全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备技术方案

本发明专利技术公开了全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备，涉及微能源技术领域，其技术方案要点是：全向能量采集单元包括滑块以及阵列分布的固定块，滑块与固定块构成独立滑动式的摩擦纳米发电机；滑块、固定块均为栅状结构，固定块包括对称的第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格，第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格均由交替设置的奇数位栅格、偶数位栅格构成，奇数位栅格、偶数位栅格分别连接正负电极；当滑块沿X轴方向滑动时，奇数位栅格与偶数位栅格构成摩擦纳米发电机的电极；当滑块沿Y轴方向滑动时，第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格构成摩擦纳米发电机的电极，解决现有的摩擦纳米发电机电荷转移能力弱、机械能采集效率较低的问题。

【技术实现步骤摘要】
全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备
本专利技术涉及微能源
，更具体地说，它涉及全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备。
技术介绍
物联网作为一个新发展起来的领域，其发展非常迅速，物联网涉及到我们生活中的方方面面，它的庞大网络对我们当前的电子产业带来了新的挑战，在可穿戴电子设备和可植入电子设备的能源需求十分迫切，通常用的是电池和电容器为这些设备供能，由于其容量有限和体积大，必须经常充电或更换，因此变得不实用和不利。从周围环境的机械能或人体运动的生物力学能量中获取能量以实现可持续工作是解决此类问题的最有前景的策略之一。在过去的几年中，摩擦纳米发电机(TENG)正在成为一种十分具有潜能的能量采集方法，它具有高性能、轻量级、简单结构、成本低、效益高等优点。现有的摩擦纳米发电机根据工作模式主要可分为四种类型：接触分离式、相对滑动式、独立滑动式、单电极式，滑动式的摩擦纳米发电机有较大的能量密度，输出较高，传统的相对滑动式和独立滑动式都是采用整块的材料作为摩擦层，没有较好的分离过程，使得电荷转移不能完全转移。此外，传统的滑动模式是仅在一个方向的往复滑动采集机械能，而现实生活中往往是不规则的滑动摩擦，导致摩擦纳米发电机的机械能采集效率较低。
技术实现思路
为解决现有的摩擦纳米发电机电荷转移能力弱、机械能采集效率较低的问题，本专利技术提供了全向滑动能量采集器件、柔性直供电微系统及电子设备。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：第一方面，提供一种全向滑动能量采集器件，包括：至少一个全向能量采集单元；全向能量采集单元包括滑块以及至少两个阵列分布的固定块，滑块与任意一个固定块构成独立滑动式的摩擦纳米发电机；滑块、固定块均为栅状结构，固定块包括对称的第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格，所述第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格均由交替设置的奇数位栅格、偶数位栅格构成，奇数位栅格、偶数位栅格分别连接正负电极；当滑块沿X轴方向滑动时，奇数位栅格与偶数位栅格构成摩擦纳米发电机的电极；当滑块沿Y轴方向滑动时，第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格构成摩擦纳米发电机的电极。优选的，所述固定块设有两个第一电极、两个第二电极；两个第一电极位于第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格的相向边缘，并与对应的奇数位栅格连接；两个第二电极位于第一梳齿状栅格、第二梳齿状栅格的背向边缘，并与对应的偶数位栅格连接。优选的，所述固定块和/或滑块为柔性基底聚酰亚胺薄膜PI，固定块的摩擦面覆有柔性聚四氟乙烯薄膜PTFE。优选的，所述栅状结构表面涂有用于实现湿度传感和/或作为一个摩擦层的蚕丝蛋白溶液层。第二方面，提供一种柔性直供电微系统，包括级联的微能源采集器件和柔性能量管理单元，微能源采集器件和柔性能量管理单元通过柔性印刷电路板FPCB技术或丝网印刷技术集成于同一柔性基底，微能源采集器件为权利要求1-4任意一项所述的全向滑动能量采集器件。优选的，所述柔性能量管理单元包括整流模块、峰值检测模块、开关模块、降压模块，开关模块串联于整流模块、降压模块之间；整流模块，用于将微能源采集器件输出的交流脉冲电压转换为直流脉冲电压后输出；峰值检测模块，包括电压比较器、逻辑电路、RC微分电路，用于对输出的直流脉冲电压进行脉冲检测，并在直流脉冲电压达到峰值时向开关模块发出开关控制信号；开关模块，用于根据开关控制信号闭合后将整流模块与降压模块导通以实现能量最大化转移；降压模块，用于将开关模块导通后输出的峰值电压降压后输出。优选的，所述柔性基底底面覆有PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜与柔性能量管理单元级联。优选的，所述柔性基底设有热电采集层，热电采集层与柔性能量管理单元级联。第三方面，提供一种电子设备，包括至少一个上述任意一项所述的全向滑动能量采集器件。第四方面，一种电子设备，其特征是，包括上述任意一项所述的一种柔性直供电微系统。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、该系统可收集任意方向的滑动摩擦机械能，解决传统滑动摩擦纳米发电机仅能在某一方向滑动的缺陷，提高对机械能的收集效率；2、栅格状结构可以实现电荷迅速转移，提高了对能源的收集能力；3、将摩擦电转化为直流电并进行降压处理，提高能源转换效率；4、通过使用柔性印刷电路板(FPCB)技术或丝网印刷技术将本专利技术的各个模块集成一个柔性基底聚四氟乙烯(PI)上面，成为一个可直供电的柔性微系统；该系统集成能量采集、能量管理于一体，可直接作为一个供电系统为常见的电子设备供电；5、本专利技术包含的柔性能量管理单元选取尺寸小、功耗低的电子元器件，能量管理模块尺寸小，可以让其具有更好的柔韧性和可弯曲度，与摩擦纳米发电机和电子设备容易集成，对未来科技发展有着广阔的应用前景。6、对比于传统的电池供电，没有易燃易爆危害和需要定期更换的步骤，节约了地球能源消耗和降低污染。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1是本专利技术实施例中单个固定块的摩擦纳米发电机与柔性能量管理单元集成示意图；图2是本专利技术实施例中全向能源采集单元的工作原理图；图3是本专利技术实施例中多个固定块的摩擦纳米发电机与柔性能量管理单元集成示意图；图4是本专利技术实施例中柔性能量管理单元功能框图；图5是本专利技术实施例中柔性能量管理单元的电路原理图；图6是本专利技术实施例中柔性能量管理单元开关启闭的等效电路图；图7是本专利技术实施例中摩擦纳米发电机实验验证输出电压曲线图；图8是本专利技术实施例中柔性能量管理单元向储能电容直供电的曲线图。附图中标记及对应的零部件名称：101、整流模块；102、峰值检测模块；103、开关模块；104、降压模块；201、固定块；202、滑块；203、柔性聚四氟乙烯薄膜PTFE；204、柔性基底聚酰亚胺薄膜PI；301、奇数位栅格；302、偶数位栅格；303、第一电极；304、第二电极；305、第一梳齿状栅格；306、第二梳齿状栅格。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例1-3和附图1-8，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.全向滑动能量采集器件，其特征是，包括：/n至少一个全向能量采集单元；/n全向能量采集单元包括滑块(202)以及至少两个阵列分布的固定块(201)，滑块(202)与任意一个固定块(201)构成独立滑动式的摩擦纳米发电机；/n滑块(202)、固定块(201)均为栅状结构，固定块(201)包括对称的第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)，所述第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)均由交替设置的奇数位栅格(301)、偶数位栅格(302)构成，奇数位栅格(301)、偶数位栅格(302)分别连接正负电极；/n当滑块(202)沿X轴方向滑动时，奇数位栅格(301)与偶数位栅格(302)构成摩擦纳米发电机的电极；/n当滑块(202)沿Y轴方向滑动时，第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)构成摩擦纳米发电机的电极。/n

【技术特征摘要】
1.全向滑动能量采集器件，其特征是，包括：
至少一个全向能量采集单元；
全向能量采集单元包括滑块(202)以及至少两个阵列分布的固定块(201)，滑块(202)与任意一个固定块(201)构成独立滑动式的摩擦纳米发电机；
滑块(202)、固定块(201)均为栅状结构，固定块(201)包括对称的第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)，所述第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)均由交替设置的奇数位栅格(301)、偶数位栅格(302)构成，奇数位栅格(301)、偶数位栅格(302)分别连接正负电极；
当滑块(202)沿X轴方向滑动时，奇数位栅格(301)与偶数位栅格(302)构成摩擦纳米发电机的电极；
当滑块(202)沿Y轴方向滑动时，第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)构成摩擦纳米发电机的电极。


2.根据权利要求1所述的全向滑动能量采集器件，其特征是，所述固定块(201)设有两个第一电极(303)、两个第二电极(304)；
两个第一电极(303)位于第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)的相向边缘，并与对应的奇数位栅格(301)连接；
两个第二电极(304)位于第一梳齿状栅格(305)、第二梳齿状栅格(306)的背向边缘，并与对应的偶数位栅格(302)连接。


3.根据权利要求1所述的全向滑动能量采集器件，其特征是，所述固定块(201)和/或滑块(202)为柔性基底聚酰亚胺薄膜PI(204)，固定块(201)的摩擦面覆有柔性聚四氟乙烯薄膜PTFE(203)。


4.根据权利要求1所述的全向滑动能量采集器件，其特征是，所述栅状结构表面涂有用于实现湿度传感和/或作为一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓升，李愿芳，张艺潇，黄文，龚天巡，王硕，钱恒毅，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51