一种复合型纳米发电机及可穿戴设备制造技术

本发明专利技术涉及纳米发电技术领域，公开了一种复合型纳米发电机及可穿戴设备，该复合型纳米发电机包括：磁电发电机，设置在支撑盒内部，用于在外力作用下基于磁电效应产生磁电信号；以及摩擦纳米发电机，固定在所述支撑盒的外表面，且包括可形变部分和固定部分，用于在外力作用下使所述可形变部分发生形变，从而与所述固定部分接触或分离，产生摩擦电信号。所述可穿戴设备包括该复合型纳米发电机。本发明专利技术利用摩擦效应与磁电效应的耦合以及接触分离式的元器件结构设计，提出了一种磁电摩擦复合型纳米发电机，提高了纳米发电机的电信号输出，可以将手腕运动等产生的机械能转化成为电能，用于驱动小型可穿戴设备，方便人们的生活。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米发电
，具体地，涉及一种复合型纳米发电机及可穿戴设备。
技术介绍
目前，由于机械能在生产生活中的广泛应用，利用新兴的技术来收集机械能从而驱动日常生活中的电子设备也越来越受到重视，其中，磁电和压电技术的出现使得传统的机械能收集更为有效。比如，2012年，基于摩擦起电和静电感应耦合技术制成的摩擦纳米发电机在收集滑动、转动等机械运动过程中产生的能量占据着重要的地位，另外，单电极摩擦纳米发电机的专利技术减少了器件工作过程中的能量损耗。虽然基于压电效应、热电效应、摩擦效应、磁电效应等制成的纳米发电机都被证明能够有效地收集机械能，但是目前所需要研究的关键问题之一是如何从机械运动中获得更多的电能。单一效应来收集机械能显然是很有限的，其中，基于压电效应的纳米发电机，输出电量大，但是其输出电压不高且尺寸较大；基于摩擦效应的发电机，输出电压高，但是输出电流较小；基于电磁效应的发电机，相应速度慢，输出电压小。复合型纳米发电机的出现通过互补的方式来弥补单一发电机的不足，大大增加了电能的输出。比如，中国专利《接触摩擦式纳米发电机》(CN201420683966)公开了包括第一摩擦单元、第二摩擦单元和移动部件的新型接触式摩擦纳米发电机，能够有效地收集周围环境中相对滑动的机械能。再比如，中国专利《一种磁力驱动的纳米发电机》(CN201210122454.7)公开了在至少一个基片上有两个相互绝缘的电极，在两个相互绝缘的电极上设置至少一条线状的压电材料一端，其中两个相互绝缘的电极分别处于线状压电材料与基片面平行的轴面的上方和下方，线状压电材料的另一端外伸于基片之外，并在线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场，从而来产生电能。在此基础上，本专利技术利用摩擦效应与磁电效应的耦合，设计了一种新型的复合型纳米发电机。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种复合型纳米发电机及应用该复合型纳米发电机的可穿戴设备，该复合型纳米发电机用于利用摩擦效应和磁电效应实现较大的电信号输出，以驱动可穿戴设备。为了实现上述目的，本专利技术提供一种复合型纳米发电机，包括：磁电发电机，设置在支撑盒内部，用于在外力作用下基于磁电效应产生磁电信号；以及摩擦纳米发电机，固定在所述支撑盒的外表面，且包括可形变部分和固定部分，用于在外力作用下使所述可形变部分发生形变，从而与所述固定部分接触或分离，产生摩擦电信号。优选地，所述磁电发电机包括：固定在所述支撑盒的内表面的至少一个线圈；以及设置在所述线圈形成的空间中的可自由运动的磁铁。优选地，所述磁铁为球形或方形。优选地，所述磁铁为球形，且所述线圈的数量为六个，分别固定在所述支撑盒六个方向的内表面上，且固定在上、下两个面的线圈为圆形线圈，固定在周围四个面的线圈为椭圆形线圈。优选地，所述磁铁为方形，且所述线圈的数量为四个，两两固定在所述支撑盒的上、下内表面，且固定上内表面的线圈与其对应的固定在下内表面的线圈呈十字交叉放置。优选地，所述线圈匝数大于2000匝。优选地，所述可形变部分固定在所述支撑盒侧面的外表面上；所述固定部分固定在所述支撑盒的底面的外表面上。优选地，所述可形变部分包括：第一摩擦材料层，该第一摩擦材料层的摩擦材料为柔性材料；以及设置在所述第一摩擦材料层下方的第一导电层。优选地，所述第一摩擦材料层的摩擦材料为以下柔性材料中的一者或多者：聚四氟乙烯，聚酰亚胺，聚甲醛，聚酰胺，聚乙二醇丁二酸酯，聚己二酸乙二醇酯，纤维素，再生纤维海绵，苯乙烯丙烯共聚物，人造纤维，聚甲基，聚乙烯醇，聚酯，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，天然橡胶，聚碳酸酯，聚氯醚，液晶高分子聚合物和聚氨酯柔性海绵。优选地，所述固定部分包括：第二导电层；以及设置在所述第二导电层下方的第二摩擦材料层，该第二摩擦材料层与所述第一摩擦材料层在外力作用下发生接触或分离；其中，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层的摩擦材料之间有摩擦电序列差。优选地，所述第二摩擦材料层的材料为绝缘材料，优选为PDMS-PVB材料。优选地，在所述可变形部分的第一导电层下方设置第一缓冲层；和/或，在所述固定部分的第二导电层上方设置第二缓冲层。优选地，所述第二摩擦材料层为带状结构。优选地，所述第一摩擦材料层和所述第二摩擦材料层的摩擦材料表面具有纳米结构。优选地，所述复合型纳米发电机还包括：输出电路，其连接所述磁电发电机和所述摩擦纳米发电机的输出端，用于分别输出所述磁电发电机和所述摩擦纳米发电机产生的磁电信号和摩擦电信号。本专利技术还提供了一种可穿戴设备，包括上述的复合型纳米发电机。优选地，所述可穿戴设备为智能手表，且所述固定部分制成带状结构，作为该智能手表的表带，以使所述复合型纳米发电机将手腕运动产生的机械能转化成电能。通过上述技术方案，本专利技术的技术效果是：1、本专利技术利用摩擦效应与磁电效应的耦合以及接触分离式的元器件结构设计，提出了一种磁电摩擦复合型纳米发电机，该复合型纳米发电机运动便捷，且提高了纳米发电机的电信号输出，可以将手腕的运动等产生的机械能转化成为电能，用于驱动小型可穿戴设备，方便人们的生活。2、本专利技术结合智能手表的结构和实用性优化了纳米发电机性能，首次提出了一种利用磁电摩擦复合型纳米发电机进行自驱动的智能手表。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1(a)是本专利技术的实施例一中复合型纳米发电机的结构的正视图。图1(b)是本专利技术的实施例一中复合型纳米发电机的结构的俯视图。图2(a)是本专利技术的实施例二中复合型纳米发电机的结构的正视图。图2(b)是本专利技术的实施例二中复合型纳米发电机的结构的俯视图。图2(c)是本专利技术的实施例二中复合型纳米发电机的结构的仰视图。图3(a)是本专利技术的实施例中的摩擦纳米发电机的输出电流波形图。图3(b)是本专利技术的实施例中的摩擦纳米发电机的输出电压波形图。图4(a)是本专利技术的实施例一中的磁电发电机的单个圆形线圈的输出电流电压的柱形图。图4(b)是本专利技术的实施例一中的磁电发电机的单个椭圆形线圈的输出电流电压的柱形图。图5是本专利技术的实施例二中的磁电发电机的单个线圈的输出电流电压的柱形图。附图标记说明A1第一摩擦材料层A2第一导电层A3第一缓冲层A4第二缓冲层A5第二导电层A6第二摩擦材料层B1-B6线圈C磁铁D支撑盒具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本专利技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、前、后”通常是指相应轮廓的上、下、左、右、前和后，“内、外”是指相应轮廓的内和外，仅是参考附图中轮廓的方向。因此，本专利技术中使用的方位词并不限定本专利技术的保护范围。实施例一本实施例提供了一种复合型纳米发电机，包括：磁电发电机，设置在支撑盒内部，用于在外力作用下基于磁电效应产生磁电信号；以及摩擦纳米发电机，固定在所述支撑盒的外表面，且包括可形变部分和固定部分，用于在外力作用下使所述可形变部分发生形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合型纳米发电机，其特征在于，包括：磁电发电机，设置在支撑盒内部，用于在外力作用下基于磁电效应产生磁电信号；以及摩擦纳米发电机，固定在所述支撑盒的外表面，且包括可形变部分和固定部分，用于在外力作用下使所述可形变部分发生形变，从而与所述固定部分接触或分离，产生摩擦电信号。

【技术特征摘要】
1.一种复合型纳米发电机，其特征在于，包括：磁电发电机，设置在支撑盒内部，用于在外力作用下基于磁电效应产生磁电信号；以及摩擦纳米发电机，固定在所述支撑盒的外表面，且包括可形变部分和固定部分，用于在外力作用下使所述可形变部分发生形变，从而与所述固定部分接触或分离，产生摩擦电信号。2.根据权利要求1所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述磁电发电机包括：固定在所述支撑盒的内表面的至少一个线圈；以及设置在所述线圈形成的空间中的可自由运动的磁铁。3.根据权利要求2所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述磁铁为球形或方形。4.根据权利要求3所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述磁铁为球形，且所述线圈的数量为六个，分别固定在所述支撑盒六个方向的内表面上，且固定在上、下两个面的线圈为圆形线圈，固定在周围四个面的线圈为椭圆形线圈。5.根据权利要求3所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述磁铁为方形，且所述线圈的数量为四个，两两固定在所述支撑盒的上、下内表面，且固定在上内表面的线圈与其对应的固定在下内表面的线圈呈十字交叉放置。6.根据权利要求2至5中任一项所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述线圈匝数大于2000匝。7.根据权利要求1所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述可形变部分固定在所述支撑盒侧面的外表面上；所述固定部分固定在所述支撑盒的底面的外表面上。8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述可形变部分包括：第一摩擦材料层，该第一摩擦材料层的摩擦材料为柔性材料；以及设置在所述第一摩擦材料层下方的第一导电层。9.根据权利要求8所述的复合型纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦材料层的摩擦材料为以下柔性材料中的一者或多者：聚四氟乙烯，聚酰亚胺，聚甲醛，聚酰胺，聚乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亚，全婷，王中林，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11