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)摩擦層和一個(gè)電連接至等電位的電極層，當(dāng)所述電極層的上表面與所述摩擦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，在所述電極層和所述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，電極層由多個(gè)子電極構(gòu)成，移動(dòng)物體在電極層上滑動(dòng)時(shí)，根據(jù)子電極與等電位之間輸出的電信號(hào)能夠?qū)σ苿?dòng)物體的位置、移動(dòng)方向和移動(dòng)距離進(jìn)行探測，而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)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)要求摩擦電材料的厚度必須要在小尺度厚度范圍內(nèi)，典型的厚度小于100微米，由于摩擦電材料很薄，這將使兩種摩擦電材料在滑動(dòng)摩擦過程非常容易破壞摩擦電材料，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能繼續(xù)正常工作。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)，包括一個(gè)摩擦層和一個(gè)電極層，其中，所述電極層電連接至等電位；
[0005]所述摩擦層的下表面與所述電極層的上表面相對(duì)設(shè)置；
[0006]當(dāng)所述電極層的上表面與所述摩擦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)生變化時(shí)，在所述電極層和所述等電位之間能夠輸出電信號(hào)。
[0007]優(yōu)選的，所述摩擦層的下表面材料與所述電極層上表面材料存在電極序差異。
[0008]優(yōu)選的，所述電極層通過負(fù)載連接至地或等電位電路。
[0009]優(yōu)選的，所述電極層通過外電路電連接至等電位，所述外電路與負(fù)載并聯(lián)。
[0010]優(yōu)選的，所述電極層的上表面與所述摩擦層的下表面接觸設(shè)置。
[0011]優(yōu)選的，在未受外力時(shí)所述電極層與所述摩擦層不接觸，在外力作用下所述電極層的上表面與所述摩擦層的下表面接觸。
[0012]優(yōu)選的，所述摩擦層的下表面材料選擇絕緣體。
[0013]優(yōu)選的,所述絕緣體材料選自聚合物材料。
[0014]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。
[0015]優(yōu)選的，所述摩擦層的厚度大于1_。
[0016]優(yōu)選的，所述電極層上表面的材料選自金屬，銦錫氧化物或有機(jī)物導(dǎo)體。
[0017]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。
[0018]優(yōu)選的，所述電極層為薄膜材料。
[0019]優(yōu)選的,所述電極層的厚度為10nm-5mm。
[0020]優(yōu)選的，所述電極層的上表面和/或摩擦層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。
[0021]優(yōu)選的，所述電極層的上表面和/或摩擦層的下表面經(jīng)過化學(xué)改性。
[0022]優(yōu)選的，在所述電極層的上表面和/或摩擦層的下表面，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)。
[0023]優(yōu)選的，在所述電極層的上表面和/或摩擦層的下表面，在極性為正的摩擦層材料表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的摩擦層材料表面引入負(fù)電荷。
[0024]優(yōu)選的，所述電極層的上表面為平面或曲面；
[0025]和/或，所述電極層的下表面為平面或曲面。
[0026]優(yōu)選的，所述電極層的上表面與所述摩擦層的下表面為互補(bǔ)表面。
[0027]優(yōu)選的，所述摩擦層的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，所述電極層的上表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
[0028]優(yōu)選的，所述電極層和/或摩擦層為柔性材料或硬性材料。
[0029]優(yōu)選的，所述電極層和/或摩擦層為彈性材料。
[0030]優(yōu)選的，還包括基板，所述電極層設(shè)置在所述基板上。
[0031]優(yōu)選的，所述電極層由多個(gè)子電極構(gòu)成，每個(gè)所述子電極電連接至等電位，所述多個(gè)子電極的上表面形成所述電極層的上表面；當(dāng)所述子電極的上表面與所述摩擦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)生變化時(shí)，在所述子電極和所述等電位之間能夠輸出電信號(hào)。
[0032]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。
[0033]優(yōu)選的，所述子電極的形狀為長條狀或正方形條狀。
[0034]優(yōu)選的，所述多個(gè)子電極按照預(yù)先設(shè)定的圖形排列。
[0035]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)摩擦單元的下表面形成所述摩擦層的下表面。
[0036]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種矢量位移傳感器，包括電極層由多個(gè)子電極構(gòu)成的發(fā)電機(jī)，其中，
[0037]在每個(gè)所述子電極與等電位之間連接檢測裝置，所述檢測裝置用于檢測所述電信號(hào);
[0038]當(dāng)所述摩擦層下表面與所述子電極上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)檢測到所述電信號(hào)的檢測裝置的位置能夠確定所述摩擦層的位置，或者根據(jù)先后檢測到電信號(hào)的檢測裝置的位置確定所述摩擦層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。
[0039]優(yōu)選的，所述檢測裝置為電流或電壓檢測裝置，所述電信號(hào)為電流或電壓信號(hào)；
[0040]或者,所述檢測裝置為發(fā)光元件或發(fā)聲元件，當(dāng)所述發(fā)光元件或發(fā)聲元件檢測到所述電信號(hào)時(shí)輸出光信號(hào)或聲音信號(hào)。
[0041]優(yōu)選的，在每個(gè)所述子電極與等電位之間還包括分壓電阻，所述分壓電阻與所述檢測裝置并聯(lián)或串聯(lián)。
[0042]優(yōu)選的，所述發(fā)電機(jī)包括16個(gè)子電極，所述16個(gè)子電極以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)子電極平行等距排列。
[0043]優(yōu)選的，所述16個(gè)子電極為鋁電極條，所述鋁電極條的寬度為10mm，長度為3cm，電極條之間的距離為2mm。
[0044]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，包括:
[0045]提供通過負(fù)載連接至等電位的電極層；
[0046]摩擦層與所述電極層發(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。
[0047]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0048]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)摩擦電材料和一個(gè)導(dǎo)電材料(例如聚合物和金屬材料)，將導(dǎo)電材料電連接至等電位，便可以制作成發(fā)電機(jī)，不再需要在摩擦電材料的表面鍍金屬材料。通過摩擦電材料和導(dǎo)電材料的不斷接觸和分離就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出電能。本發(fā)明簡化了發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以采用厚度較大的摩擦層材料，能夠延長發(fā)電機(jī)的使用壽命。
[0049]2、本發(fā)明的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的電極層需要電連接至等電位，而摩擦層則無需進(jìn)行任何連接，只要能夠保證電極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)連接在電極層與等電位之間的負(fù)載供電。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)生機(jī)械能的收集或者應(yīng)用在觸摸屏等領(lǐng)域。
[0050]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。
[0051]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，采用電極層由多個(gè)子電極構(gòu)成的電極層，摩擦層在子電極上滑動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，連接在子電極與等電位之間的檢測裝置能夠檢測電信號(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)的摩擦層與子電極之間滑動(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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0052]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。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。
[0053]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；
[0054]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；
[0055]圖3為電極層設(shè)置在基板上的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖4為電極層的上表面和摩擦層的下表面為彎曲表面的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖5和圖6為電極層的上表面和摩擦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；
[0058]圖7和圖8為電極層由多個(gè)子電極構(gòu)成的發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059]圖9至圖11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】
[0060]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。
[0061]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。
[0062]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)需要在摩擦材料表面制備導(dǎo)電材料層作為電極層，不僅使發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對(duì)摩擦層的厚度要求較薄，這將使兩種摩擦電材料在滑動(dòng)摩擦過程非常容易破壞摩擦電材料，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能繼續(xù)正常工作。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，并且通過將導(dǎo)電材料電連接至等電位，為連接在導(dǎo)電材料與等電位之間的負(fù)載或外電路供電。
[0063]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。
[0064]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。
[0065]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】。
[0066]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)包括一個(gè)摩擦層100和一個(gè)電極層200，其中，電極層200電連接至等電位300 ;摩擦層100的下表面與電極層200的上表面相對(duì)設(shè)置；當(dāng)電極層200的上表面與摩擦層100的下表面在外力作用下發(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)，在電極層200和等電位300之間輸出電信號(hào)。如果在電極層200和等電位300之間連接負(fù)載或外電路400，在負(fù)載或外電路400有電流流過。
[0067]摩擦層100與電極層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。
[0068]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與電極層200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)而電極層200更容易失去電子為例，當(dāng)電極層200的上表面與摩擦層100的下表面接觸時(shí)，使摩擦層100下表面帶有負(fù)電荷，而電極層200則帶正電荷。如圖2中a圖所示。當(dāng)外力F作用下摩擦層100與電極層200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和電極層200表面電荷的平衡，電子會(huì)從等電位300向電極層200流動(dòng)，如圖2中b圖所示，從而使連接在電極層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和電極層200完全分離后，電極層200上的正負(fù)電荷達(dá)到平衡，并沒有電子的流動(dòng)，如圖2中c圖所示。當(dāng)反方向的外力F使摩擦層100與電極層200發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦層100的下表面和電極層200上表面互相摩擦并使接觸面積改變，將導(dǎo)致電子從電極層200向等電位流動(dòng)，對(duì)連接在電極層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和電極層200完全接觸后，摩擦層100與電極層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，在電極層200與等電位之間觀察不到電流輸出。如此往復(fù)，形成交流脈沖電流。
[0069]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)生電勢時(shí)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，兩種摩擦電材料中，一種選擇導(dǎo)電材料，并將該導(dǎo)電材料與一等電位(地或等電勢)電連接，負(fù)載或者外電路連接在電極層與等電位之間即可，不需要在摩擦層的上表面設(shè)置電極層，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)。另外，由于不需要在摩擦層的上表面制備電極層，因此，摩擦層的厚度不做特別限定，優(yōu)選為大于1mm，以保證摩擦過程中的機(jī)械強(qiáng)度。
[0070]根據(jù)上述的發(fā)電原理可以看出，摩擦層100和電極層200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，電極層材料為導(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、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。
[0071]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦層100的材料與電極層200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。
[0072]電極層200在發(fā)電機(jī)中不僅提供與摩擦層100進(jìn)行摩擦的一個(gè)摩擦表面，而且還是發(fā)電機(jī)的電極，當(dāng)電極層200表面電荷所構(gòu)成的電場不平衡時(shí)，能通過負(fù)載或外電路從等電位300傳輸電子，以平衡電極層200的電荷。因此，電極層200的上表面需要由導(dǎo)電材料構(gòu)成，或者整體均為導(dǎo)電材料構(gòu)成，所述的導(dǎo)電材料可選自金屬、銦錫氧化物或有機(jī)物導(dǎo)體，電極層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-500ymo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。金屬薄膜層可以采用現(xiàn)有的磁控濺射、蒸鍍和印刷打印等技術(shù)來制作。
[0073]對(duì)于電極層200米用薄膜材料的發(fā)電機(jī),還可以包括基板500,參見圖3,電極層200設(shè)置在基板500上，以增強(qiáng)電極層200的機(jī)械強(qiáng)度。在基板上制備電極層如金屬薄膜層可以采用現(xiàn)有的磁控濺射、蒸鍍和印刷打印等技術(shù)。當(dāng)然對(duì)于電極層厚度較大的情況，發(fā)電機(jī)也可以包括基板，將電極層設(shè)置在基板上，來支撐電極層或者將電極層與其他器件進(jìn)行隔離。
[0074]基板500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?；?00可以為柔性基板也可以為硬性基板，例如橡膠或玻璃板。
[0075]為了提高發(fā)電機(jī)的輸出性能，優(yōu)選在所述摩擦層100的下表面，和/或，所述電極層200的上表面，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和電極層200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的下表面和/或電極層200的上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)。
[0076]除上述的在摩擦層(或電極層)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/或電極層200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。化學(xué)改性又分為如下兩種類型:
[0077]—種方法是對(duì)于相互摩擦的摩擦層100和電極層200，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:?；Ⅳ然?、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。
[0078]另外一種方法是在極性為正的摩擦層材料表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的摩擦層材料表面引入負(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)。
[0079]本發(fā)明中所述的電極層200電連接至等電位300中，所述等電位300可以為地或者等電位電路，所述的電連接可以為電極層200通過負(fù)載或者外電路連接至等電位，當(dāng)電極層與摩擦層互相摩擦使電極層上的接觸電荷與摩擦層上的電荷不平衡時(shí)產(chǎn)生電勢，等電位300中的電荷可以通過負(fù)載或者外電路傳輸?shù)诫姌O層上，即所述電信號(hào)施加在所述負(fù)載或者外電路上。在本發(fā)明中，電極層200可以直接通過負(fù)載與等電位電連接；電極層200也可以通過外電路與等電位電連接，負(fù)載與外電路并聯(lián)連接在電極層200與等電位300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。
[0080]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，摩擦層100或電極層200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)。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境來選擇摩擦層100和電極層200的材料硬度。采用柔性材料制成的發(fā)電機(jī)其優(yōu)勢在于柔軟輕薄的摩擦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)摩擦層的相對(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)。
[0081]本發(fā)明發(fā)電機(jī)的最典型結(jié)構(gòu)中，摩擦層100的下表面和電極層200的上表面相對(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和電極層200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下表面和電極層200上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。
[0082]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和導(dǎo)電層200可以為不接觸設(shè)置，只要在外力作用下，摩擦層100的下表面和導(dǎo)電層200的上表面能夠接觸并發(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和導(dǎo)電層200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，例如在摩擦層100的上表面和電極層200的下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和電極層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和電極層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。
[0083]本發(fā)明中，摩擦層100的下表面或電極層200的上表面可以為平面(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的下表面為弧形，電極層210整體為弧形結(jié)構(gòu)，特別的，電極層210的上表面為弧形，電極層210通過負(fù)載或外電路連接至地，在外力F作用下，摩擦層110的下表面與電極層210的上表面發(fā)生與接觸面相切的相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，負(fù)電荷通過負(fù)載410流入電極層210。優(yōu)選的，摩擦層110的下表面與電極層210的上表面為形狀互補(bǔ)的曲面，例如為曲率相同的曲面，以保證電極層210與摩擦層110的接觸面積最大，在外力F作用下，摩擦層110的下表面與電極層210的上表面發(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。
[0084]圖1和圖4所示的實(shí)施例中，摩擦層的下表面和電極層的上表面均為光滑平整表面，這樣的結(jié)構(gòu)需要摩擦層與電極層的相對(duì)滑動(dòng)空間較大，而且對(duì)于摩擦層與電極層的尺寸相差較大時(shí)的情況，無法滿足摩擦層與電極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，摩擦層的下表面和電極層的上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的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，電極層220的上表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，電極層通過負(fù)載420連接至等電位320，當(dāng)摩擦層120與電極層220接觸時(shí)，由于摩擦層與電極層的摩擦電極序不同，在摩擦層的下表面產(chǎn)生負(fù)電荷，在電極層上產(chǎn)生正電荷，摩擦層與電極層無相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，無電流流過負(fù)載；在外力作用下摩擦層120相對(duì)于電極層220發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，并使接觸面積發(fā)生變化時(shí)，參見圖6，為了平衡電極層上的電勢，負(fù)電荷從等電位320通過負(fù)載420流向電極層220，形成脈沖電流。本實(shí)施例中，還可以適用在摩擦層的下表面或者電極層的上表面較小的情況，在摩擦層的下表面和電極層的上表面制備不平整表面，在外力作用下摩擦層的下表面和電極層的上表面互相摩擦?xí)r能夠滿足接觸面積的變化，從而可以將外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>
[0085]本發(fā)明中，優(yōu)選為摩擦層的下表面與電極層的上表面尺寸相當(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，摩擦層的下表面與電極層的上表面面積和形狀完全相同。
[0086]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，電極層可以由多個(gè)子電極構(gòu)成，每個(gè)所述子電極電連接至等電位，多個(gè)子電極層的上表面共同形成電極層的上表面；當(dāng)所述子電極的上表面與所述摩擦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)生變化時(shí)，在所述子電極和所述等電位之間輸出電信號(hào)。如果摩擦層與一個(gè)以上子電極在滑動(dòng)過程中摩擦面積發(fā)生改變，則可以在一個(gè)以上的子電極與等電位之間輸出電信號(hào)。參見圖7，電極層由子電極231、232、233和234構(gòu)成，可以將多個(gè)子電極設(shè)置在基板231上，子電極231、232、233和234的上表面共同構(gòu)成電極層的上表面，子電極231、232、233和234分別通過電阻431連接至地，分別在子電極231、232、233和234與電阻之間引出一個(gè)輸出端Al、A2、A3和A4，輸出端用于連接負(fù)載或者檢測設(shè)備。這里多個(gè)子電極設(shè)置在基板上進(jìn)行固定，在其他實(shí)施例中，多個(gè)子電極之間也可以采用其他方式進(jìn)行固定，例如子電極鑲嵌在絕緣網(wǎng)格中進(jìn)行固定。摩擦層130的尺寸可以小于子電極的尺寸也可以大于子電極的尺寸，這里以摩擦層130的尺寸大于子電極的尺寸為例介紹發(fā)電機(jī)工作過程，參見圖7中a圖至c圖，初始狀態(tài)時(shí)，摩擦層130的下表面與子電極231、232和233的上表面(即電極層的上表面)接觸并可以相對(duì)滑動(dòng)，未與子電極234接觸。由于摩擦層材料和子電極材料存在電極序差異，因此，摩擦層130下表面帶有負(fù)電荷，而子電極231、232和233則帶正電荷，如圖7中a圖所示。當(dāng)外力F作用下摩擦層130相對(duì)于電極層向右滑動(dòng)并且使摩擦層130與子電極231的接觸面積發(fā)生變化后，電子會(huì)從地向子電極231流動(dòng)，如圖7中b圖所示，使連接在輸出端Al的檢測設(shè)備能夠檢測到電信號(hào)，直至摩擦層130的下表面完全與子電極231分離后，輸出端Al檢測不到電信號(hào)。在這個(gè)滑動(dòng)過程中，摩擦層130的下表面與子電極232和233的上表面雖然同時(shí)有滑動(dòng)摩擦，但是，由于摩擦層130的尺寸比較大，摩擦層130的下表面與子電極232和233上表面的接觸面積并沒有發(fā)生變化，因此，在輸出端A2和A3上檢測不到電信號(hào)。摩擦層130相對(duì)于電極層繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)摩擦，當(dāng)摩擦層130的下表面與子電極234的上表面接觸并且在滑動(dòng)過程中接觸面積發(fā)生變化時(shí)，摩擦層130下表面的負(fù)電荷會(huì)排斥子電極234上的負(fù)電荷，從而使子電極234上的負(fù)電荷通過電阻流向地，如圖7中c圖所示，因此連接在輸出端A4的檢測設(shè)備可以檢測到電信號(hào)。當(dāng)摩擦層130向右側(cè)運(yùn)動(dòng)直至子電極234的上表面完全與摩擦層130的下表面接觸后，摩擦層130繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)時(shí)，子電極234上的電荷平衡，并且摩擦層130的下表面與子電極234的上表面的接觸面積不會(huì)發(fā)生變化，因此不會(huì)在輸出端A4檢測到電信號(hào)。本實(shí)施例中，基板330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)用在電極層固定而移動(dòng)的物體上設(shè)置摩擦層進(jìn)行發(fā)電的情況。例如在路面上設(shè)置多個(gè)子電極，每個(gè)子電極通過負(fù)載等連接至等電位，摩擦層設(shè)置在車輛上，在車輛行駛過程中摩擦層可以與子電極相對(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。
[0087]上述實(shí)施例中，子電極的形狀可以為任意形狀，優(yōu)選為多個(gè)子電極的形狀和尺寸相同，例如都為長條狀或正方形條狀。多個(gè)子電極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。
[0088]同樣的原理，本實(shí)施例中，也可以為摩擦層由多個(gè)摩擦單元構(gòu)成，多個(gè)摩擦單元的下表面形成摩擦層的下表面，電極層的上表面與摩擦單元的下表面接觸設(shè)置并可以相對(duì)滑動(dòng)，電極層通過電阻連接至地，其工作原理與圖7中類似，這里不再詳細(xì)說明。這樣結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用在移動(dòng)的物體上設(shè)置電極層而摩擦層固定的情況，例如在路面上設(shè)置多個(gè)摩擦單元，電極層設(shè)置在車輛上并通過負(fù)載等連接至等電位，在車輛行駛過程中電極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)。
[0089]由多個(gè)子電極構(gòu)成電極層的發(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)距離等的探測方面，實(shí)際應(yīng)用中將由多個(gè)子電極構(gòu)成的電極層設(shè)定為靜止(或者相對(duì)靜止)表面，摩擦層為移動(dòng)物體，每個(gè)子電極分別通過測試設(shè)備連接至地，當(dāng)移動(dòng)物體在電極層表面上滑動(dòng)產(chǎn)生子電極和摩擦層之間的相對(duì)摩擦，并且使接觸面積發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的與子電極連接的測試設(shè)備能夠檢測到電信號(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)測試設(shè)備的測試信號(hào)，還可以確定移動(dòng)物體的移動(dòng)方向，參見圖8，電極層的結(jié)構(gòu)與圖7中的結(jié)構(gòu)相同，移動(dòng)物體140 (即摩擦層)尺寸較小，僅可以與一個(gè)子電極接觸，移動(dòng)物體140與子電極231接觸且不相對(duì)滑動(dòng)時(shí)輸出端Al檢測不到電信號(hào)(圖8中a圖所不),移動(dòng)物體140相對(duì)于電極層向右側(cè)滑動(dòng)并使接觸面積發(fā)生變化時(shí)，輸出端Al檢測到電信號(hào)(圖8中b圖所示)，直到移動(dòng)物體完全離開子電極231時(shí)輸出端Al檢測不到電信號(hào)。移動(dòng)物體140繼續(xù)向右側(cè)滑動(dòng)，當(dāng)與子電極232接觸后并且接觸面積發(fā)生變化時(shí)，在輸出端A2可以檢測到電信號(hào)，直到移動(dòng)物體與子電極232的接觸面積不再發(fā)生變化。根據(jù)連接在輸出端Al與A2的檢測設(shè)備的檢測信號(hào)對(duì)應(yīng)的子電極的位置，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)行探測的矢量位移傳感器。
[0090]根據(jù)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)子電極構(gòu)成電極層的滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，其中，在每個(gè)所述子電極與等電位之間連接檢測裝置，所述檢測裝置用于檢測所述電信號(hào)；當(dāng)所述摩擦層下表面與所述子電極上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)檢測到所述電信號(hào)的檢測裝置的位置能夠確定所述摩擦層的位置，或者根據(jù)先后檢測到電信號(hào)的檢測裝置的位置確定所述摩擦層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。所述多個(gè)子電極可以排列設(shè)置在基板表面，來固定多個(gè)子電極。在每個(gè)子電極與等電位之間分別連接檢測裝置，當(dāng)子電極與等電位之間有電流流過時(shí)，由于子電極與檢測裝置一一對(duì)應(yīng)，因此檢測裝置能夠記錄產(chǎn)生電流信號(hào)的子電極的位置，相應(yīng)的就可以確定與摩擦層產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦的子電極的位置，因此可以確定摩擦層的位置。摩擦層先后與兩個(gè)子電極發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r，相應(yīng)的會(huì)有兩個(gè)檢測裝置先后檢測到電信號(hào)，根據(jù)先后檢測到電信號(hào)的檢測裝置的位置、距離和時(shí)間，能夠確定摩擦層的移動(dòng)距離、移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體(摩擦層)的位移感應(yīng)。多個(gè)檢測裝置可以形成檢測系統(tǒng)，在檢測系統(tǒng)中可以預(yù)先設(shè)定每個(gè)檢測裝置與子電極的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0091]本發(fā)明的矢量位移傳感器中，檢測裝置可以為電流或電壓檢測裝置，用于當(dāng)所述子電極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，發(fā)光元件或發(fā)聲元件用于當(dāng)所述子電極與所述等電位之間有電流時(shí)輸出光信號(hào)或聲音信號(hào)。
[0092]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)記錄各檢測裝置與子電極的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系、各檢測裝置檢測到電信號(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。
[0093]另外，本發(fā)明的矢量位移傳感器中，還可以在每個(gè)子電極與等電位之間包括分壓電阻，分壓電阻可以調(diào)節(jié)子電極與等電位之間的電流或電壓。具體的，分壓電阻可以與檢測裝置并聯(lián)或者串聯(lián)。
[0094]具體的，可以將每個(gè)子電極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)子電極與分壓電阻之間連接檢測裝置；當(dāng)設(shè)置在移動(dòng)物體上的摩擦層下表面與子電極上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，所述檢測裝置根據(jù)檢測到的檢測信號(hào)能夠感應(yīng)移動(dòng)物體的位置。
[0095]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。
[0096]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，包括步驟:
[0097]提供通過負(fù)載連接至等電位的電極層；
[0098]摩擦層與所述電極層發(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。
[0099]其中，所述摩擦層的材料與電極層的材料具有摩擦電極序差異。涉及到的摩擦層與電極層的材料和結(jié)構(gòu)可以采用與本發(fā)明提到的發(fā)電機(jī)中的摩擦層和電極層相同的材料和結(jié)構(gòu),在這里不在重復(fù)。
[0100]實(shí)施例一:滑動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)的制備
[0101]切割一個(gè)長1cmX寬5cmX厚Imm的聚四氟乙烯作為器件的摩擦材料層，用膠布把一片長1cmX寬5cmX厚25 μ m招箔固定在一個(gè)一樣大小的有機(jī)玻璃材料基板上,用銅導(dǎo)線連接Al箔，并和一個(gè)電阻相連接，電阻的另外一端接地。把切割好的聚四氟乙烯放在鋁箔的表面，外力作用下當(dāng)聚四氟乙烯和鋁箔發(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。
[0102]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
[0103]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)鋁電極條作為子電極，子電極的寬度為10mm，長度為3cm。電極條之間的距離為2mm，16個(gè)子電極以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)子電極平行等距排列，如圖9所示。用銅導(dǎo)線連接每個(gè)鋁電極條，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)電極條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10，輸出端用于采集電信號(hào)。16個(gè)輸出端分別和檢測裝置相連接，通過檢測裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)子電極輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。切割一個(gè)長2cmX寬2cmX厚Imm的聚四氟乙烯作為摩擦層，并放置在多個(gè)電極條形成圖形的中間空白處。當(dāng)聚四氟乙烯材料向任何方向滑動(dòng)時(shí)候，其將和電極條相對(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)包括摩擦層的物體在傳感器上面移動(dòng)的時(shí)候，不同的子電極先后和摩擦層接觸，將導(dǎo)致不同的子電極對(duì)外輸出電信號(hào)，通過分析這些信號(hào)，我們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11，可以清楚的顯示是中心區(qū)上方的第一個(gè)子電極與物體上設(shè)置的摩擦層接觸。
[0104]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)子電極設(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。
[0105]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)包括一個(gè)摩擦層和一個(gè)電極層，其中，所述電極層電連接至等電位； 所述摩擦層的下表面與所述電極層的上表面相對(duì)設(shè)置； 當(dāng)所述電極層的上表面與所述摩擦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)生變化時(shí)，在所述電極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，所述摩擦層的下表面材料與所述電極層上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，所述電極層通過負(fù)載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，所述電極層通過外電路電連接至等電位，所述外電路與負(fù)載并聯(lián)。
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，所述電極層的上表面與所述摩擦層的下表面接觸設(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)所述電極層與所述摩擦層不接觸，在外力作用下所述電極層的上表面與所述摩擦層的下表面接觸。
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，所述摩擦層的下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，所述摩擦層的厚度大于1mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求ι-?ο任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述電極層上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，所述電極層為薄膜材料。
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，所述電極層的厚度為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，所述電極層的上表面和/或摩擦層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，所述電極層的上表面和/或摩擦層的下表面經(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，在所述電極層的上表面和/或摩擦層的下表面，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，在所述電極層的上表面和/或摩擦層的下表面，在極性為正的摩擦層材料表面引入正電荷，而在極性為負(fù)的摩擦層材料表面引入負(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，所述電極層的上表面為平面或曲面； 和/或，所述電極層的下表面為平面或曲面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述電極層的上表面與所述摩擦層的下表面為互補(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，所述摩擦層的下表面為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面，所述電極層的上表面為凹凸結(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，所述電極層和/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，所述電極層和/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，還包括基板，所述電極層設(shè)置在所述基板上。
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，所述電極層由多個(gè)子電極構(gòu)成，每個(gè)所述子電極電連接至等電位，所述多個(gè)子電極的上表面形成所述電極層的上表面；當(dāng)所述子電極的上表面與所述摩擦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)生變化時(shí)，在所述子電極和所述等電位之間輸出電信號(hào)。
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。
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，所述子電極的形狀為長條狀或正方形條狀。
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)子電極按照預(yù)先設(shè)定的圖形排列。
29.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)摩擦單元的下表面形成所述摩擦層的下表面。
30.一種矢量位移傳感器,其特征在于,包括如權(quán)利要求25-28任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其中， 在每個(gè)所述子電極與等電位之間連接檢測裝置，所述檢測裝置用于檢測所述電信號(hào)； 當(dāng)所述摩擦層下表面與所述子電極上表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)檢測到所述電信號(hào)的檢測裝置的位置能夠確定所述摩擦層的位置，或者根據(jù)先后檢測到電信號(hào)的檢測裝置的位置確定所述摩擦層的滑動(dòng)距離、滑動(dòng)方向或滑動(dòng)速度。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的矢量位移傳感器，其特征在于，所述檢測裝置為電流或電壓檢測裝置，所述電信號(hào)為電流或電壓信號(hào)； 或者，所述檢測裝置為發(fā)光元件或發(fā)聲元件，當(dāng)所述發(fā)光元件或發(fā)聲元件檢測到所述電信號(hào)時(shí)輸出光信號(hào)或聲音信號(hào)。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的矢量位移傳感器，其特征在于，在每個(gè)所述子電極與等電位之間還包括分壓電阻，所述分壓電阻與所述檢測裝置并聯(lián)或串聯(lián)。
33.根據(jù)權(quán)利要求30至32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)子電極，所述16個(gè)子電極以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)子電極平行等距排列。
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16個(gè)子電極為鋁電極條，所述鋁電極條的寬度為10mm，長度為3cm，電極條之間的距離為2mm。
35.一種發(fā)電方法,包括: 提供通過負(fù)載連接至等電位的電極層； 摩擦層與所述電極層發(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)】H02N1/04GK104253561SQ201310256081
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月25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