一种可打印的能量捕获器件制造技术

本发明专利技术提出的一种可打印的能量捕获器件，包括液态金属电容电极，整流电路，介电材料，柔性封装材料以及电极引出端。液态金属电容电极通过液态金属电子电路打印机打印在介电材料上，并添加电极引出端，通过柔性封装材料对介电材料以及液态金属电容电极进行封装和保护，电极引出端连接整流电路，可以将双向电流整流为单向电流。该器件可以对摩擦产生的静电能进行捕获，用于对电子设备进行充电，有着结构简单可靠，成本低廉，使用方便的特点，有望应用于可穿戴设备，消费电子以及物联网设备等。

A printable energy capture device

The invention provides a printable energy capture device, which comprises a liquid metal capacitor electrode, a rectifying circuit, a dielectric material, a flexible packaging material, and an electrode extraction terminal. The liquid metal electrode through the liquid metal electronic circuit printed on a dielectric material, and add the outlet terminal of the electrode, through the flexible packaging materials for packaging and protection of dielectric material and liquid metal electrode, the electrode terminals can be connected with the rectification circuit, bidirectional current rectifier for unidirectional current. The device can produce electrostatic friction can be captured, for charging the electronic equipment, has simple and reliable structure and low cost, easy to use, is expected to be used in wearable devices, consumer electronics and networking equipment etc..

【技术实现步骤摘要】
一种可打印的能量捕获器件
本专利技术属于可打印电子
，特别涉及一种可打印的能量捕获器件。
技术介绍
现代生活中有着各种各样的电子设备，从电影电视，再到手机，再到智能手表，手环等，设备的体积越来越小，使用越来越便携，功能越来越丰富，相应的，对电池的要求也越来越高，更高的容量与更小的体积可以降低充电次数，提高续航时间，从而提高使用的便利性。随着传感器技术的普及，物联网得到了快速发展，在智慧城市、物流交通、工业生产以及智能家居等领域都有着广泛的应用，对于很多传感器终端，由于需要同时满足体积便携与长时间工作，所以设备的充电往往很难解决，现有的一些方案如太阳能、风能等，都有着各自的环境限制性条件，目前还没有较好的解决方案。另外在医疗领域中，类似心脏起搏器，胰岛素泵以及心电监护设备等，由于需要与身体紧密接触且长时间工作，因而其充电也成为了一个难题，如果是植入式设备，则传统的充电方法不再适用，如果能有一种设备自动捕获人体的运动产生的扩散能量，进而对设备进行充电，则可以省去很多不便。为了解决上述问题，不同类型的能量捕获技术应运而生，包括利用温差、光能、振动、摩擦等能量进行发电的技术。其中摩擦发电技术以其构造简单，能量转化效率高的特点，得到了研究人员的重视，目前已经可以实现柔性可拉伸的薄膜式摩擦发电器件。现有的摩擦式能量捕获器件有导电层、介电封装层、电极引出线以及整流电路几个部分组成，其中导电层多为纳米银浆或离子溶液，介电封装层材料多为PDMS或PET等，通过模具铸造的方式制成。这种方案的不足之处在于纳米银浆的价格较高，且银浆和离子溶液的温度适用范围较为受限，在较高温度下会凝固或者蒸发产生气体，导致固化失去柔性或膨胀使结构失效。在工艺上柔性材料的模具铸造相对而言成本较高，且不利于大规模生产，如果能够通过直接打印的方式形成结构，则可以大幅降低生产成本，提高生产效率。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于结合液态金属打印原理与摩擦起电原理，提供一种可打印的能量捕获器件，该器件具有结构简单，制造方便，环境适应性好，成本低廉，易于规模化生产以及可弯曲的特点，具备良好的柔性，能够对接触及摩擦产生的电能进行捕获，配合一定的整流电路以及能量存储电路，可用于给各类电子设备如手机、智能手表、医疗监护仪器以及物联网设备等充电或延长其使用时间；本专利技术可以应用于可穿戴电子设备，便携式数码设备以及物联网设备等，提高续航时间，降低充电频率；随着各类电子设备的普及以及性能的提升，通过环境获得能量的器件有望得到广泛的应用。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种可打印的能量捕获器件，包括介电材料3以及打印在介电材料3上的液态金属电容电极1，所述液态金属电容电极1连接有电极引出端5，通过摩擦介电材料3，在液态金属电容电极1上产生电荷聚集，停止摩擦后电容的变化导致液态金属电容电极1上的电荷产生移动，形成电流，通过电极引出端5输出。所述液态金属电容电极1和介电材料3上设置有进行封装保护的柔性封装材料4，所述柔性封装材料4与介电材料3一起将液态金属电容电极1封装在器件内部，柔性封装材料4与介电材料3材质相同或者不同，在受到外力作用时，柔性封装材料4随着能量捕获器件一起产生形变，从而提高器件的适应性。所述电极引出端5连接整流电路2，将双向电流整流为单向电流，所述整流电路2，是通过二极管组合形成的桥式整流电路，所用二极管是现成的单向二极管器件，或通过半导体材料进行打印形成的打印集成电路，能够将双向交变电流整流为单向电流。所述电极引出端5是具有一定柔性的固态金属电极材料，其连接在液态金属电容电极1与整流电路2之间，或连接在整流电路2的引出端，并连接到所需供电的电子设备器件上。所述摩擦，是两个能量捕获器件相互摩擦，或者利用绝缘材料与一个能量捕获器件摩擦。所述绝缘材料为塑料、硅胶或人体皮肤。所述液态金属电容电极1使用液态金属材料打印在介电材料3上，所述液态金属材料是镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒中的一种或多种，其形式是金属单质、合金或者金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。所述介电材料3是塑料类的PET膜或PC膜，或者柔性的PDMS、硅胶或橡胶材料，厚度在微米级或毫米级，通过和其他绝缘物质材料进行摩擦，能够形成电荷在表面的聚集及分离。所述能量捕获器件单独作为一个供电设备，或者与其他电子设备集成为一体，成为供电电路的一部分。与现有技术相比，本专利技术结合液态金属电路打印设备以及摩擦式能量捕获器件的原理，大幅提高了能量捕获器件的生产效率，且具有柔性，可拉伸的特点，尤其适用于在皮肤电子、可穿戴设备、医疗监护设备等中的应用。同时由于相连的二极管整流电路也可以用液态金属打印电路完成，所以进一步减少了工艺流程，提高了器件的完整性。这种可打印的能量捕获器件有望应用于消费电子，医疗器械以及物联网设备当中。附图说明图1是本专利技术提出的能量捕获器件的结构图，两个能量捕获器件之间相互摩擦，通过整流电路对负载进行供电。图2是本专利技术提出的能量捕获器件的结构图，用绝缘材料对能量捕获器件进行摩擦-分离，通过电荷流动实现对负载的供电。图3是摩擦-分离，产生电荷流动的原理示意图。图4是能量捕获器件在弯曲状态下，通过人手部皮肤对其进行摩擦-分离，产生电荷并通过电极引出端对外部负载进行供电的示意图，且此时介电材料与柔性封装材料为同一材料。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。液态金属材料是指熔点在室温范围内的一大类金属材料的统称，通常以镓金属或者镓基合金，以及含有铟的伍德合金(铋50％，铅25％，锡12.5％，镉12.5％)为主。液态金属材料有着良好的导电与粘附性能，可以通过打印的方式制成各种电路图案。结合液态金属打印与摩擦起电原理，本专利技术提出了一种能量捕获器件，如图1、图2所示，包括液态金属电容电极1、整流电路2、介电材料3、柔性封装材料4以及电极引出端5。液态金属电容电极1通过液态金属电子电路打印机打印在介电材料3上，并添加电极引出端4，通过柔性封装材料4对介电材料3以及液态金属电容电极1进行封装和保护，电极引出端连接整流电路2，可以将双向电流整流为单向电流，利用绝缘物质对介电材料3进行摩擦，可以在液态金属电容电极1上产生电荷的聚集，当绝缘物质远离介电材料3后，电容的变化导致液态金属电容电极1上的电荷产生移动，形成电流并进入整流电路2，通过电极引出端5，该电流可以对其他电子设备进行供电或对电池进行充电。其原理是，通过摩擦在介电材料3上产生静电，根据电荷守恒，与介电材料3相连的液态金属电容电极1也会带上相反的电荷，当器件电容产生变化时，所能携带的电荷也产生变化，进而形成电流，形成电流的过程需要摩擦-脱离反复进行。本专利技术液态金属电容电极1，可选取不同的液态金属材料，液态金属熔点在室温范围，具有较高的流动性及粘附性，金属成分是镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒中的一种或多种，其形式是金属单质、合金或者金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体，可以通过打印的方式在介电材料上形成特定的形状。本专利技术介电材料3，可以是塑料类的PET膜，PC膜，也可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可打印的能量捕获器件，其特征在于，包括介电材料(3)以及打印在介电材料(3)上的液态金属电容电极(1)，所述液态金属电容电极(1)连接有电极引出端(5)，通过摩擦介电材料(3)，在液态金属电容电极(1)上产生电荷聚集，停止摩擦后电容的变化导致液态金属电容电极(1)上的电荷产生移动，形成电流，通过电极引出端(5)输出。

【技术特征摘要】
1.一种可打印的能量捕获器件，其特征在于，包括介电材料(3)以及打印在介电材料(3)上的液态金属电容电极(1)，所述液态金属电容电极(1)连接有电极引出端(5)，通过摩擦介电材料(3)，在液态金属电容电极(1)上产生电荷聚集，停止摩擦后电容的变化导致液态金属电容电极(1)上的电荷产生移动，形成电流，通过电极引出端(5)输出。2.根据权利要求1所述可打印的能量捕获器件，其特征在于，所述液态金属电容电极(1)和介电材料(3)上设置有进行封装保护的柔性封装材料(4)，所述柔性封装材料(4)与介电材料(3)一起将液态金属电容电极(1)封装在器件内部，柔性封装材料(4)与介电材料(3)材质相同或者不同，在受到外力作用时，柔性封装材料(4)随着能量捕获器件一起产生形变，从而提高器件的适应性。3.根据权利要求1所述可打印的能量捕获器件，其特征在于，所述电极引出端(5)连接整流电路(2)，将双向电流整流为单向电流，所述整流电路(2)，是通过二极管组合形成的桥式整流电路，所用二极管是现成的单向二极管器件，或通过半导体材料进行打印形成的打印集成电路，能够将双向交变电流整流为单向电流。4.根据权利要求3所述可打印的能量捕获器件，其特征在于，所述电极引出端(5)是...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚又友，刘静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11