CN104320018A - 压电摩擦电复合式振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电摩擦电复合式振动能量采集器，包括：PVDF薄膜、带凸块的PDMS活动层、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极；所述PVDF薄膜具有上下金属电极，且具有压电效应；带凸块的PDMS活动层表面密布微米级的小凸块，形成粗糙表面；带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极表面密布微米级的小凸块，形成粗糙表面；PVDF薄膜设置于带凸块的PDMS活动层的上表面，带凸块的PDMS活动层和带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极固定在一起。本发明能使MEMS换能器件不但结构简单，制作容易，体积减小，并且有较高的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及的是一种压电摩擦电复合式振动能量采集器。
背景技术
近年来，随着微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical System微机电系统)技术的不断发展，使得微传感器和微型电子设备等微型系统的应用范围不断扩大，广泛应用于军事、医学、物联网等领域。由于这些设备是便携式的，其电源的性能和质量成了目前大多数MEMS应用的关键所在。因此人们拟采用能量采集技术解决上述问题。
能量采集(Energy Harvesting)，就是一种利用能量采集器从其周围环境中获取能量的技术。其实质是利用光伏、热电、压电、电磁等物理和化学效应把器件周围环境中广泛存在的光能、热能、机械能、风能等能量转换为可以使用的电能。使用MEMS技术制备的能量采集器具有如下的主要特点：1)使用便携2)节省能源3)能量管理方便。
但是目前广泛集成制备的MEMS压电式振动能量采集器，还难以完全满足微传感器和微电子器件应用的需求：一方面，其所获得的输出电能功率密度还较低；另一方面，压电式非常依赖于所使用的压电材料的压电性能，目前应用范围较广的材料是PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料，这种材料的压电性能较为优异，但是含有铅对环境有害。
经过对技术文献的检索发现，文献号：J.Micromech.Microeng.18(2008)055017(7pp)，Dongna Shen,Jung-Hyun Park等人提出了一种MEMS PZT cantilever for vibration energy harvesting(MEMS工艺制备的用于采集能量的锆钛酸铅悬臂梁)。该技术利用MEMS工艺制作成一个硅悬臂梁式的能量采集器，具有较高的能量输出。但是共振频率在460Hz左右，不符合环境振动的频率范围，且利用了PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料，对环境有污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于PVDF(聚偏二氟乙烯)和PDMS(聚二甲基硅氧烷)和碳纳米管材料的压电摩擦电复合式振动能量采集器，使换能原件能在周围环境下获得较大的输出功率，以解决传统MEMS压电能量采集器输出功率低和能量转化效率低等问题。
本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：PVDF薄膜、带凸块的PDMS活动层、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极；所述PVDF薄膜具有上下金属电极，且具有压电效应；带凸块的PDMS活动层表面密布直径15～100微米的小凸块，形成粗糙表面；带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极表面密布直径15～100微米的小凸块，形成粗糙表面；PVDF薄膜设置于带凸块的PDMS活动层的上表面，带凸块的PDMS活动层和带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极固定在一起。
优选地，所述的PVDF薄膜的厚度为15～30微米，具有上下金属电极。在该厚度范围的PVDF振动时压电输出性能最优。
优选地，所述的带凸块的PDMS活动层是由PDMS浇注成型，具有密布凸块的粗糙表面提高接触摩擦和摩擦电输出。
优选地，所述的带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极是由PDMS和碳纳米管掺杂混合物固化形成的薄膜导电体，具有良好的导电性和柔韧性，作为接触摩擦时的电子提供层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明上PDMS活动层在承受外界压力时会发生形变，从而与下PDMS碳纳米管电极产生接触摩擦形成电压，利用摩擦生电机制实现了机械能向电能的转换。PVDF薄膜在振动时，发生应变产生压电效应，将一部分机械能量转换为电能。本发明能使MEMS换能器件不但结构简单，制作容易，体积减小，有较高的能量转换效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的描述，本发明的其他特征、目的和优点将变得更明显：
图1是本发明一较优实施例的结构示意图
图2是本发明一较优实施例在振动源的作用下发生向下弯曲的示意图
图3是本发明一较优实施例在撤销振动源恢复初始形状的示意图
图中：PVDF薄膜1、带凸块的PDMS活动层2、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例包括：PVDF薄膜1、带凸块的PDMS活动层2、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3。PVDF薄膜1附着于带凸块的PDMS活动层2的上方，带凸块的PDMS活动层2和掺杂碳纳米管PDMS电极3两头固定在一起。
本实施例中，带凸块的PDMS活动层表面密布直径15～100微米的椭圆型或者长方形的小凸块，形成粗糙表面。带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极表面密布直径15～100微米的椭圆形或者长方形的小凸块，形成粗糙表面。
本实施例中，所述的PVDF薄膜的厚度为30～50微米。
如图2所示，位置A为能量采集器在外界振动激励下发生受迫振动的第一稳态位置，此时PVDF薄膜1中发生的形变是最大的，且带凸块的PDMS活动层2和带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3之间发生接触，在带凸块的PDMS活动层2和带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3生成摩擦感应电荷。
如图3所示，位置B为能量采集器恢复到第二稳态位置，此时PVDF薄膜1形变复原了，带凸块的PDMS活动层2和带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3所附带电荷在回路中中和消失。
本实施的工作原理是：给能量采集器施加一定的振动能量，能量采集器会在第一稳态位置A和第二稳态位置B之间相互切换。当带凸块的PDMS活动层2向下弯曲，到达第一稳态的时候，PVDF薄膜1发生形变，其上下表面产生电压，带凸块的PDMS活动层2和带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极3接触产生摩擦电荷。当撤销振动能量时，带凸块的PDMS活动层向上运动和带凸块掺杂碳纳米管PDMS电极分离，PVDF薄膜1中形变消失，电压消失，带凸块的PDMS活动层2和带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极3中摩擦电荷逐渐中和消失。PVDF薄膜1的下电极接地，PVDF薄膜1的上电极作为压电输出电极，带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极3作为摩擦电输出电极。可同时采集到压电输出和摩擦电输出。
本实施例压电摩擦电复合式振动能量采集器能够在一个较低的工作频率内输出稳定功率，于现有技术相比，其优点是：压电和摩擦电复合式的设计能够有效提高机械能向电能转换的效率。且摩擦电机制的采集能源技术具有原理简单，制作容易和输出较高的特点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以再权利要求的范围内做出各种变形或者修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种压电摩擦电复合式振动能量采集器，包括：PVDF薄膜、带凸块的PDMS活动层、带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极；所述PVDF薄膜具有上下金属电极，且具有压电效应；带凸块的PDMS活动层表面密布微米级的圆柱型或者长方形小凸块，形成粗糙表面提高摩擦电输出；带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极表面密布微米级的圆柱型或者长方形小凸块，形成粗糙表面提高摩擦电输出；PVDF薄膜设置于带凸块的PDMS活动层的上表面，带凸块的PDMS活动层和带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极两头固定在一起。
2.根据权利要求1所述的压电摩擦电复合式振动能量采集器，其特征是，所述的PVDF薄膜的厚度为15～30微米，具有上下金属电极。
3.根据权利要求1所述的压电摩擦电复合式振动能量采集器，其特征是，所述的带凸块的PDMS活动层是由PDMS浇注成型，具有密布凸块的粗糙表面。
4.根据权利要求1所述的压电摩擦电复合式振动能量采集器，其特征是，所述的带凸块的掺杂碳纳米管PDMS电极是由PDMS和碳纳米管掺杂混合物固化形成的薄膜导电体。
5.根据权利要求1-4任一项所述的压电摩擦电复合式振动能量采集器，其特征是，所述的带凸块的PDMS活动层表面密布直径15～100微米的小凸块。
6.根据权利要求1-4任一项所述的压电摩擦电复合式振动能量采集器，其特征是，所述的带凸块的掺杂碳纳米管的PDMS电极表面密布直径15～100微米的小凸块。
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