基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器

摘要

本发明公开了属于微能源和微机械加工技术领域的一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。此能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块；在感应电极上依次设置绝缘层、摩擦层，摩擦层上具有滑块，滑块与摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。本发明的运动能量收集器采用非谐振的结构以获得宽响应频带，覆盖了低频响应区。通过插入绝缘层在两感应电极间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能力。

说明书

技术领域

本发明属于微能源和微机械加工技术领域，具体涉及一种基于摩擦微结构的 静电式摆动运动能量收集器。

技术背景

机械能量收集器（Mechanical Energy Harvester）是一种可将环境机械能转换 为电能的器件，传统的机械能量收集器按照能量转换的工作原理可划分为电磁 式、压电式，及静电式机械能量收集器。其中静电式机械能量收集器中一个电极 材料中存储有静电荷，当对电极在外力作用下起振时，两电极极板间电容值发生 变化，导致感应电荷量变化，向外电路输出交变电流，典型代表为，A MEMS electret generator withelectrostatic levitation forvibration-driven  energy-harvestingapplications，中所述静电式机械能量收集。传统的静电式机械能 量收集器通常以驻极体材料作为电荷存储材料作为静电感应源，部分驻极体材料 具有较强的电荷存储能力，但其加工工艺通常包含了恒温驻极工艺，耗时长效率 低，难以实现流水化，且驻极性能优良的材料通常难以实现微加工工艺，成为该 技术推广的瓶颈。传统机械能量收集器普遍存在的另一显著问题是输出功率非常 有限，与实际应用尚有一定距离。

近年来Z.L.Wang等人（“Nanoscale Triboelectric-Effect-Enabled Energy  Conversion for Sustainably Powering Portable Electronics”、“Toward Large-Scale  Energy Harvesting by a Nanoparticle-Enhanced Triboelectric Nanogenerator”）提出 了一种新型的静电式能量收集器，以摩擦起电的原理替代传统静电式机械能量收 集器的驻极体作为静电感应源，这类器件的加工过程较传统的含有驻极体材料的 器件相比，一方面在工艺方面省去了驻极工艺而得到简化；另一方面器件的输出 性能优于传统器件，输出电压可以达到200V以上，输出峰值功率密度可达313 W/m²，足以点亮一串LED灯。但是现存的摩擦静电式能量收集器仅可从外部压 力等直接作用力中获取能量，因此其应用受限于较窄的范围。摩擦静电式能量收 集器的感应电荷源产生于器件工作中的摩擦，因此其加工工艺相较于基于驻极体 材料的静电式能量收集器，避开了恒温驻极工艺的技术难点，更易实现加工的流 水化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器。 此运动能量收集器通过惯性作用引发滑块运动，收集摆动运动能量，通过滑块重 力诱发摩擦起电机制，通过静电感应输出电能。

一种基于摩擦微结构的静电式摆动运动能量收集器，此能量收集器由为外壳 和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极、绝缘层、摩擦层和滑块； 在感应电极上设置绝缘层，绝缘层上设置摩擦层，在摩擦层上放置滑块，滑块与 摩擦层的接触面粗糙；感应电极固定在外壳底部上，在外力带动下外壳运动，使 内部的滑块依靠自身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电机，然 后通过感应电极输出电能，收集摆动运动能量。

所述感应电极的个数为2个，所述感应电极之间具有绝缘层。

所述绝缘层为绝缘塑料；

所述摩擦层的材料为聚合物材料。

所述聚合物材料为PDMS、Kapton、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料、聚苯乙烯或 聚氯乙烯。

所述滑块的材料为磨砂玻璃。

上述运动能量收集器，可以在人体摆臂、跨步或机器中的摆动等机械能供体 的带动下，将摆动的机械能转化为电能输出，为电路供电。

在外力带动下外壳运动，而内部的滑块依靠自身惯性作用与固定于外壳结构 上的摩擦层之间产生相对运动。通过内部滑块的重力诱发摩擦力，触发摩擦生电 的过程，利用静电感应原理在感应电极收集电荷。

本发明的有益效果为：本发明的运动能量收集器依靠外力带动外壳运动，而 内部的滑块依靠自身惯性作用与固定于外壳结构上的摩擦结构之间产生相对运 动，可收集摆动运动能量。采用非谐振的结构以获得宽响应频带，覆盖了低频响 应区。通过插入绝缘层在两感应电极间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近 似于理想电流源，具有很大的带载能力。

附图说明

图1为基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器结构示意图；图1a为收集 器的俯视图（不含顶盖），图1b为收集器（不含顶盖）的横截面示意图；

其中：1为外壳底座；2为感应电极；3为绝缘层；4为摩擦层；5为滑块。

图2为制备PDMS摩擦结构的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明。

本发明利用摩擦起电及静电感应的原理设计了一个用于收集摆动运动能量 的收集器，基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器，其结构示意图如图1所示， 所示能量收集器由为外壳和内部收集器件组成，所述内部收集器件包括感应电极 2、绝缘层3、摩擦层4和滑块5；在感应电极2上设置绝缘层3，绝缘层3上设 置摩擦层4，摩擦层4上具有滑块5，滑块5与摩擦层4的接触面表面粗糙；感 应电极2固定在外壳底部1上，在外力的带动下使外壳运动，内部的滑块依靠自 身惯性作用与摩擦层之间产生相对运动，诱发摩擦起电，然后通过感应电极输出 电能，收集摆动运动能量。

图1中未示出的顶盖，用于形成限制滑块运动的腔。在外部摆动下自由滑块 5在外壳内腔体中往复运动，与摩擦层4摩擦富集电荷，同时在感应电极2处产 生往复变化的感应电荷，向外电路输出电流。通过插入绝缘层3在两感应电极2 间获得极大的绝缘电阻，使器件输出特性近似于理想电流源，具有很大的带载能 力。

本发明的，基于摩擦微结构的静电式运动能量收集器的制备方法为：

在外壳底座上固定感应电极，在感应电极上覆盖绝缘层，在绝缘层上覆盖摩 擦层，将滑块放置于摩擦层上方，并使用外壳顶盖与底座封装形成完整器件，封 装后应保证滑块在腔体内可自由滑动。其中摩擦层制备如图2所示，具体方法如 下：

（a）在硅片上通过LPCVD（低压力化学气相沉积）的方法生长100-400nm的 氮化硅（Si₃N₄）或氧化硅-氮化硅（SiO₂-Si₃N₄）作为掩蔽层，通过光刻并利用干 法刻蚀（如RIE）Si₃N₄或SiO₂-Si₃N₄得到方孔阵列图形；

（b）通过湿法（40-50%KOH溶液恒温65-90℃）刻蚀硅衬底，形成具有方锥 孔阵列的硅模板；

（c）在硅模板上旋涂PDMS，在50-100℃下恒温固化6-8小时，或室温固化 12小时以上；

（d）在30%HF溶液中超声处理20-40分钟将PDMS脱模。

滑块的制备方法为：以磨砂玻璃作为原料，制备方法如下：将磨砂玻璃在 10-30%的HF溶液中进行10-40分钟超声处理，可在毛面获得密布于表面、特征 尺寸为10-50μm的凹陷结构。

采用了硅刻蚀模板技术制作摩擦材料PDMS结构的模板，并采用HF刻蚀法 处理磨砂玻璃，控制摩擦结构尺度，达到尺寸匹配，获得了较大的摩擦系数，优 化了起电效果。