电信号产生单元、阵列、地毯及产生直流电信号的方法与流程

本发明涉及摩擦发电技术领域，具体地，涉及一种电信号产生单元、阵列、地毯及产生直流电信号的方法。

背景技术：

目前，摩擦发电机输出都是交流脉冲，如果想得到直流脉冲必须要使用整流桥进行整流，但是整流桥体积比较大，无法真正集成到器件上，例如栅格结构的摩擦发动机，当要求每条栅格结构输出都是直流脉冲时，需要每条栅格都接上整流桥，如果是上百条、上千条栅格时，需要的整流电路就非常大，致使器件结构复杂，不适用于大面积的制备和大规模的并网。此外，因为每个部分的摩擦发电机输出都是交流脉冲，而且周期性不固定，导致集成更加困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电信号产生单元、阵列、地毯、以及产生直流电信号的方法，可通过摩擦电荷所产生的变化电场调控单向导通部件的偏置和开闭，输出单向直流信号。

为了实现上述目的，本发明提供一种电信号产生单元，所述电信号产生单元包括：发电部件，用于在与运动部件相对运动过程中，所述发电部件上产生电荷，并形成对应的感应电势，且所述感应电势随着运动情况变化；以及至少两个单向导通部件，所述发电部件连接在一个所述单向导通部件的正端和另一个所述单向导通部件的负端之间，用于在连接外电路形成回路时，随着所述感应电势的变化，在回路中产生单向流动的直流电信号。

本发明电信号产生单元在运动部件与发电部件相对运动改变所述发电部件上的感应电势时，通过设置在发电部件的两端反向连接的单向导通部件，使得输出单向直流电信号，结构简单。

本发明提供的电信号产生单元，既可以在运动部件与发电部件相对运动时作为发电单元使用，可以收集运动部件的运动机械能；也可以作为对运动部件运动的传感单元使用，作为一种自驱动的无源传感器件。

本发明的电信号产生单元中的发电部件可以为现有的任意结构的摩擦发电机，例如接触分离模式、滑动模式、单电极模式等摩擦发电机。

本发明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发明的进一步理解，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发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明电信号产生单元的结构实施例一；

图2是本发明电信号产生单元的立体结构示意图；

图3是电极层与pn结的连接图；

图4是本发明电信号产生单元的工作原理图；

图5是运动部件与发电部件相对垂直运动时的输出信号示意图；

图6是运动部件与发电部件相对水平运动时的输出信号示意图；

图7是单向导通部件的工作特性曲线图；

图8是电极层与多个二极管的连接示意图；

图9a-图9e是多个电信号产生单元之间的并联和/或串联的连接示意图；

图10是本发明二维阵列地毯的结构示意图；

图11是对图10所示二维阵列地毯的测试图。

附图标记说明

1运动部件2发电部件

21电极层22摩擦层

23基底层31二极管

32pn结321n区

322p区4导线

具体实施方式

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限制本发明。

本发明中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的电信号产生单元包括发电部件2，用于在与运动部件1相对运动过程中，所述发电部件2上产生电荷，并形成对应的感应电势，且所述感应电势随着运动情况变化；以及至少两个单向导通部件3，所述发电部件1连接在一个所述单向导通部件3的正端和另一个所述单向导通部件3的负端之间，用于在连接外电路形成回路时，随着所述感应电势的变化，在回路中产生单向流动的直流电信号。

本发明电信号产生单元在运动部件与发电部件相对运动改变所述发电部件上的感应电势时，通过设置在发电部件的两端反向连接的单向导通部件，使得输出单向直流电信号，结构简单，集成方便，使用范围广。

其中，所述运动部件1与发电部件2的接触面具有摩擦电极序差异。为提高输出信号的性能，所述运动部件1和/或发电部件2的接触面可以具有微纳米结构层。

如图7所示，所述单向导通部件3的工作特性为：正向导通，反向关断。其中，所述单向导通部件3包括二极管31(如图1所示)、pn结32(如图3所示)、肖特基结及mos管等中至少一者，但并不以此为限。

所述发电部件2包括电极层21(如图3所示)，连接在两个所述单向导通部件3之间，用于在与所述运动部件1相对运动过程中，所述电极层21上产生摩擦电荷。本发明可通过镀膜工艺在电极层21上制备pn结32或肖特基结。如图3所示，可在电极层21的两端分别制备一层n区321或p区322，然后在覆盖一层对应的p区322或n区321，进而可通过导线4与外电路连接形成回路。其中，所述导线4可为导电布、导电胶或导电镀层等，pn结与导电镀层或电极层21之间均有欧姆接触层(实现半导体材料和金属间的小电阻连接)，此处没有画出表示。这样的设计可以将单向导通部件与发电单元集成在一起，互相共用电极层。

此外，本电信号产生单元中的单向导通部件3的数量并不仅限于两个，可设置为n(n≥2)个，只要其中至少两个的连接方向相反即可，如图8所示，在本实施例中，共设置有5个二极管。

进一步的，所述发电部件还包括：摩擦层22(如图2所示)，设置在所述电极层21的表面，用于在与所述运动部件1相对运动过程中，所述摩擦层22上产生摩擦电荷，且所述电极层21上产生感应电荷。所述摩擦层22可由高分子薄膜制成。此外，所述发电部件2还包括基底层23(如图3所示)，所述基底层23上设置有所述电极层21，用于支撑所述电极层21。其中，所述基底层23优选为柔性材料。

本发明电信号产生单元中运动部件1和发电部件2的相对运动可为以下至少一者：所述运动部件1与发电部件2在水平方向上相对滑动，且接触面积改变(如图6所示)；所述运动部件1与发电部件2在垂直方向上相对运动，且垂直距离改变和/或不断地接触和分离(如图5所示)。且根据图5中c部分和图6中的c部分所示，在一个运动周期内，有两个直流脉冲。

下面以图4所示，详细介绍本发明电信号产生单元的工作原理。在本实施例中，所述摩擦层22为容易带负电荷的ptfe(polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)，但并不以此为限。

如图4中a部分所示，当运动部件1与摩擦层22接触时，运动部件1带正电荷，摩擦层22带负电荷，此时电极层21的表面没有感生电势，因此也没有电势加在pn结32的两端(如图4中b部分所示)。

如图4中c部分所示，当运动部件1远离摩擦层22时，此时电极层21上的电势较小，且电极层21相对于外界为负电势，假设电信号产生单元外面的电势为零，因此左侧的pn结32是正向偏置状态，而右侧pn结32是反向偏置状态。因此左侧pn结32的p区能带下降，n区能带上升，而右侧pn结32的p区能带上升，n区能带下降，这就像一个“电子闸”，使得电极层21上的电子可以流过左侧的pn结32，而右侧的pn结32起阻挡的作用，左侧的pn结32是“开闸”，而右侧的pn结32是“关闸”，“电子流”的驱动力来自于电极层21上的感生电势以及左侧pn结32的p区322和右侧pn结32的n区321的电势差，电子从电极层21通过左侧的pn结32流出；当运动部件1逐步远离摩擦层22时，电极层21逐步带正电，电势开始变大，最后达到平衡。而左侧pn结32的“电子闸”由开放状态变为关闭状态；右侧pn结32“电子闸”的陡峭度也降低(如图4中d部分所示)。

如图4中e部分所示，当运动部件1逐渐靠近摩擦层22时，电极层21感应电势增大，相对外界为正电势，外界电势假设为零电势，因此左侧pn结反向偏置，而右侧pn结正向偏置，因此左侧pn结的p区能带升高，n区能带下降，右侧pn结的p区能带下降，n区能带上升，最后效果是：左侧pn结是升高的“电子闸”，而右侧的pn结处于“开闸”状态(如图4中f部分所示)，因此电子会从外界通过右侧pn结流进电极层21，平衡电极层21之前带的正电荷，最后当运动部件1和摩擦层22完全贴合在一起时，能带达到平衡状态，也就没有电子的流入、流出，回到图4中b部分所示。

本发明的电信号产生单元中，发电部件可以为上述的结构，也可以为现有的任意结构的摩擦发电机，只要在外界机械能作用下可以产生摩擦电荷，产生的电场可以调控单向导通部件的偏置和开闭，可以管理摩擦发电机产生的感应电荷的输运方向，实现电流的单向输运。

可以采用的摩擦发电机可以为接触分离模式的摩擦发电机，也可以为滑动模式的摩擦发电机，还可以为单电极模式的摩擦发电机。

优选的，多个单向导通部件与发电部件集成在一起，例如可以使二者互相共用电极层。

如图9a-图9e所示，本发明还提供一种发电阵列，其中，所述发电阵列包括多个上述电信号产生单元，各所述电信号产生单元串联和/或并联连接。所述发电阵列的形状可为方形、圆形或不规则形状等。其中，正向连接的单向导通部件通过导线连接在一起形成正极，反向连接的单向导通部件通过导线连接在一起形成负极。

多个所述电信号产生单元可以按照一维阵列排列形成发电阵列。电信号产生单元中的发电单元可以为长条形，多个电信号产生单元的发电单元互相平行排列。

这种结构的发电阵列，如果采用长条形的电极层作为发电单元，可以用于波浪能发电或者风力发电等情况，波浪或者被风吹动的运动部件顺序摩擦电极层(或者电极层上的摩擦层)，可以产生直流电信号输出。

将该结构的发电阵列卷起，如果采用长条形的电极层作为发电单元，可以形成圆筒形的发电阵列，运动部件在圆筒形发电阵列内转动时，顺序摩擦通过电极层，输出连续的直流电信号，可以用于风力发电等。

多个所述电信号产生单元可以按照二维阵列排列形成发电阵列。用于大规模铺设，可以实现电信号的采集，可以用于发电或者传感。当运动部件在不同的电信号产生单元之间移动时，可以根据电信号产生的位置对运动部件的运动信息进行传感，例如运动速度、位置等信息。

这里所述的运动部件可以为任何相对于发电部件移动的物体，例如人走动时的鞋，或者其他移动的物体。

进一步地，本发明还提供一种地毯(如图10所示)，所述地毯包括上述的电信号产生单元，或发电阵列，用于当人体在所述地毯上活动时，所述运动部件(与地毯接触的鞋底)与发电部件在垂直方向上相对运动。对于阵列中采用图1-4结构的发电部件时，优选地，多个电信号产生单元的摩擦层可以连接在一起，共同作为一层摩擦层，从而既可以实现接触摩擦起电，增大表面电荷密度，也可以实现对电极层的保护。其中，所述摩擦层优选为柔性材料，可为保护薄膜或纤维布，优选材料为特氟龙。

进一步的，本地毯还包括衬底，所述衬底上设置有各所述电信号产生单元，用于对所述各电信号产生单元提供支撑和保护。所述电信号产生单元的电极层通过镀膜的方式设置在所述衬底上，即多个电信号产生单元的衬底连接在一起。其中，所述衬底优选为柔性材料。对于电信号产生单元中包括基底的情况，如果发电阵列中有共同的衬底，也可以省去发电单元的基底。

如图11所示，当人体在地毯上运动(如图11中c部分所示)，例如：走动、跑动、跳跃或滑动等，本发明地毯分别输出不同的直流电信号(如图11中a部分所示)。

本发明提供的电信号产生单元，既可以在运动部件与发电部件相对运动时作为发电单元使用，可以收集运动部件的运动机械能；也可以作为对运动部件运动的传感单元使用，作为一种自驱动的无源传感器件。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。