擦層或電極層材料的得失電子性質(zhì)和表面化學(xué)鍵的種類，選擇合適的修飾材料與其鍵合，以達(dá)到本發(fā)明的目的，因此這樣的變形都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0090]本發(fā)明中所述的第一導(dǎo)電層200電連接至等電位400中是本發(fā)明的關(guān)鍵，所述等電位400為可以提供大量電荷的裝置，所述等電位可以為地或者等電位電路，所述的電連接可以為第一導(dǎo)電層200通過負(fù)載或者需要供電的外電路連接至等電位，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層與摩擦層互相摩擦使第二導(dǎo)電層表面與摩擦層表面的的整體的電荷平衡被破壞，等電位400中的電荷可以通過負(fù)載或者外電路傳輸?shù)降谝粚?dǎo)電層上，即所述電信號(hào)施加在所述負(fù)載或者需要供電的外電路上。在本發(fā)明中，第一導(dǎo)電層200可以直接通過負(fù)載與等電位電連接；第一導(dǎo)電層200也可以通過需要供電的外電路與等電位電連接，也可以采用負(fù)載與外電路并聯(lián)連接在第一導(dǎo)電層200與等電位400之間。所述的外電路可以為簡單的電阻，也可以為較復(fù)雜的電路，在這里不做特別限定，只要能夠?qū)⒌入娢慌c電極層進(jìn)行電連接，且電阻不為零即可。所述的需要供電的外電路可以為照明設(shè)備等用電器。
[0091]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，摩擦層100或第二導(dǎo)電層300可以為柔性材料，也可以為硬性材料，因?yàn)椴牧系挠捕炔⒉挥绊懚咧g的滑動(dòng)摩擦效果，如需摩擦面維持平面，還可以通過其他部件的支撐來實(shí)現(xiàn)，例如圖3中增加基板的實(shí)施例。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇摩擦層100和第二導(dǎo)電層300的材料硬度。采用柔性材料制成的發(fā)電機(jī)其優(yōu)勢(shì)在于柔軟輕薄的摩擦層或第二導(dǎo)電層受到輕微的外力作用就會(huì)發(fā)生形變，而這種形變會(huì)引起兩個(gè)摩擦材料層(摩擦層100和第二導(dǎo)電層200)的相對(duì)位移，從而通過滑動(dòng)摩擦向外輸出電信號(hào)。柔性材料的使用使本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)可以在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在使用的過程中還可以用具有超薄、柔軟、具有彈性和/或透明的高分子材料做基底，進(jìn)行封裝以方便使用并提高強(qiáng)度。顯然，本發(fā)明公開的所有結(jié)構(gòu)都可以用相應(yīng)的超軟并具有彈性的材料做成，從而形成柔性的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)。另外，第一導(dǎo)電層200也可以采用柔性材料，使整個(gè)發(fā)電機(jī)為柔性器件。
[0092]本發(fā)明發(fā)電機(jī)的最典型結(jié)構(gòu)中，摩擦層100的上表面和第二導(dǎo)電層300的下表面相對(duì)接觸設(shè)置，無論是否有外力施加于其上，二者始終保持面接觸，在外力作用下，摩擦層100和第二導(dǎo)電層300發(fā)生與接觸面相切的相對(duì)滑動(dòng)摩擦。通過控制摩擦層100上表面和第二導(dǎo)電層300下表面的尺寸以及相對(duì)位移量，很容易實(shí)現(xiàn)在相對(duì)滑動(dòng)摩擦的過程中摩擦面積發(fā)生變化。
[0093]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，在未受外力作用時(shí)，摩擦層100和第二導(dǎo)電層300可以為不接觸設(shè)置，只要在外力作用下，摩擦層100的上表面和第二導(dǎo)電層300的下表面能夠接觸并發(fā)生與接觸面相切的相對(duì)滑動(dòng)摩擦即可，而在沒有外力作用時(shí)，摩擦層100和第二導(dǎo)電層300可以完全分離。這樣的設(shè)計(jì)能夠滿足需要間隔式發(fā)電的情況，而且摩擦過程可以同時(shí)有接觸摩擦，也可以有滑動(dòng)摩擦。實(shí)現(xiàn)這一目的的技術(shù)手段有很多，可以采用本領(lǐng)域中控制距離的常規(guī)部件，例如在第一導(dǎo)電層200下表面和第二導(dǎo)電層300的上表面分別連接絕緣彈簧等部件，但是需要注意使用的彈簧不應(yīng)限制摩擦層100和第二導(dǎo)電層200之間的相對(duì)滑動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)能夠與其他產(chǎn)品結(jié)合使用，可以將摩擦層100和第二導(dǎo)電層200分別連接到其他產(chǎn)品中2個(gè)互相分隔的部件上，利用這2個(gè)部件的間歇性接觸(或靠近)和相對(duì)滑動(dòng)來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，從而實(shí)現(xiàn)間隔式發(fā)電。
[0094]本發(fā)明中，摩擦層100的上表面或第二導(dǎo)電層300的下表面可以為平面(參見圖1和圖3)，也可以為曲面。曲面結(jié)構(gòu)的摩擦層100的下表面或電極層200的上表面也同樣可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)摩擦，優(yōu)選的，摩擦層的下表面和導(dǎo)電層的上表面同為平面或曲面結(jié)構(gòu)，以保證二者的緊密接觸。參見圖4，摩擦層110整體為弧形結(jié)構(gòu)，特別的，摩擦層110的上表面為弧形，第二導(dǎo)電層310整體為弧形結(jié)構(gòu)，特別的，第二導(dǎo)電層310的下表面為弧形，設(shè)置在摩擦層110的下表面的第一導(dǎo)電層210通過負(fù)載或外電路510連接至地，在外力F作用下，摩擦層110的上表面與第二導(dǎo)電層310的下表面發(fā)生與接觸面相切的相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，連接在第一導(dǎo)電層210和地之間的負(fù)載510有電流流過。優(yōu)選的，摩擦層110的上表面與第二導(dǎo)電層310的下表面為形狀互補(bǔ)的曲面，例如為曲率相同的曲面，以保證第二導(dǎo)電層310與摩擦層110的接觸面積最大，在外力F作用下，摩擦層110的上表面與第二導(dǎo)電層310的下表面發(fā)生與接觸面相切的相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，能夠產(chǎn)生較高的輸出電流。
[0095]圖1和圖4所示的實(shí)施例中，摩擦層的上表面和第二導(dǎo)電層的下表面均為光滑平整表面，這樣的結(jié)構(gòu)需要摩擦層與第二導(dǎo)電層的相對(duì)滑動(dòng)空間較大，而且對(duì)于摩擦層與第二導(dǎo)電層的尺寸相差較大時(shí)的情況，無法滿足摩擦層與第二導(dǎo)電層互相摩擦過程中接觸面積變化的要求。因此，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，摩擦層的上表面和第二導(dǎo)電層的下表面可以制備為不平整表面，摩擦層與電極層互相滑動(dòng)時(shí)摩擦層的下表面與電極層的上表面不完全接觸，參見圖5，摩擦層120的上表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，第二導(dǎo)電層320的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，摩擦層120下表面設(shè)置的第一導(dǎo)電層220通過負(fù)載520連接至等電位420，當(dāng)摩擦層120與第二導(dǎo)電層220在外力作用下發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，并使接觸面積發(fā)生變化時(shí)，連接在第一導(dǎo)電層220與等電位420之間的負(fù)載520有脈沖電流流過。本實(shí)施例中，還可以適用在摩擦層的上表面或者第二導(dǎo)電層的下表面較小的情況，在摩擦層的上表面和第二導(dǎo)電層的下表面制備不平整表面，在外力作用下摩擦層的上表面和第二導(dǎo)電層的下表面互相摩擦?xí)r能夠滿足摩擦面積的變化，從而可以將外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> [0096]本發(fā)明中，優(yōu)選為摩擦層的上表面與第二導(dǎo)電層的下表面尺寸相當(dāng)，以保證在互相滑動(dòng)過程中能夠出現(xiàn)接觸面積最大的情況。更優(yōu)選的，摩擦層的上表面與第二導(dǎo)電層的下表面面積和形狀完全相同。
[0097]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，摩擦層可以由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成，多個(gè)摩擦單元的上表面共同形成摩擦層的上表面；當(dāng)所述摩擦單元的上表面與所述第二導(dǎo)電層的下表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)摩擦面積在滑動(dòng)過程中發(fā)生變化時(shí)，在所述第一導(dǎo)電層和所述等電位之間輸出電信號(hào)。其中，所有摩擦單元的下表面設(shè)置在第一導(dǎo)電層上。參見圖6，摩擦層由摩擦單元131、132、133和134構(gòu)成，摩擦單元131、232、333和434的上表面共同構(gòu)成電極層的上表面，摩擦單兀131、232、333和434的下表面設(shè)置在第一導(dǎo)電層230上,第一導(dǎo)電層230通過電阻530連接至地，第二導(dǎo)電層330的尺寸可以小于摩擦單元的尺寸也可以大于摩擦單元的尺寸，優(yōu)選為，第二導(dǎo)電層的下表面不能同時(shí)與相鄰的兩個(gè)摩擦單元的上表面接觸和摩擦。這里以第二導(dǎo)電層330的尺寸與摩擦單元的尺寸相當(dāng)為例介紹發(fā)電機(jī)工作過程，參見圖6中a圖至e圖，初始狀態(tài)時(shí)，第二導(dǎo)電層330的下表面與摩擦單元131的上表面(即摩擦層的上表面)接觸并可以相對(duì)滑動(dòng)，未與摩擦單元132、133和134接觸。由于摩擦單元材料和第二導(dǎo)電層材料存在電極序差異，因此，第二導(dǎo)電層330下表面帶有正電荷，而摩擦單元131上表面則帶負(fù)電荷，如圖6中a圖所示。當(dāng)外力F作用下第二導(dǎo)電層330相對(duì)于摩擦單元131向右滑動(dòng)并且使第二導(dǎo)電層330與摩擦單元131的接觸面積發(fā)生變化后，電子會(huì)從第一導(dǎo)電層230向地流動(dòng)，如圖6中b圖所示，使連接在第一導(dǎo)電層230與地之間的電阻530有電流流過，如果在第一導(dǎo)電層與地之間連接檢測(cè)裝置可以檢測(cè)到脈沖電信號(hào)，直至第二導(dǎo)電層330完全與摩擦單元131分離并繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，在電阻530上無電流流過，參見圖6中c圖。第二導(dǎo)電層330相對(duì)于摩擦單元131繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)摩擦，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層330的下表面與摩擦單元132的上表面接觸并且與摩擦單元132的上表面接觸面積最大時(shí)，在第二導(dǎo)電層330下表面帶有正電荷，摩擦單元132上表面帶負(fù)電荷，參見圖6中d圖。第二導(dǎo)電層330相對(duì)于摩擦單元132繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)摩擦，并且使第二導(dǎo)電層330與摩擦單元132的接觸面積發(fā)生變化后，電子會(huì)從第一導(dǎo)電層230向地流動(dòng)，如圖6中e圖所示，使連接在第一導(dǎo)電層230與地之間的電阻530再次有電流流過。當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層330繼續(xù)向右側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，重復(fù)上述過程，因此可以在電阻上形成脈沖電流。這樣結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，可以應(yīng)用在摩擦層固定而移動(dòng)的物體上設(shè)置第二導(dǎo)電層進(jìn)行發(fā)電的情況。例如在路面上設(shè)置多個(gè)摩擦單元，并且將所有摩擦單元的下表面設(shè)置在第一導(dǎo)電層上，第一導(dǎo)電層通過負(fù)載等連接至等電位，第二導(dǎo)電層設(shè)置在車輛上，在車輛行駛過程中第二導(dǎo)電層可以與摩擦單元相對(duì)滑動(dòng)摩擦，從而為負(fù)載等提供電信號(hào)。本實(shí)施例的發(fā)電機(jī)也可以應(yīng)用在觸摸屏技術(shù)中，用于觸摸的定位和移動(dòng)探測(cè)。
[0098]上述實(shí)施例中，摩擦單元的形狀可以為任意形狀，優(yōu)選為多個(gè)摩擦單元的形狀和尺寸相同，例如都為長條狀或正方形塊狀。多個(gè)摩擦單元可以按照任意方式排列，優(yōu)選為按照預(yù)先設(shè)定的圖形排列，預(yù)先設(shè)定的圖形可以為實(shí)際需要的圖形，如正方形、長方形、環(huán)形、十字形等。例如沿著十字型的四個(gè)方向排列。在其他實(shí)施例中，優(yōu)選的，所述摩擦層的下表面不能同時(shí)與相鄰的兩個(gè)子電極的上表面接觸和摩擦。
[0099]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，第一導(dǎo)電層也可以由多個(gè)第一導(dǎo)電單兀構(gòu)成，所述多個(gè)第一導(dǎo)電單元與所述多個(gè)摩擦單元一一對(duì)應(yīng)，即每個(gè)摩擦單元的下表面都接觸設(shè)置一個(gè)第一導(dǎo)電單元；每個(gè)所述第一導(dǎo)電單元電連接至等電位參。下面結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)施例介紹發(fā)電機(jī)工作過程，參見圖7，第一導(dǎo)電層由第一導(dǎo)電單元231、232、233和234構(gòu)成，并且分別與構(gòu)成摩擦層的摩擦單元131、132、133和134--對(duì)應(yīng)，每個(gè)第一導(dǎo)電單元分別通過電阻530
連接至地。還可以在每個(gè)第一導(dǎo)電單元與電阻之間引出輸出端A1、A2、A3和A4，所述輸出端用于連接檢測(cè)裝置來檢測(cè)相應(yīng)的第一導(dǎo)電單元與地之間是否有電信號(hào)。初始狀態(tài)時(shí)，第二導(dǎo)電層330的下表面與摩擦單元131的上表面接觸并可以相對(duì)滑動(dòng)，未與摩擦單元132、133和134接觸。由于摩擦單元材料和第二導(dǎo)電層材料存在電極序差異，因此，第二導(dǎo)電層330下表面帶有正電荷，而摩擦單元131上表面則帶負(fù)電荷，如圖7中a圖所示。當(dāng)外力F作用下第二導(dǎo)電層330相對(duì)于摩擦單元131向右滑動(dòng)并且使第二導(dǎo)電層330與摩擦單元131的接觸面積發(fā)生變化后，電子會(huì)從第一導(dǎo)電單元231向地流動(dòng)，如圖7中b圖所示，使連接在第一導(dǎo)電單元231與地之間的電阻530有電流流過，在第一導(dǎo)電單元231與地之間引出的輸出端Al連接檢測(cè)裝置可以檢測(cè)到脈沖電信號(hào)，直至第二導(dǎo)電層330完全與摩擦單元131分離后繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，在電阻530上無電流流過，參見圖7中c圖。第二導(dǎo)電層330相對(duì)于摩擦單元131繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)摩擦，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層330的下表面與摩擦單元132的上表面接觸并且在滑動(dòng)過程中第二導(dǎo)電層330下表面帶有正電荷，而摩擦單元132上表面則帶負(fù)電荷，直到第二導(dǎo)電層330的下表面與摩擦單元132的上表面接觸面積最大，由于第二導(dǎo)電層330下表面的正電荷與摩擦單元132上表面的負(fù)電荷互相平衡，因此在摩擦單元132下表面設(shè)置的第一導(dǎo)電單元232與地之間無電荷流動(dòng)，參見圖7中d圖。當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層330相對(duì)摩擦單元132繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)并且使第二導(dǎo)電層330與摩擦單元132的接觸面積發(fā)生變化時(shí)，第一導(dǎo)電單元232上由于靜電感應(yīng)會(huì)出現(xiàn)正的電荷，使連接在第一導(dǎo)電單元232與地之間的電阻530有電流流過，電流的流動(dòng)方向是從第一導(dǎo)電單元232向地流動(dòng)，與圖7中b圖類似。本實(shí)施例中，基板630可以為半導(dǎo)體或絕緣體,優(yōu)選為絕緣體,例如有機(jī)玻璃等絕緣基板。這樣結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，可以應(yīng)用在摩擦層固定而移動(dòng)的物體上設(shè)置第二導(dǎo)電層進(jìn)行發(fā)電的情況。例如在路面上設(shè)置多個(gè)摩擦單元以及摩擦單元下表面設(shè)置的第一導(dǎo)電單元，每個(gè)第一導(dǎo)電單元通過負(fù)載等連接至等電位，第二導(dǎo)電層設(shè)置在車輛上，在車輛行駛過程中第二導(dǎo)電層可以與摩擦單元相對(duì)滑動(dòng)摩擦，從而為負(fù)載等提供電信號(hào)。本實(shí)施例的發(fā)電機(jī)也可以應(yīng)用在觸摸屏技術(shù)中，用于觸摸的定位和移動(dòng)探測(cè)。
[0100]上述實(shí)施例中，摩擦單元的形狀可以為任意形狀，優(yōu)選為多個(gè)摩擦單元的形狀和尺寸相同，例如都為長條狀或正方形條狀。多個(gè)摩擦單元可以按照任意方式排列，優(yōu)選為按照預(yù)先設(shè)定的圖形排列，預(yù)先設(shè)定的圖形可以為實(shí)際需要的圖形，如正方形、長方形、環(huán)形、十字形等。例如沿著十字型的四個(gè)方向排列。在其他實(shí)施例中，優(yōu)選的，所述第二導(dǎo)電層的下表面不能同時(shí)與相鄰的兩個(gè)摩擦單元的上表面接觸和摩擦。
[0101 ] 同樣的原理，本實(shí)施例中，也可以為第二導(dǎo)電層由多個(gè)第二導(dǎo)電單元構(gòu)成，多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面形成第二導(dǎo)電層的下表面，摩擦單元的上表面與第二導(dǎo)電單元的下表面接觸設(shè)置并可以相對(duì)滑動(dòng)，第一導(dǎo)電層可以為整體，接觸設(shè)置在多個(gè)摩擦單元的下表面，當(dāng)然第一導(dǎo)電層也可以采用多個(gè)第一導(dǎo)電單元，多個(gè)第一導(dǎo)電單元與摩擦單元一一對(duì)應(yīng)的接觸設(shè)置在每個(gè)摩擦單元的下表面，第一導(dǎo)電層或者每個(gè)第一導(dǎo)電單元通過電阻連接至地，其工作原理與圖6或圖7中類似，這里不再詳細(xì)說明。參見圖8，摩擦層由多個(gè)摩擦單元131、132、133和134構(gòu)成，多個(gè)摩擦單元設(shè)置在第一導(dǎo)電層230上，多個(gè)摩擦單元的上表面形成摩擦層的上表面；第二導(dǎo)電層由多個(gè)第二導(dǎo)電單元331、332、333和334構(gòu)成，多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面形成第二導(dǎo)電層的下表面，多個(gè)第二導(dǎo)電單元的上表面設(shè)置在第二基板730上，第二基板730用于支撐多個(gè)第二導(dǎo)電單元，使第二導(dǎo)電層的下表面與摩擦層的上表面接觸并可以相對(duì)滑動(dòng)。這樣結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)形成有多個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)單元形成的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)?shù)诙?30帶動(dòng)多個(gè)第二導(dǎo)電單元與多個(gè)摩擦單元發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，連接在第一導(dǎo)電層230與地之間的電阻530上有電流流過。實(shí)際中通過調(diào)節(jié)多個(gè)第二導(dǎo)電單元、以及多個(gè)摩擦單元的距離，能夠使盡量多的摩擦單元與第二導(dǎo)電單元發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦且接觸面積最大。
[0102]圖8中只示意出了由多個(gè)第二導(dǎo)電單元形成的第二導(dǎo)電層的下表面為平面、由多個(gè)摩擦單元形成的摩擦層的上表面為平面的情況，實(shí)際中，也可以將第二基板730、以及第一導(dǎo)電層230設(shè)計(jì)為其他結(jié)構(gòu)，使得多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面位于曲面(例如圓柱面、棱柱面等)上，同時(shí)多個(gè)摩擦單元的上表面位于同一曲面上，即多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面、以及多個(gè)摩擦單元的上表面都屬于同一曲面。下面以多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面位于圓柱面為例，介紹本實(shí)施例的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，參見圖9，為發(fā)電機(jī)截面的示意圖，第二基板730為圓柱體，多個(gè)第二導(dǎo)電單元331、332、333和334均勻分布在第二基板730的圓柱面上，并且多個(gè)第二導(dǎo)電單兀的下表面(即遠(yuǎn)離第二基板730的表面)也位于同一個(gè)圓柱面上；第一導(dǎo)電層230采用圓筒狀結(jié)構(gòu)，多個(gè)摩擦單元131、132、133和134的下表面接觸設(shè)置在圓筒狀第一導(dǎo)電層230的內(nèi)表面上，并且多個(gè)摩擦單元的上表面也位于多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面所在的圓柱面上；第一導(dǎo)電層230通過電阻530與地電連接。這樣結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面與多個(gè)摩擦單元的上表面都在同一個(gè)圓柱面內(nèi)，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電層230帶動(dòng)多個(gè)摩擦單元與第二基板730帶動(dòng)的多個(gè)第二導(dǎo)電單元發(fā)生沿著箭頭方向的滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生變化時(shí)，電阻530上有交流電流流過。如果在電阻的兩端引出輸出端并且連接負(fù)載，可以為負(fù)載供電。
[0103]由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成摩擦層的發(fā)電機(jī)除了可以將外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能外，也可以應(yīng)用在移動(dòng)物體的滑動(dòng)位置或滑動(dòng)距離等的探測(cè)方面，實(shí)際應(yīng)用中將由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成的摩擦層設(shè)定為靜止(或者相對(duì)靜止)表面，第二導(dǎo)電層為移動(dòng)物體，每個(gè)摩擦單元的下表面分別接觸設(shè)置一個(gè)第一導(dǎo)電單元，每個(gè)第一導(dǎo)電單元通過測(cè)試設(shè)備連接至地，當(dāng)移動(dòng)物體在摩擦層表面上滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦單元和第二導(dǎo)電層之間的相對(duì)摩擦，并且使接觸面積發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的與第一導(dǎo)電單元連接的測(cè)試設(shè)備能夠檢測(cè)到電信號(hào)，據(jù)此可以確定移動(dòng)物體的位置。另外根據(jù)先后兩個(gè)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試信號(hào)，還可以確定移動(dòng)物體的移動(dòng)方向，參見圖7,在每個(gè)第一導(dǎo)電單兀與電阻530之間引出一個(gè)輸出端(Al、A2、A3和A4)用于連接接觸裝置，移動(dòng)物體330(即第二導(dǎo)電層)尺寸較小，優(yōu)選的移動(dòng)物體330僅可以與一個(gè)摩擦單元接觸，移動(dòng)物體330與摩擦單元131接觸且不相對(duì)滑動(dòng)時(shí)輸出端Al檢測(cè)不到電信號(hào)(圖7中a圖所示)，移動(dòng)物體330相對(duì)于摩擦單元向右側(cè)滑動(dòng)并使接觸面積發(fā)生變化時(shí)，輸出端Al檢測(cè)到電信號(hào)(圖7中b圖所示)，直到移動(dòng)物體完全離開摩擦單元131時(shí)輸出端Al檢測(cè)不到電信號(hào)。移動(dòng)物體330繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)，當(dāng)與摩擦單元132接觸面積最大后并且接觸面積發(fā)生變化時(shí)，在輸出端A2可以檢測(cè)到電信號(hào)，直到移動(dòng)物體與摩擦單元132的接觸面積不再發(fā)生變化。根據(jù)連接在輸出端Al與A2的檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的摩擦單元的位置，可以確定移動(dòng)物體的滑動(dòng)位置、滑動(dòng)方向以及滑動(dòng)距離。因此本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)可以對(duì)物體移動(dòng)的方向和位移距離進(jìn)行準(zhǔn)確定位，是對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行探測(cè)的矢量位移傳感器。
[0104]位移傳感器是通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化成與之成線性或者任意函數(shù)關(guān)系的電阻或者電壓輸出。矢量位移傳感器是在位移傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其不但可以用來確定物體移動(dòng)的方向，同時(shí)，也可以用來確定物體移動(dòng)的位置。現(xiàn)有的矢量位移傳感器主要是基于電阻變化型和磁致伸縮型的傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的準(zhǔn)確定位，外部電源供電對(duì)于這些傳感器的正常工作是必不可少的，依賴外部能源供電的矢量位移傳感器不僅在條件惡劣的環(huán)境下使用時(shí)不便于維護(hù)，而且很難在未來的能源危機(jī)中得到廣泛地應(yīng)用。利用本發(fā)明發(fā)電機(jī)的矢量位移傳感器，無需外部電源供電，是一種自驅(qū)動(dòng)的位移傳感器，不僅結(jié)構(gòu)簡單制備成本低，而且能夠從根本上解決位移傳感器對(duì)外部電源的依賴，可以長期而穩(wěn)定工作。
[0105]具體的，根據(jù)以上滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的工作原理，本發(fā)明提供一種矢量位移傳感器，包括上述由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成摩擦層、由多個(gè)第一導(dǎo)電單元構(gòu)成第一導(dǎo)電層的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)所述摩擦單元的下表面接觸設(shè)置一個(gè)所述第一導(dǎo)電單元，在每個(gè)所述第一導(dǎo)電單元與等電位之間連接檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置用于檢測(cè)所述電信號(hào)；當(dāng)所述摩擦層上表面與所述第二導(dǎo)電層下表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到所述電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置能夠確定所述第二導(dǎo)電層的位置，或者根據(jù)先后檢測(cè)到電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置確定所述第二導(dǎo)電層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。所述多個(gè)摩擦單元以及其對(duì)應(yīng)的第一導(dǎo)電單元可以排列設(shè)置在基板表面，來固定多個(gè)摩擦單元。在每個(gè)第一導(dǎo)電單元與等電位之間分別連接檢測(cè)裝置，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電單元與等電位之間有電流流過時(shí)，由于第一導(dǎo)電單元與摩擦單元一一對(duì)應(yīng)，因此檢測(cè)裝置能夠記錄產(chǎn)生電流信號(hào)的摩擦單元的位置，相應(yīng)的就可以確定與第二導(dǎo)電層產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦的摩擦單元的位置，因此可以確定第二導(dǎo)電層的位置。第二導(dǎo)電層先后與兩個(gè)摩擦單元發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r，相應(yīng)的會(huì)有兩個(gè)檢測(cè)裝置先后檢測(cè)到電信號(hào)，根據(jù)先后檢測(cè)到電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置、距離和時(shí)間，能夠確定第二導(dǎo)電層的移動(dòng)距離、移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體(第二導(dǎo)電層)的位移感應(yīng)。多個(gè)檢測(cè)裝置可以形成檢測(cè)系統(tǒng)，在檢測(cè)系統(tǒng)中可以預(yù)先設(shè)定每個(gè)檢測(cè)裝置與摩擦單元的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0106]本發(fā)明的矢量位移傳感器中，檢測(cè)裝置可以為電流或電壓檢測(cè)裝置，用于當(dāng)所述第一導(dǎo)電單元與所述等電位之間有電流時(shí)輸出電流或電壓信號(hào)。在其他實(shí)施例中，檢測(cè)裝置也可以為其他通電后可以產(chǎn)生聲、光等信號(hào)的發(fā)光元件或者發(fā)聲元件，例如蜂鳴器或者LED燈，當(dāng)發(fā)光元件或發(fā)聲元件接收到所述電信號(hào)時(shí)能夠輸出光信號(hào)或聲音信號(hào)。
[0107]本發(fā)明的矢量位移傳感器，還可以與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)連接，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄各檢測(cè)裝置與多個(gè)摩擦單元的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系、各檢測(cè)裝置檢測(cè)到電信號(hào)的時(shí)間，并且根據(jù)這些記錄信息可以方便的計(jì)算出所述摩擦層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。
[0108]另外，本發(fā)明的矢量位移傳感器中，還可以在每個(gè)第一導(dǎo)電單元與等電位之間包括分壓電阻，分壓電阻可以調(diào)節(jié)第一導(dǎo)電單元與等電位之間的電流或電壓。具體的，分壓電阻可以與檢測(cè)裝置并聯(lián)或者串聯(lián)。
[0109]具體的，可以將每個(gè)第一導(dǎo)電單元分別通過分壓電阻連接至同一個(gè)等電位(例如地)，在每個(gè)第一導(dǎo)電單元與分壓電阻之間連接檢測(cè)裝置；當(dāng)設(shè)置在移動(dòng)物體上的第二導(dǎo)電層下表面與摩擦單元上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，由于檢測(cè)裝置、第一導(dǎo)電單元和摩擦單元一一對(duì)應(yīng)，因此，所述根據(jù)檢測(cè)到的檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)裝置能夠感應(yīng)移動(dòng)物體的位置。
[0110]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，包括步驟:
[0111]提供下表面設(shè)置有第一導(dǎo)電層的摩擦層，所述第一導(dǎo)電層通過負(fù)載連接至等電位；
[0112]第二導(dǎo)電層與所述摩擦層的上表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦、并且導(dǎo)致摩擦面積變化，所述負(fù)載上有電流流過。
[0113]其中，所述摩擦層的材料與第二導(dǎo)電層的材料具有摩擦電極序差異。涉及到的摩擦層、第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層的材料和結(jié)構(gòu)可以采用與本發(fā)明提到的發(fā)電機(jī)中的摩擦層第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層相同的材料和結(jié)構(gòu)，在這里不在重復(fù)。
[0114]實(shí)施例一:滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的制備
[0115]切割一個(gè)長1cmX寬5cmX厚100 μ m的聚二甲基硅氧烷薄膜作為器件的摩擦層，在聚二甲基硅氧烷薄膜的下表面沉積金膜作為第一導(dǎo)電層，用銅導(dǎo)線連接金膜，并和一個(gè)電阻相連接，電阻的另外一端接地；用膠布把一片長1cmX寬5cmX厚25 μ m鋁箔固定在一個(gè)一樣大小的有機(jī)玻璃材料基板上，該鋁箔為第二導(dǎo)電層。將鋁箔面向聚二甲基硅氧烷薄膜接觸放置，外力作用下當(dāng)聚二甲基硅氧烷和鋁箔發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)并且摩擦面積發(fā)生變化后，連接在電阻兩端的電壓表有相應(yīng)的電信號(hào)輸出，說明能夠?qū)⑼饬Φ臋C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電。
[0116]實(shí)施例二:基于滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的矢量位移傳感器的制備
[0117]利用激光切割一個(gè)長1cmX寬1cmX厚1.59mm的有機(jī)玻璃作為利用發(fā)電機(jī)的傳感器的基板材料。利用磁控濺射的方法，在基板上表面制作16個(gè)鋁電極條作為第一導(dǎo)電單元，第一導(dǎo)電單元的寬度為10mm，長度為3cm。第一導(dǎo)電單元之間的距離為2mm，16個(gè)第一導(dǎo)電單元以4個(gè)為一組，分布在四個(gè)方向上形成十字架結(jié)構(gòu)，每組中的4個(gè)第一導(dǎo)電單元平行等距排列，如圖10所示。在每個(gè)第一導(dǎo)電單元上采用導(dǎo)電膠粘貼一個(gè)聚四氟乙烯薄膜作為摩擦單元，摩擦單元的寬度為1mm,長度為2.5cm,厚度為200 μ m,相鄰摩擦單元之間的距離為2mm，16個(gè)摩擦單元也按照4個(gè)為一組，分布在四個(gè)方向上形成十字架結(jié)構(gòu)，每組中的4個(gè)摩擦單元平行等距排列。用銅導(dǎo)線連接每個(gè)第一導(dǎo)電單元，并和一個(gè)分壓電阻R相連接，分壓電阻的另外一端接地，在每個(gè)第一導(dǎo)電單元與分壓電阻之間引出一個(gè)輸出端01……15、16，具體連接電路見圖11，輸出端用于采集電信號(hào)。16個(gè)輸出端分別和檢測(cè)裝置相連接，通過檢測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)第一導(dǎo)電單元輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。切割一個(gè)長2cmX寬2cmX厚Imm的鋁片作為第二導(dǎo)電層，并放置在多個(gè)電極條形成圖形的中間空白處。當(dāng)?shù)诙?dǎo)電層向任何方向滑動(dòng)時(shí)候，其將和聚四氟乙烯摩擦單元相對(duì)滑動(dòng)摩擦并且使接觸面積變化，從而在輸出端對(duì)外輸出電信號(hào)。并且，當(dāng)包括第二導(dǎo)電層的物體在傳感器上面移動(dòng)的時(shí)候，不同的摩擦單元先后和第二導(dǎo)電層接觸，將導(dǎo)致不同的第一導(dǎo)電單元對(duì)外輸出電信號(hào)，通過分析這些信號(hào)，可以知道物體在哪個(gè)方向移動(dòng)和移動(dòng)的位置。當(dāng)向其中一個(gè)方向滑動(dòng)10mm，得到的數(shù)據(jù)圖像見圖12，可以清楚的顯示是中心區(qū)上方的第一個(gè)摩擦單元與物體上設(shè)置的第二導(dǎo)電層接觸并發(fā)生滑動(dòng)摩擦。
[0118]以上實(shí)施例表明通過對(duì)輸出端這些信號(hào)的采集，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體移動(dòng)方向和位置的定位。該矢量位移傳感器直接利用單電極式的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)作為觸發(fā)的傳感器，不需要外部供電，可以有效的節(jié)約能源，并能長期穩(wěn)定的工作。另外，本發(fā)明提供的矢量位移傳感器可以根據(jù)需要將多個(gè)摩擦單元設(shè)置為任意形狀，并且可以進(jìn)行大面積設(shè)置，可以方便的應(yīng)用在野外等不便于使用電源的環(huán)境中。
[0119]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)包括: 摩擦層，所述摩擦層的下表面接觸設(shè)置第一導(dǎo)電層；所述第一導(dǎo)電層電連接至等電位； 所述摩擦層上方設(shè)置的第二導(dǎo)電層，所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面相對(duì)設(shè)置； 當(dāng)所述摩擦層的上表面與所述第二導(dǎo)電層的下表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，同時(shí)摩擦面積在滑動(dòng)過程中發(fā)生變化時(shí)，在所述第一導(dǎo)電層和所述等電位之間輸出電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述摩擦層的上表面材料與所述第二導(dǎo)電層下表面材料存在電極序差異。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一導(dǎo)電層通過需要供電的外電路連接至地或等電位電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一導(dǎo)電層通過外負(fù)載電連接至等電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面接觸設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī),其特征在于,在未受外力時(shí)所述第二導(dǎo)電層與所述摩擦層不接觸，在外力作用下所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述摩擦層的上表面材料選擇絕緣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述絕緣體材料選自聚合物材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述聚合物材料選自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述摩擦層的厚度100nm-5mmo
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層下表面的材料選自金屬、銦錫氧化物或有機(jī)物導(dǎo)體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；所述有機(jī)物導(dǎo)體選自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層為薄膜材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層的厚度為10nm-5mmo
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面的全部或部分分布有納米、微米或次微米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽，納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)，以及由前述結(jié)構(gòu)形成的陣列，或者納米材料的點(diǎn)綴或涂層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī),其特征在于,所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面經(jīng)過化學(xué)改性。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，在所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面，在摩擦電極序相對(duì)為正的材料表面引入更易失電子的官能團(tuán)，或者在摩擦電極序相對(duì)為負(fù)的材料表面引入更易得電子的官能團(tuán)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，在所述第二導(dǎo)電層的下表面和/或摩擦層的上表面，在極性為正的表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的表面引入負(fù)電荷。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層的下表面為平面或曲面； 和/或，所述摩擦層的上表面為平面或曲面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層的下表面與所述摩擦層的上表面為互補(bǔ)表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述摩擦層的上表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，所述第二導(dǎo)電層的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層和/或摩擦層為柔性材料或硬性材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-22任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層和/或摩擦層為彈性材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求1-23任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī),其特征在于,還包括第一基板,所述第一導(dǎo)電層的下表面設(shè)置在所述第一基板上； 和/或 第二基板，所述第二導(dǎo)電層的上表面設(shè)置在所述第二基板上。
25.根據(jù)權(quán)利要求1-24任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成，所述多個(gè)摩擦單元的上表面形成所述摩擦層的上表面。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層的下表面不能同時(shí)與相鄰的兩個(gè)摩擦單元的上表面接觸和摩擦。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述摩擦單元的形狀為長條狀或正方形塊狀。
28.根據(jù)權(quán)利要求25-27任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述多個(gè)摩擦單元按照預(yù)先設(shè)定的圖形排列。
29.根據(jù)權(quán)利要求25-28任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī),其特征在于,所述第一導(dǎo)電層由多個(gè)第一導(dǎo)電單元構(gòu)成，所述多個(gè)第一導(dǎo)電單元與所述多個(gè)摩擦單元一一對(duì)應(yīng)；每個(gè)所述第一導(dǎo)電單元電連接至等電位。
30.根據(jù)權(quán)利要求25-29所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層由多個(gè)第二導(dǎo)電單元構(gòu)成，所述多個(gè)第二導(dǎo)電單元的下表面形成所述第二導(dǎo)電層的下表面。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，多個(gè)所述第二導(dǎo)電單元的下表面在同一個(gè)平面，多個(gè)所述摩擦單元的上表面在同一個(gè)平面。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，多個(gè)所述第二導(dǎo)電單元的下表面、以及多個(gè)所述摩擦單元的上表面屬于同一曲面。
33.一種矢量位移傳感器，其特征在于，包括如權(quán)利要求29所述的發(fā)電機(jī)，其中， 在每個(gè)所述導(dǎo)電單元與等電位之間連接檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置用于檢測(cè)所述電信號(hào); 當(dāng)所述第二導(dǎo)電層下表面與所述摩擦單元上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到所述電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置能夠確定所述第二導(dǎo)電層的位置，或者根據(jù)先后檢測(cè)到電信號(hào)的檢測(cè)裝置的位置確定所述第二導(dǎo)電層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的矢量位移傳感器，其特征在于，所述檢測(cè)裝置為電流或電壓檢測(cè)裝置，所述電信號(hào)為電流或電壓信號(hào)； 或者，所述檢測(cè)裝置為發(fā)光元件或發(fā)聲元件，當(dāng)所述發(fā)光元件或發(fā)聲元件檢測(cè)到所述電信號(hào)時(shí)輸出光信號(hào)或聲音信號(hào)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的矢量位移傳感器，其特征在于，在每個(gè)所述電極單元與等電位之間還包括分壓電阻，所述分壓電阻與所述檢測(cè)裝置并聯(lián)或串聯(lián)。
36.根據(jù)權(quán)利要求33至35任一項(xiàng)所述的矢量位移傳感器，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)包括16個(gè)摩擦單元，所述16個(gè)摩擦單元以4個(gè)為一組，分布在四個(gè)方向上形成十字架結(jié)構(gòu)，每組中的4個(gè)摩擦單元平行等距排列。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的矢量位移傳感器，其特征在于，所述16個(gè)摩擦單元為長條狀聚四氟乙烯薄膜，所述摩擦單元的寬度為10mm，長度為2.5cm，摩擦單元之間的距離為2mm ο
38.一種發(fā)電方法,其特征在于,包括: 提供下表面設(shè)置有第一導(dǎo)電層的摩擦層，所述第一導(dǎo)電層通過負(fù)載連接至等電位；第二導(dǎo)電層與所述摩擦層的上表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦、并且導(dǎo)致摩擦面積變化，所述負(fù)載上有電流流過。
【文檔編號(hào)】G01D5/12GK104283453SQ201310291321
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】王中林, 楊亞, 張虎林 申請(qǐng)人:國家納米科學(xué)中心