一种球内封装电子器件的薄膜发电球的制作方法

本发明涉及智能球技术领域，具体涉及一种球内封装电子器件的薄膜发电球。

背景技术：

球体，例如足球、篮球、橄榄球等，其作为运动载体的同时被不断地通过拍打、撞击等方式实现运动辅助功能。然而，现有的球体其功能定位仅限于运动辅助，而球体本身由于被外部势能的作用而产生的形变和震动的本身能量，却没有被很好的利用。现有技术中有通过在球体内部设置感应线圈和永磁体，通过永磁体在运动过程中的运动切割感应线圈，来实现电磁感应发电。电磁感应发电其涉及到在球体内部部署永磁体及感应线圈，其大大增加整个球体的重量。

技术实现要素：

为此，需要提供一种球内封装电子器件的薄膜发电球，通过一种全新的方式来获得高效球内发电的同时并不过多增加球体的重量，同时将电子电路设置在球体中心薄膜上，实现对球体运动过程中对于球体形变及运动势能的高效捕捉，并最大程度地转换为电能进行存储。

为实现上述目的，发明人提供了一种球内封装电子器件的薄膜发电球，包括球体，所述球体内中部区域设有第一电极薄膜层，所述第一电极薄膜层由两片发电薄膜贴合构成，两片发电薄膜中间设有一绝缘基板，所述绝缘基板上设有电路组件，两片发电薄膜中间避开绝缘基板的部分设有第一电极层，所述第一电极层与电路组件通过导线电性连接， 所述球体内还设有第二电极薄膜层和第三电极薄膜层，所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层分别设置在第一电极薄膜层的两侧面，所述第一电极薄膜层与第二电极薄膜层的两相对面分别设有第一摩擦增益层，所述第一电极薄膜层与第三电极薄膜层的两相对面分别设有第二摩擦增益层，所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层的两背离面分别设有第二电极层，所述第二电极层与电路组件通过导线电性连接。

进一步的，所述两第一摩擦增益层之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm，所述两第二摩擦增益层之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm。

进一步的，所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层上开设有通孔，所述通孔正对所述电路组件。

进一步的，所述第一电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，但所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的材质不同，所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层的材质相同。

更进一步的，第一电极薄膜层选用聚酯纤维材质制作而成，所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层均采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。

进一步的，所述第一电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第一电极薄膜层的两片发电薄膜中间避开绝缘基板的部分制作出完整的金属电极。

进一步的，所述第二电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在所述第二电极薄膜层和第三电极薄膜层的两背离面制作出完整的金属电极。

优选的，所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。

优选的，所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。

进一步的，所述第一摩擦增益层包括设置在第一电极薄膜层与第二电极薄膜层的两相对面的第一微粒状凸起层，以及覆盖在第一微粒状凸起层上且分别与第一电极薄膜层与第二电极薄膜层紧密贴合的第一纳米金属层。

进一步的，所述第二摩擦增益层包括设置在第一电极薄膜层与第三电极薄膜层的两相对面的第一微粒状凸起层，以及覆盖在第一微粒状凸起层上且分别与第一电极薄膜层与第三电极薄膜层紧密贴合的第一纳米金属层。

优选的，所述第一微粒状凸起层或第二微粒状凸起层均采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。

区别于现有技术，上述技术方案具有的有益效果如下：通过在球体内设置一组电极薄膜层，该组电极薄膜层包括一在中部的第一电极薄膜层，以及分别设置在第一电极薄膜层两侧的第二电极薄膜层和第三电极薄膜层，第一电极薄膜层本身也是由两片发电薄膜构成，该两片电极薄膜层中间设有第一电极层以及绝缘基板上设置的电路组件，这些结构组合构成摩擦发电装置，借助一种分离技术，当摩擦发生时，第二和第三电极薄膜层分别与第一电极薄膜层之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，第一电极薄膜层产生电子，第二和第三电极薄膜层则负责接收电子，从将产生的电流和电压通过导线输出到电路组件中，并通过整流滤波过程为摩擦发电智能球的电路组件的其他电子器件供电。

2、第一电极薄膜层的两侧面均设有摩擦增益层，而第二电极薄膜层和第三电极薄膜层相对第一电极薄膜层的一侧面也设有摩擦增益层，该摩擦增益层结构采用微粒状凸起层和纳米金属层结构，当两个电极薄膜层发生摩擦时，该微粒状凸起层能够在竖直方向上增加摩擦，而纳米金属层能够在水平方向上增加摩擦，从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。

附图说明

图1为本发明实施例1的剖视图。

图2为本发明实施例1的电极薄膜层结构分解示意图。

图3为本发明实施例1的电路结构示意图。

图4为本发明实施例1的工作状态示意图。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

实施例：

请参阅图1至图4，本实施例1的一种球内封装电子器件的薄膜发电球，包括球体1，所述球体1内中部区域设有电极薄膜层10，所述电极薄膜层10由两片发电薄膜101、102贴合构成，两片发电薄膜101、102中间设有一绝缘基板20，在本实施例中该绝缘基板20为两层，分别与两片发电薄膜101、102中间贴合固定连接，两层绝缘基板20中间夹设有电路组件40，也就是说该电路组件40是被绝缘基板包围绝缘后再设置在两片发电薄膜101、102中间的。在其他实施例中，也可以只在其中一片发电薄膜101上设置一块绝缘基板20，再将电路组件40设置在该绝缘基板20上，从而将整个绝缘基板和电路组件40作为一个整体组件设置在两片发电薄膜101、102之间。

具体参考图2所示，两片发电薄膜101、102中间避开绝缘基板20的部分设有电极层30，所述电极层30与电路组件40通过导线电性连接， 所述球体1内还设有电极薄膜层11和电极薄膜层12，所述电极薄膜层11和电极薄膜层12分别设置在电极薄膜层10的两侧，所述发电薄膜102与电极薄膜层11的两相对面分别设有摩擦增益层103，所述发电薄膜101与电极薄膜层12的两相对面分别设有摩擦增益层104，所述电极薄膜层11和电极薄膜层12的两背离面分别设有电极层50，所述电极层50与电路组件40通过导线电性连接。

所述发电薄膜102与电极薄膜层11的两相对面是分别设置摩擦增益层103，也就是说有两摩擦增益层103。两摩擦增益层103之间的垂直距离为d，同样的，两摩擦增益层104之间的垂直距离也为d，并满足以下条件： 0≤d≤1cm。所述电极层30和电极层50作为电压和电流输出电极，并通过导线60与电路组件40电性连接，从而将电极薄膜层10分别与电极薄膜层11、发电薄膜102与电极薄膜层11、发电薄膜101与电极薄膜层12之间距离设置符合以下条件：当球体球受碰撞或在滚动过程中使薄膜产生形变能够接触并发生摩擦，当球体恢复形变后，该对电极薄膜层能够分离。

本实施例中，所述电极薄膜层11和电极薄膜层12上开设有通孔111、121，所述通孔正对所述电路组件40。

本实施例中，所述电极薄膜层10选自聚四氟乙烯（PTFE）材质制作而成，所述电极薄膜层11和电极薄膜层12采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质制作而成。聚四氟乙烯（PTFE或Teflon），俗称“塑料王”，是一种柔性高分子材料，具有优良的综合性能，如表1所示。PTFE的优良性能使其在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁行业都有广泛的应用。PTFE的可加工性较强，可以通过多种改性方法获得所需的PTFE材料，如表面改性、填充改性、共混改性等。PTFE薄膜是一种工程塑料，一半应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。其具有以下特性：

耐高温：使用工作温度达250℃，耐低温：具有良好的机械韧性，即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率，无毒害：具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应，力学性能，不粘附：光滑异常，连冰都比不过它，是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1/5，这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以聚四氟乙烯具有不粘性，绝缘性能优异：报纸厚的一层薄膜，便足以抵挡1500V的高压电。耐化学腐蚀和耐候性：除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g/100g），优异的耐候性：不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，有塑料中最佳的老化寿命。电性能：聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。耐辐射性能：聚四氟乙烯的耐辐射性能较差（104拉德），受高能辐射后引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显下降。

另一实施例中，电极薄膜层10选用聚酯纤维材质制作而成，所述电极薄膜层11和电极薄膜层12均采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。所述电极薄膜层10和电极薄膜层12的厚度为500-5000μm。

本实施例，所述电极层30采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第一电极薄膜层的两片发电薄膜中间避开绝缘基板20的部分制作出完整的金属电极。所述电极层50采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在所述电极薄膜层11和电极薄膜层12的两背离面制作出完整的金属电极。所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。

参考图2所示，所述摩擦增益层103包括设置在发电薄膜102和第二电极薄膜层11两相对面的第一微粒状凸起层1031，以及覆盖在第一微粒状凸起层上且与电极薄膜层10和第二电极薄膜层11两相对面紧密贴合的纳米金属层1032。所述摩擦增益层104包括设置在发电薄膜101和电极薄膜层12两相对面的微粒状凸起层1041，以及覆盖在第二微粒状凸起层1041上且与电极薄膜层10和电极薄膜层12两相对面紧密贴合的纳米金属层1042。所述第一微粒状凸起层1031或第二微粒状凸起层1041均采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。其制作工艺如下：在电极薄膜层101上采用粘合剂涂覆一层螺旋状形态纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合材料，该粘合剂采用溶胶SiO 2粘合剂。干燥后，利用溅射或蒸发工艺，将纳米级金属材料涂覆至所有纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合材料上以及电极薄膜层101其他没有涂覆上混合材料的部分。

电极层30和电极层50通过导线60与电路组件40电性连接构成闭合回路，电路组件40包括依次电性连接的整流电路401、电源控制电路402、蓄电池403及其他电路404，所述整流电路401为桥式整流电路将发电产生的交流电转为直流电，电源控制电路402为升降压控制并对电池充电，其中升降压控制为电池充电提供稳定的输入电压，包含基於PWM控制的升降压芯片(buck-boost voltage regulator)，还有对蓄电池403进行充电管理的充电芯片，其他电路404为智能球相关的其他智能电路。

本实施例的工作原理如下：

在本实施例中，电极薄膜层10分别与电极薄膜层11、12之间的距离均为d=4㎜，如图4所示，当球体1收到外力碰撞发生形变时，电极薄膜层10和电极薄膜层11及12的中部会贴合在一起，而碰撞的力度越大，则其贴合的力度也越大，撞击后由于薄膜本身的弹性形变会又分开，则在撞击和分开的过程中，电极薄膜层10分别和电极薄膜层11、12由于不断摩擦产生了电势变化，生成等量但电性相反的移动电荷。而电极层30和电极层40作为整个发电薄膜的正负电极与外部的电路组件电路连接，从而所述电极层30和电极层50作为电压和电流输出电极，并通过导线与电路组件电性连接，从而将发电薄膜层摩擦产生的电压和电流输出至电路组件进行存储。

在电极薄膜层11和发电薄膜102上设置摩擦增益层103，电子薄膜层12和发电薄膜101上设置摩擦增益层104，则可以增大接触区域面积，在摩擦增益层103、104的摩擦力作用下使得电极薄膜层10、11、12发生竖直和水平方向上的相对滑动，具体地，而螺旋状凸起1031、1041增加竖直方向上的摩擦接触，而纳米金属层1032、1042则增加了水平方向上的摩擦滑动，且纳米金属层1032、1042的设置，能够增加电荷的产生，从而使得三个电极薄膜层10和电极薄膜层11、12之间的内电势大大增强。从而使得电极层30和电极层50产生更多的自由电荷，并在外电路导通情况下发生中和，形成外电流进入电路组件负载，对电流进行存储，并为球体1其他部件提供工作电压。

本实施例的有益效果如下：

通过在球体1内设置一组电极薄膜层，该组电极薄膜层包括一在中部的电极薄膜层10，以及分别设置在电极薄膜层10两侧的电极薄膜层11和电极薄膜层12，电极薄膜层10本身也是由两片发电薄膜构成，该两片电极薄膜层中间设有电极层30以及绝缘基板20上设置的电路组件40，这些结构组合构成摩擦发电装置，借助一种分离技术，当摩擦发生时，第二和第三电极薄膜层分别与电极薄膜层10之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，第一电极薄膜层产生电子，第二和第三电极薄膜层则负责接收电子，从将产生的电流和电压通过导线输出到电路组件40中，并通过整流滤波过程为摩擦发电智能球的电路组件40的其他电子器件供电。

2、电极薄膜层10的两侧面均设有摩擦增益层，而电极薄膜层11和电极薄膜层12相对电极薄膜层10的一侧面也设有摩擦增益层，该摩擦增益层结构采用微粒状凸起层和纳米金属层结构，当两个电极薄膜层发生摩擦时，该微粒状凸起层能够在竖直方向上增加摩擦，而纳米金属层能够在水平方向上增加摩擦，从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。