[发明专利]一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量采集装置，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的多自由度振动能量采集装置。

背景技术

随着无线传感技术以及微型集成电子电路的不断发展，无线通信、传感器等微型电子器件目前已大规模应用到航空、航天、航海、军事和工业等各个领域。其中，电源是无线传感器件正常和持久工作的重要保障，目前主要的供电方式是电池，与通讯、存储以及数据处理等技术相比，电池技术在过去的十多年里进步缓慢。虽然电池可以持续产生较大的电流，但其寿命有限，长则一年短则几个月就需要更换，从而使得维护工作及成本大大提高；另外，在一些非常恶劣的工作环境，例如有辐射、有毒等，更换电池不太现实。

能量采集器是将环境中的能量转换为电能，从而可为无线电子器件提供持续的电能，构成自维护、自供电的无线电子器件。由于环境中振动能量无处不在，存在范围广泛，目前是研究重点，研究者们从以下各个方面展开相应的工作，1）研究不同的换能方式，如压电式、静电式、电磁式，并提出了相应的结构，如中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1547312A）研究具有宽频带响应的换能结构，包括采用非线性磁力、多悬臂梁结构等等。

但以上的采集器均只能响应环境中一个方向的振动能量，当外界振动具有多个方向，或者振动方向随时间不断变化时，在这种情况下，其他方面的振动不能被拾取，采集器的转换效率不高。

发明内容

为了克服上述现有振动发电装置技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于纳米发电机的多自由度能量采集装置，其特征在于包括：第一部件、第二部件、重物和弹性元件，其中所述第一部件包括第一摩擦层和贴合在所述第一摩擦层下表面的第一导电层；所述第二部件包括第二摩擦层和贴合在所述第二摩擦层上表面的第二导电层；所述重物与所述第二部件的上表面固定绝缘连接，使得所述第一摩擦层和所述第二摩擦层面对面并紧密接触；所述弹性元件的一端为固定端，另一端为自由端与所述重物相连；所述第一部件与所述弹性元件的固定端之间的相对位置保持不变；在外力作用下，所述重物和所述弹性元件带动所述第二部件发生位移，使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层之间形成相对滑动摩擦，或者，使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层之间形成接触-分离循环，同时通过所述第一导电层和所述第二导电层向外电路输出电信号；

优选地，构成所述第一摩擦层的摩擦材料和构成所述第二摩擦层的摩擦材料之间存在摩擦电极序差异；

优选地，所述弹性元件能够在一维、二维和/或三维方向上发生弹性形变；

优选地，所述弹性元件的弹性系数为4×10²Kg/mm²-12×10⁴Kg/mm²,优选8×10³Kg/mm²。

优选地，包含1个所述弹性元件；

优选地，包含2个以上所述弹性元件，并且各弹性元件物理尺寸及弹性参数相同或不同；

优选地，在无外力施加时，所述弹性元件的固定端和自由端间的中心线与所述第一摩擦层和第二摩擦层接触的摩擦表面平行或垂直；

优选地，所述弹性元件为弹簧或弹性悬臂梁；

优选地，所述弹簧选自螺旋状弹簧、盘状弹簧、异型弹簧或锥形弹簧等；

优选地，所述重物的重量为第二导电层和第二摩擦层总重量的2倍以上；

优选地，所述重物直接固定在所述第二导电层的上表面，并且与所述第二导电层具有相同或相近的尺寸和与第二导电层平行的横截面形状；

优选地，还包括支撑部件用于支撑和固定所述第一部件；

优选地，所述支撑部件还用于固定连接所述弹性元件的固定端；

优选地，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料不同，并选自绝缘体、半导体和导体。