CN103368447B - 静电脉冲发电机和直流脉冲发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种静电脉冲发电机，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；绝缘支撑体使第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。本发明还提供一种将静电脉冲发电机结合全桥整流器的直流脉冲发电机。本发明的静电脉冲发电机利用了存在摩擦电极序差的两种绝缘材料在外力作用下接触时所产生的接触电荷，在第一电极层和第二电极层之间形成电势差。在周期性外力的作用下，第一绝缘层与第二绝缘层发生周期性接触和分开两个过程，分别产生方向相反的脉冲电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别涉及将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的静电脉冲发电机和直流脉冲发电机。
背景技术
在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池有三点难以克服的局限性，第一是较大的体积和较重的质量，使得整个电子系统难以实现小型化；第二是有限的寿命，特别是对于由大量分散的传感器所组成的网络，有限的电池寿命将带来极高的维护成本；第三是有毒化学物质对环境和人体潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能从而实现无需外接电源的微型器件的技术具有极其重要的意义。
目前，机械能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能等。然而，已经发明的静电感应发电机存在体积大，适用性窄等缺点，而电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的静电脉冲发电机，为微型电子器件提供匹配的电源。
为实现上述目的，本发明提供一种静电脉冲发电机，所述发电机具有层状结构，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，
所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；
所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。
优选地，所述第一绝缘层或第二绝缘层面向所述空隙的表面包括纳米线或纳米棒阵列，所述纳米线或纳米棒基本垂直与所述第一绝缘层或第二绝缘层的表面。
优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层面向所述空隙的表面经过化学改性，使两个绝缘层中极性为正的薄膜层表面引入易失电子的官能团，或者在极性为负的材料表面引入易得电子的官能团。
优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层为绝缘薄膜层。
优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。
优选地，所述绝缘支撑体为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。
优选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层和/或绝缘支撑体为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。
优选地，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层的材料为无机非金属材料、有机高分子材料或其组合。
优选地，所述第一绝缘层为厚度为2微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜层，所述第二绝缘层为厚度为50微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，并且所述第二绝缘层在面向所述空隙的表面包括长度约为1.5微米的聚酰亚胺纳米棒阵列，所述纳米棒基本垂直与所述第二绝缘层。
优选地，所述绝缘支撑体为聚酰亚胺双面胶。
优选地，所述外力包括低频机械冲击和高频机械振动。
相应地，本发明还提供一种直流脉冲发电机，包括本发明所述的静电脉冲发电机和全桥整流器，所述静电脉冲发电机的输出端与所述全桥整流器的输入端连接。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明提供一种静电脉冲发电机，所述发电机具有层状结构，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。由于第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差，本发明的静电脉冲发电机利用第一绝缘层与第二绝缘层在外力作用下接触时所产生的接触电荷和第一绝缘层与第二绝缘层之间的中空结构的设计，在第一电极层和第二电极层之间形成电势差。在周期性外力的作用下，第一绝缘层与第二绝缘层发生周期性接触和分开两个过程，分别产生方向相反的脉冲电流。
本发明的静电脉冲发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，具有广泛的实际用途。另外，与全桥整流器结合可以形成直流脉冲发电机，直接用于电化学领域的多种用途，其不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，为各种小型便携式电子器件提供所需电力。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明实施例一的静电脉冲发电机的结构示意图；
图2为本发明实施例三的静电脉冲发电机的结构示意图；
图3为在聚酰亚胺材料的表面制备出的高分子纳米棒阵列的电镜照片；
图4为静电脉冲发电机在外力作用下的开路电压测量结果；
图5a为静电脉冲发电机在外力作用下的短路电流测量结果；图5b为图5a中在外力作用下一个脉冲周期的短路电流测量结果；
图6为直流脉冲发电机中静电脉冲发电机与全桥整流器的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。开发出能将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能从而实现无需外接电源的微型器件的技术具有极其重要的意义。目前，机械能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能等。然而，已经发明的静电感应发电机存在体积大，适用性窄等缺点，而电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。
本发明提供一种将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的静电脉冲发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的静电脉冲发电机具有层状结构，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。选择存在摩擦电极序差的第一绝缘层与第二绝缘层的材料，两者在相互接触的瞬间会通过电子或者离子发生表面电荷转移，即接触电荷，使其中一种绝缘层表面带有净正电荷，而另一种绝缘层表面相应地带有净负电荷。在周期性外力的作用下，第一绝缘层与第二绝缘层发生周期性接触和分开两个过程，分别产生方向相反的脉冲电流，实现脉冲发电。
在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触，即第一绝缘层、绝缘支撑体和第二绝缘薄膜层中至少有一个为弹性材料，以保证在外力作用下，第一绝缘层和第二绝缘层能够互相接触。
本发明中所述的”摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。
本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
本发明的静电脉冲发电机中，影响发电机输出功率的主要尺寸参数是第一绝缘层和第二绝缘层的厚度和其之间空隙的距离。两种绝缘材料的厚度越薄，两种绝缘材料之间的空隙距离越大，得到发电机的输出功率也就越大。
下面结合附图详细介绍本发明的实施例。
实施例一：
本实施例的静电脉冲发电机，第一绝缘层和第二绝缘层均采用薄膜材料，参见图1，所述发电机制备在衬底101上，发电机具有层状结构，所述发电机依次包括第一电极层102、第一绝缘薄膜层103、绝缘支撑体104、第二绝缘薄膜层105和第二电极层106，其中，所述第一绝缘薄膜层103与第二绝缘薄膜层105的材料存在摩擦电极序差；所述绝缘支撑体104使所述第一绝缘薄膜层103与第二绝缘薄膜层105之间形成空隙107，在外力F作用下，所述第一绝缘薄膜层103与第二绝缘薄膜层105互相接触。
本实施例中的第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的材料，可以采用无机非金属材料或有机高分子材料，可以均为无机非金属材料，或者有机高分子材料。第一绝缘薄膜层103的材料可以采用玻璃，第二绝缘薄膜层105的材料可以采用硅。第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯和聚酰亚胺。第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的材料也可以一个为无机非金属材料，一个为有机高分子材料，例如第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的材料可以为玻璃和聚酰亚胺。第一绝缘薄膜层103、绝缘支撑体104和第二绝缘薄膜层105中至少有一个为弹性材料，以保证在外力F作用下，第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105能够互相接触。
第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层的材料在摩擦电极序中的极性差异直接影响接触电荷密度，极性差异越大，接触电荷密度就越大，而更多的接触电荷将在两电极层之间产生更大的电势差，从而提高本发明的输出功率。因此，要尽可能地选取在摩擦电极序中极性差异大的一组绝缘薄膜材料。
影响本发明的发电机的输出功率的主要尺寸参数是第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层的厚度和其之间空隙的距离。实验结果和理论推导均可证明，薄膜材料的厚度越薄，两种薄膜材料之间的距离越大，得到发电机的输出功率也就越大。因此，在机械强度等条件允许的情况下，为了得到较大的输出功率，第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层需要选取较薄的材料并使两者之间保持较大的空隙。需要说明的是，采用面积更大的薄膜材料同样可以提高输出功率，但这种方法并不能提高输出功率的密度。
本实施例中，第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105之间被绝缘支撑体104支撑形成空隙107，绝缘支撑体104可以支撑在第一和第二绝缘薄膜层的边缘。绝缘支撑体104的结构设计和材料选择需要考虑第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的材料的机械性能，如果第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的两种绝缘薄膜材料中至少有一种弹性高分子材料，则该高分子材料的自身弹性可以保证其在形变之后的恢复，从而使空隙得以保持，因此在这种情况下绝缘支撑体可以选用具有一定厚度的双面胶条等绝缘材料；如果两种绝缘薄膜材料均为刚性无机非金属材料，则绝缘支撑体需要采用具有回复力的弹簧结构，或者采用弹性材料，以保证两种绝缘薄膜材料在外力的作用下发生接触后能够在绝缘支撑体的回复力作用下分离并保持一定的空隙。
本实施例的发电机的发电具体过程为：在外力F的作用下，第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的两种绝缘薄膜材料相互接触并在接触面上发生电荷转移。外力撤去后，由于两种绝缘薄膜材料自身的弹性或者绝缘支撑体的回复力，两种绝缘薄膜材料之间发生分离，并在各自表面上形成极性相反的接触电荷。由于空隙的存在，带正电的接触电荷和带负电的接触电荷在第一电极层102和第二电极层106上产生的电势存在差异。在有外加负载的情况下，该电势差造成自由电子在两金属电极间重新分布，以平衡该电势差，从而形成通过负载的脉冲电流。当外力再次施加，由于两种绝缘薄膜材料之间的空隙距离被改变，两金属电极间的电势差再次出现，使达到平衡的电荷分布被改变，重新分布的电荷造成再次通过外加负载的脉冲电流。需要说明的是，在负载接入的情况下，两种绝缘薄膜材料在分离和靠近过程中产生相反的电势差，因此，两个过程中的脉冲电流的流向相反。综上所述，本实施例的发电机能在周期性外力的作用下输出具有相应频率的脉冲交流电。
需要说明的是，绝缘支撑体104的形状并不限于本实施例中的形状，只要可以将第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层互相分隔开即可。可以为不连续的点状分布的绝缘支撑体，其边缘也可以超出第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层的边缘。
本实施例中，第一电极层102和第二电极层106可以采用金属电极层，本实施例中的金属电极层是通过分别在第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的一个表面沉积金属薄膜而制成，在发电机的实际组装过程中，第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105的没有金属电极层的表面相向放置，并通过绝缘支撑体使第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105之间保持一定的空隙107。金属电极层的制备可以采用蒸镀或者溅射方法，而具体金属材料可以选择钛或铝等导电性好、成本较低和与第一绝缘薄膜层103和第二绝缘薄膜层105结合性好的材料。
在本发明的静电脉冲发电机在实际工作当中，外加负载的电阻值对实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大，通过负载的电流减小，而实际输出功率先增大后减小，并出现极大值。本发明人经过多次实验发现，输出功率极大值所对应的电阻值在兆欧量级，因此，本发明在负载的电阻值为兆欧量级的情况下能够最大程度发挥其功效。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。
本发明的发电机的输出功率除了受到外界环境因素，包括外力的大小，外加负载的电阻值等影响外，还受到发电机本身的设计和制造，包括第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层的材料的选择，以及各部分的尺寸大小，和绝缘薄膜层材料表面的物理和化学性质等的影响。
实施例二：
本实施例中，静电脉冲发电机的结构与实施例一中相同，在这里不再复述。与实施例一的区别在于，对发电机中面向空隙107的第一绝缘薄膜层103和/或第二绝缘薄膜层105的材料表面进行了化学改性，达到有效地提高输出功率的目的。对于第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层的两种绝缘薄膜材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团），都能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。
强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基等。
本实施例中，第一绝缘薄膜层103采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，第二绝缘薄膜层105采用聚酰亚胺材料，在聚甲基丙烯酸甲酯材料表面引入强给电子基团，而在聚酰亚胺材料表面进入强吸电子基团，这将进一步增大接触电荷的密度。
在聚甲基丙烯酸甲酯材料表面引入氨基的方法为：利用等离子体表面改性的方法，气氛为氮气、氮气和氢气混合气或者氨气，在一定功率下产生等离子体，实现聚甲基丙烯酸甲酯材料表面氨基的引入。
在聚酰亚胺材料表面引入硝基的方法为：利用等离子体表面改性的方法，气氛为氧气和氮气的混合气体，在一定功率下产生等离子体，实现在聚酰亚胺材料表面氨基的引入。
在本发明的其他实施例中可以只对静电脉冲发动机的第一绝缘层或第二绝缘层的材料表面进行化学改性。
一般认为，材料表面越粗糙，两种材料接触时能够有效接触的面积就越小，同时产生更少的接触电荷，相应地得到更低的输出功率。但是，本发明的发明人在研究过程中发现，静电脉冲发电机的第一绝缘薄膜层或第二绝缘薄膜层的绝缘薄膜材料表面的粗糙度对输出功率有较大的影响，在绝缘薄膜材料的表面引入具有一定表面粗糙度的特殊形貌可以提高发电机的输出功率。
实施例三：
本实施例中，静电脉冲发电机的结构与实施例一中相同，在这里不再复述。与实施例一的区别在于，第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层相对的表面中有一个表面为经过物理改性的粗糙表面，也就是说，在外力作用下，第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层接触时，互相接触的表面中有一个表面为经过物理改性的粗糙表面。
优选地，可以在第一绝缘薄膜层或第二绝缘薄膜层面向所述空隙的表面制备出纳米线或纳米棒阵列，所述纳米线或纳米棒基本垂直与所述第一绝缘薄膜层或第二绝缘薄膜层的表面，以达到增加绝缘薄膜材料表面粗糙度的目的。
具体地，以第一绝缘薄膜层或第二绝缘薄膜层选取高分子薄膜材料为例，通过将高能粒子导向到粗糙的高分子薄膜的表面上对其进行选择性刻蚀而制备出高分子纳米线或纳米棒阵列，其中的高能粒子可以为电感耦合等离子体，脉冲激光灼烧产生的气化高能离子等，这种材料表面的物理改性方法能够大大地提高本发明的输出功率。
本发明人认为，经过此法改性过的高分子薄膜材料和另一种薄膜材料相互接触时，这些高分子纳米棒能发生弯曲并在另一种表面上产生局部相对滑动，有研究表明，额外的摩擦能够有效地增大接触电荷密度，因此，这些纳米线或纳米棒阵列的存在能够提高本发明的发电机的输出功率。
以第一绝缘薄膜层或第二绝缘薄膜层采用聚甲基丙烯酸甲酯薄膜材料和聚酰亚胺薄膜材料制造静电脉冲发电机为例，具体介绍本实施例的静电脉冲发电机的制备过程。
参见图2，在尺寸为1.5厘米×1.5厘米的玻璃基底201上用电子束蒸镀的方法沉积200纳米厚的铝第一电极层202，在铝第一电极层202表面用旋转涂敷的方法覆盖上一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），并在180℃的条件下烘干硬化，形成厚度为2微米的第一绝缘薄膜层203。
第二绝缘薄膜层205使用杜邦公司生产的尺寸为1.5厘米×1.5厘米×50微米的聚酰亚胺薄膜材料，在其一面用电子束蒸镀的方法沉积200纳米厚的铝一电极层206，在其另一面用溅射仪沉积约10纳米厚的金。之后，将聚酰亚胺薄膜放入电感耦合等离子体刻蚀机中，对沉积有金的一面进行刻蚀，通入O2、Ar和CF4气体，流量分别控制在10sccm、15sccm和30sccm，压强控制在15mTorr，工作温度控制在55℃，用400瓦的功率来产生等离子体，100瓦的功率来加速等离子体，进行约5分钟的刻蚀，得到基本垂直于第二绝缘薄膜层205的长度约为1.5微米的高分子聚酰亚胺纳米棒阵列205’如图3所示。
使用杜邦公司生产的尺寸为1.5厘米×0.1厘米×50微米的聚酰亚胺双面胶条，在PMMA的边缘围绕成中空的绝缘支撑体204。之后，将聚酰亚胺薄膜制备有纳米棒阵列205’的一面贴在绝缘支撑体204上，使第一绝缘薄膜层203与第二绝缘薄膜层205之间形成空隙207，在外力F2作用下，所述第一绝缘薄膜层203与第二绝缘薄膜层205表面的纳米棒阵列205’互相接触。这样就形成了基于两种绝缘薄膜材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚酰亚胺薄膜材料的层状中空结构，如图2所示。
绝缘薄膜材料表面的粗糙度对输出功率有较大的影响，一般认为，材料表面越粗糙，能够有效接触的面积就越小，产生更少的接触电荷，从而相应地得到更低的输出功率。但本发明人意外地发现，引入具有一定表面粗糙度的特殊形貌反而会提高输出功率。在选取高分子薄膜材料时，通过将高能粒子导向到粗糙的高分子基片的表面上对其进行选择性刻蚀而制备出高分子纳米棒阵列，其中的高能粒子可以为电感耦合等离子体，脉冲激光灼烧产生的气化高能离子等，这种材料表面的物理改性方法能够大大地提高本发明的输出功率。本发明人认为，经过此法改性过的高分子薄膜材料和另一种薄膜材料相互接触时，这些高分子纳米棒能发生弯曲并在另一种表面上产生局部相对滑动，有研究表明，额外的摩擦能够有效地增大接触电荷密度，因此，这些纳米棒阵列的存在对提高发电机的输出功率有帮助。
需要说明的是，实施例一、二或三中的静电脉冲发电机，可以直接采用强度较大的第一电极层，而不需要基底，例如采用铝箔或铝板为第一电极层，在其上直接可以制备静电脉冲发动机的第一绝缘层材料。
实施例四：
本实施例中，在周期性外力的作用下，对静电脉冲发电机进行了开路电压和短路电流的测量，结果分别如图4和图5所示，图4为静电脉冲发电机在外力作用下的开路电压测量结果，图5a为静电脉冲发电机在外力作用下的短路电流测量结果，图5b为图5a中在外力作用下一个脉冲周期的短路电流测量结果。图4和图5中的插图为对应测试结果的静电脉冲发电机与测量系统的连接示意图。从实验结果可以看到，发电机的两电极层和测量系统的正负极的连接方式直接关系到测量电信号的正负性。
本发明人发现，外力的大小对本发明的静电脉冲发电机的输出功率的影响存在一定的范围。当外力较小时，其变化能够有效地对输出功率产生影响，这是因为更大的外力将产生更大的接触面积和更有效的摩擦，从而提高接触电荷密度；而当外力较大时，其变化对于输出功率的影响并不明显，这是因为当外力大至一定程度时，其对接触面积和有效摩擦的影响已经十分有限。需要说明是，所述大小范围是由第一绝缘薄膜层和第二绝缘薄膜层材料的选取所决定的，量化结果需要通过实验测得。
实施例五：
与本发明的静电脉冲发电机相对应，本发明人还提出一种直流脉冲发电机，包括实施例一、二或三中所述的静电脉冲发电机和全桥整流器，参见图5，静电脉冲发电机300的输出端（即静电脉冲发电机的第一电极层和第二电极层）与全桥整流器310的输入端连接，在全桥整流器310的输出端连接负载时，静电脉冲发电机300所输出的交流脉冲电流经过全桥整流器310以后能够被整流为直流脉冲电流提供给负载。实验证明，该直流脉冲发电机能够作为直流脉冲电源用于电化学领域的多项应用，包括金属电镀、污染物电解和金属电化学防腐等。需要说明的是，由于负载两端的实际脉冲电压和负载的电阻值有关，因此，需要对电解槽等装置进行相关设计以保证实际脉冲电压大于上述电化学应用中的临界电压。
本实施例中的直流脉冲发电机，在金属电镀中的应用时，在硅片上用电子束蒸镀的方法沉积一层50纳米厚的金作为种子层，再用等离子增强化学气相沉积法在金表面沉积一层2微米厚的二氧化硅，之后在二氧化硅的表面旋转涂敷一层光刻胶，并烘干固化，利用光刻工艺在光刻胶上打开所需要图形的窗口，用电感耦合等离子体刻蚀技术将暴露出来的二氧化硅进行方向性地刻蚀，直至露出种子层。之后，将该硅试片作为阴极和直流脉冲发电机的负极“-”相连，将纯金属银作为牺牲阳极和直流脉冲发电机的正极“+”相连，在频率为13赫兹的外力作用下，进行2分钟的电沉积。将阴极从电解液中取出，用含有HF的缓冲刻蚀液将剩余的二氧化硅全部除去，最后用去离子水洗净并吹干。所得到的立体沉积物。利用静电脉冲发电机实施金属电镀后的沉积结果，经过电子显微镜分析，表明采用本发明的直流脉冲发电机进行金属电镀后的沉积物表面致密，而且具有很小的晶粒尺寸，得到的立体沉积物经过能谱分析被证实是金属银。
本实施例中的直流脉冲发电机输出的脉冲电流，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种静电脉冲发电机，其特征在于，所述发电机具有层状结构，依次包括第一电极层、第一绝缘层、绝缘支撑体、第二绝缘层和第二电极层，其中，
所述第一绝缘层与第二绝缘层的材料存在摩擦电极序差；
所述绝缘支撑体使所述第一绝缘层与第二绝缘层之间形成空隙，在外力作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层互相接触。
2.根据权利要求1所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层或第二绝缘层面向所述空隙的表面包括纳米线或纳米棒阵列，所述纳米线或纳米棒阵列基本垂直于所述第一绝缘层或第二绝缘层的表面。
3.根据权利要求1所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层面向所述空隙的表面经过化学改性，使两个绝缘层中极性为正的薄膜层表面引入易失电子的官能团，或者在极性为负的材料表面引入易得电子的官能团。
4.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层为绝缘薄膜层。
5.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。
6.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述绝缘支撑体为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。
7.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层和/或绝缘支撑体为弹性材料，在周期性外力的作用下，所述第一绝缘层与第二绝缘层周期性接触。
8.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层和/或第二绝缘层的材料为无机非金属材料、有机高分子材料或其组合。
9.根据权利要求8所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述第一绝缘层为厚度为2微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜层，所述第二绝缘层为厚度为50微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，并且所述第二绝缘层在面向所述空隙的表面包括长度约为1.5微米的聚酰亚胺纳米棒阵列，所述纳米棒阵列基本垂直于所述第二绝缘层。
10.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述绝缘支撑体为聚酰亚胺双面胶。
11.根据权利要求1-3任一项所述的静电脉冲发电机，其特征在于，所述外力包括低频机械冲击和高频机械振动。
12.一种直流脉冲发电机，其特征在于，包括权利要求1所述的静电脉冲发电机和全桥整流器，所述静电脉冲发电机的输出端与所述全桥整流器的输入端连接。
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| CN103368447A (zh) | 2013-10-23 |
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