纳米发电机系统及供电器件技术方案

本发明专利技术公开了一种纳米发电机系统及供电器件，包括：电极层；浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介质层；电荷泵，与所述浮置层连接，向所述浮置层注入电荷；所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。利用浮置层、及浮置层和介电层的组合作为具有摩擦起电及静电荷保存作用的至少一个摩擦层的等效，通过电荷泵可以向浮置层中实时、可控制地注入电荷。该纳米发电机系统的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束，具有高的功率输出密度。

Nano Generator System and Power Supply Devices

【技术实现步骤摘要】
纳米发电机系统及供电器件
本公开属于纳米新能源和机械能收集的
，涉及一种纳米发电机系统及供电器件。
技术介绍
摩擦纳米发电技术的基本原理是相互接触或摩擦的两个表面中至少一个表面为绝缘材料时，利用摩擦或接触在两表面感应生成静电荷，当接触的两个表面分离时，静电荷的分离产生电势差，从而在感应电极中产生自由电荷的定向移动，如此可以收集环境中的机械能，并转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势，在新能源
具有潜在的应用价值，在微型化高功率供能器件的需求越来越广泛的要求下，提供一种具有较高输出功率密度的摩擦纳米发电机成为一个关键的技术要求和技术难点。表面电荷密度是影响摩擦纳米发电机的输出功率密度的重要因素。摩擦纳米发电机中的表面静电荷由两表面摩擦或接触产生，一般剧烈摩擦或接触才易于产生高的电荷密度，但这种情况下表面容易产生较大的发热和磨损，会极大的影响器件寿命；同时，电荷密度还受到空气击穿等约束，这些因素制约了表面电荷密度及输出功率密度的进一步提升。因此，有必要提出一种具有高的输出功率密度的纳米发电机，且该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种纳米发电机系统及供电器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种纳米发电机系统，包括：电极层；浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介质层；电荷泵，与所述浮置层连接，向所述浮置层注入电荷；所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的纳米发电机系统及供电器件，具有以下有益效果：(1)利用浮置层、及浮置层和介电层的组合作为具有摩擦起电及静电荷保存作用的至少一个摩擦层的等效，通过电荷泵可以向浮置层中实时、可控制地注入电荷，介电层能够约束电荷的耗散速度以及免受空气击穿的约束，使得该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、不会由于剧烈摩擦产生磨损和发热、且不受空气击穿等的约束，在收集机械能的同时通过持续注入少量的电荷在浮置层中积累大量约束电荷，达到高的功率输出密度，使其输出效果加倍提升，促进了纳米发电机的实用化；(2)采用摩擦纳米发电机作为电荷泵，通过将该摩擦纳米发电机结合整流桥，实现对电荷的定向输出，从而向浮置层中进行电荷的实时、可控制地注入，且该摩擦纳米发电机的结构可以是接触-分离式、滑动式、单电极式、以及自由摩擦层式等，结构可根据实际需要进行灵活调整，适用范围广泛；(3)通过设置作为电荷泵的摩擦纳米发电机与浮置结构的弹簧刚度等结构参数以使二者的运动相位匹配，即使电荷泵输出时，浮置结构的电压处于最低值附近。具体对于接触分离模式来说，是使浮置结构先处于接触状态，这时电容较大，电压较低，更容易注入电荷，摩擦纳米发电机再发生接触分离运动实现电荷注入，成为一体式供电器件，通过单一的下压和释放动作，即可完成电荷的实时、可控地注入浮置层，并收集机械能转变为电能输出。同样的相位匹配原理也适用于其它模式的发电机。附图说明图1为第一实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图2为第一实施例所示的接触分离式浮置结构的三维爆炸图；图3为第一实施例所示的纳米发电机系统的基本工作原理图；图4为第一实施例所示的纳米发电机系统结构的变化结构示意图；图5为第二实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图6为第三实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图7为第四实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图8为第五实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图9和图10为第六实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图11和图12为第七实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图13和图14为第八实施例所示的纳米发电机系统的结构示意图；图15为电荷泵结构示意图；图16为电荷泵与浮置结构的连接示意图；图17为包含电荷泵的一体式供电器件的工作原理图；图18至图20为其他结构电荷泵的结构示意图；图21为本专利技术的纳米发电机系统的供电电路结构示意图。【符号说明】1-纳米发电机系统；100-浮置结构；111-第一电极层；112-第一介电层；113-第一浮置层；114-第三介电层；115-第二浮置层；116-第二介电层；117-第二电极层；120-电输出端口；130-电荷泵接入端口；140-弹簧组；151-第一基板；152-第二基板；200-电荷泵；210-电荷泵发电机；211-电荷泵第一基板；212-电荷泵第一电极层；213-电荷泵摩擦层；214-电荷泵第二电极层；215-电荷泵弹簧组；216-电荷泵第二基板；220-电荷泵整流桥；230-连接端口；300-负载；2-整流桥；3-储能单元；4-输出端口。具体实施方式本公开提供了一种纳米发电机系统，包括电极层；导电的浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介电层；通过电荷泵向浮置层注入电荷；在外力作用下，所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。通过电荷泵可以向浮置层中实时、可控制地注入电荷，浮置层的介电层能够约束第一浮置层电荷的耗散速度以及免受空气击穿的约束，使得该纳米发电机系统的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、不会由于剧烈摩擦产生磨损和发热、且不受空气击穿等的约束，在收集机械能的同时通过持续注入少量的电荷在第一浮置层中积累大量约束电荷，达到高的功率输出密度，使其输出效果加倍提升，促进了纳米发电机系统的实用化。在本专利技术的纳米发电机系统中，可以包括1个、2个或更多个可以注入电荷的浮置层。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，进一步详细说明。实施例一在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种包括2个浮置层的接触分离式的纳米发电机系统。图1为根据本公开第一个实施例所示的接触分离式的纳米发电机系统的结构示意图。图2为根据本公开第一个实施例所示的接触分离式浮置结构的三维爆炸图。结合图1和图2所示，本实施例的接触分离式的纳米发电机系统，包括：浮置结构100、以及电荷泵200。参照图1、图2所示，本实施例中，浮置结构100包括：第一基板151；在第一基板151之上依次设置有第一电极层111、第一介电层112、第一浮置层113、以及第一浮置层113表面设置的第三介电层114；第二基板152，与第一基板151相对设置；在第二基板152之上依次设置有第二电极层117、第二介电层116、以及第二浮置层115；其中，第二浮置层115与第三介电层114相对设置，可接触、可分离或者互相滑动，分别作为该纳米发电机系统的两个摩擦层；电输出端口120，从第一电极层111、第二电极层117分别引出，用于连接外接负载并输出电能；电荷泵接入端口130，为第一浮置层113及第二浮置层115与电荷泵200连接的端口，使电荷能够从第一浮置层113和第二浮置层115抽出或注入；以及弹簧组140，固定于第一基板151与第二基板152之上，用于器件下压之后的回弹，使得两个摩擦层之间实现接触分离。第一浮置层113的上下表面分别是第一介电层112和第三介电层114；第二浮置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米发电机系统，包括：电极层；浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介质层；电荷泵，与所述浮置层连接，向所述浮置层注入电荷；所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。

【技术特征摘要】
1.一种纳米发电机系统，包括：电极层；浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介质层；电荷泵，与所述浮置层连接，向所述浮置层注入电荷；所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。2.根据权利要求1所述的发电机系统，其中，包括：第二电极层；层叠设置的第一浮置层和第三介电层，所述电荷泵的一端与所述第一浮置层连接；其中，所述第三介电层与第二电极层相对设置，可接触、可分离或者互相滑动。3.根据权利要求2所述的发电机系统，其中，所述电荷泵的另一端接地或者接导体，或者与所述第二电极层连接。4.根据权利要求2所述的发电机系统，其中，还包括，在所述第二电极层上依次设置的第二介电层和第二浮置层，所述第三介电层与第二浮置层115相对设置，可接触、可分离或者互相滑动；所述第一浮置层和第二浮置层与所述电荷泵连接。5.根据权利要求2-4任一项所述的发电机系统，其中，在所述第二电极层和地之间产生电荷输出。6.根据权利要求2或4所述的发电机系统，其中，还包括，在所述第一浮置层上层叠设置的第一介电层和第一电极层；所述第一电极层和第二电极层为发电机系统的输出端。7.根据权利要求1所述的发电机系统，其中，包括：层叠设置的第一浮置层和第三介电层，所述电荷泵的一端与所述第一浮置层连接；设置在同一平面的分立的第一电极层和第二电极层；与所述第三介电层相对设置；所述第一电极层和第二电极层为发电机系统的输出端。8.根据权利要求7所述的发电机系统，其中，所述电荷泵的另一端接地或者接导体，或者与所述第二电极层连接。9.根据权利要求7所述的发电机系统，其中，还包括：在第二电极层上层叠设置的第二介电层和第二浮置层，所述电荷泵的另一端与所述第二浮置层连接。10.根据权利要求1所述的发电机系统，其中，包括：层叠设置的第一浮置层，所述电荷泵的一端与所述第一浮置层连接；设置在同一平面的分立的第一电极层和第二电极层；在所述第一电极层与第二电极层面向所述第一浮置层的表面分别设置第一介电层和第二介电层；所述电荷泵的另一端接地或者接导体，或者与所述第二电极层连接；所述第一电极层和第二电极层为发电机系统的输出端。11.根据权利要求1所述的发电机系统，其中，包括：层叠设置第一浮置层、第三介电层和第二浮置层；层叠设置第二电极层和第二介电层，所述第二浮置层与第二介电层相对设置，可接触、可分离或者互相滑动；或者，第二电极层和第二介质层，其中第二介质层设置在所述第二浮置层表面，与所述第二电极层相对设置，可接触、可分离或者互相滑动；所述第一浮置层和第二浮置层与所述电荷泵连接；所述第一浮置...

【专利技术属性】
技术研发人员：许亮，布天昭，张弛，其他发明人请求不公开姓名，
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