機械能採集裝置及其製備方法與流程
2023-11-04 00:46:12 1
本發明涉及能量採集器領域，特別是涉及一種機械能採集裝置及其製備方法。
背景技術：
近年來能量採集的研發和應用發展迅速，將機械能轉換為電能的能量採集裝置廣泛地應用在電子領域和可攜式產品領域。目前的機械能採集器主要是利用電磁感應或者壓電效應的原理製作的。與利用電磁感應製作的能量採集器相比，利用壓電效應製作的能量採集器具有尺寸小、結構簡單等優點。但是，傳統的利用壓電效應製作的能量採集器，輸出功率較低，應用時受到限制。
技術實現要素：
基於此，有必要針對利用壓電效應製作的能量採集器輸出功率低的問題，提供一種輸出功率高的機械能採集裝置。
一種機械能採集裝置，包括依次層疊的第一電極、駐極體薄膜、彈性層和第二電極，其中，所述駐極體薄膜為經過極化處理的駐極體薄膜，所述第一電極和所述第二電極絕緣設置。
在其中一個實施例中，所述機械能採集裝置還包括相對設置的第一絕緣薄膜和第二絕緣薄膜，所述第一電極設置在所述第一絕緣薄膜上，所述第二電極設置在所述第二絕緣薄膜上。
在其中一個實施例中，所述機械能採集裝置還包括絕緣設置的第一引出電極和第二引出電極；所述第一引出電極設置在所述第一絕緣薄膜上，所述第一引出電極的一端與所述第一電極電連接；所述第二引出電極的一端與所述第二電極電連接，所述第二引出電極的另一端設置在所述第一絕緣薄膜上。
在其中一個實施例中，所述機械能採集裝置還包括第三絕緣薄膜，所述第三絕緣薄膜位於所述機械能採集裝置的側面；部分所述第二引出電極設置在所述第三絕緣薄膜上，並且，所述第三絕緣薄膜用於保護所述第二引出電極。
在其中一個實施例中，所述機械能採集裝置還包括端子，所述端子與所述第一絕緣薄膜連接，所述第一引出電極遠離所述第一電極的一端和所述第二引出電極遠離所述第二電極的一端均匯合到所述端子處。
在其中一個實施例中，所述駐極體薄膜靠近所述第一電極的一個表面設有金屬層。
一種機械能採集裝置的製備方法，包括如下操作：
提供彈性層和駐極體薄膜；
對所述駐極體薄膜進行極化處理；以及
將所述駐極體薄膜和所述彈性層放置在相對設置的第一電極和第二電極之間，得到所述機械能採集裝置，其中，所述第一電極和所述駐極體薄膜連接，所述第二電極和所述彈性層連接。
在其中一個實施例中，所述將所述駐極體薄膜和所述彈性層放置在相對設置的第一電極和第二電極之間的操作包括：
提供第一絕緣薄膜、第二絕緣薄膜和第三絕緣薄膜，所述第一絕緣薄膜和所述第二絕緣薄膜通過所述第三絕緣薄膜連接；
在所述第一絕緣薄膜上印刷形成所述第一電極，在所述第二絕緣薄膜上印刷形成所述第二電極；
在所述第一絕緣薄膜上印刷形成所述第一引出電極，所述第一引出電極的一端與所述第一電極電連接，在所述第一絕緣薄膜、所述第二絕緣薄膜和所述第三絕緣薄膜上印刷第二引出電極，所述第二引出電極的一端與所述第二電極電連接，部分所述第二引出電極設置在所述第三絕緣薄膜上，所述第二引出電極的另一端在所述第一絕緣薄膜上；
對摺所述第三絕緣薄膜，形成相對設置的所述第一電極和所述第二電極；
將所述駐極體薄膜和所述彈性層放置在相對設置的所述第一電極和所述第二電極之間。
在其中一個實施例中，所述提供相對設置的將第一電極和第二電極的操作還包括：在所述第一絕緣薄膜的一個側面形成端子，其中，所述第一引出電極遠離所述第一電極的一端和所述第二引出電極遠離所述第二電極的一端匯合到所述端子處。
在其中一個實施例中，所述對所述駐極體薄膜進行極化處理的操作為：
在所述駐極體薄膜的一面形成金屬層；
對形成有所述金屬層的所述駐極體薄膜進行高壓電暈極化。
上述機械能採集裝置，將帶有永久電荷的駐極體薄膜放置在兩個電極之間，從而在兩電極上感應有相應的電荷。通過對此機械能採集裝置施加壓力、彎曲力或者拉伸力使其發生形變，以致兩個電極間產生變化的電壓。在兩個電極間設置彈性層，目的是在外力作用下增加機械能採集裝置的形變量，從而提高機械能採集裝置的輸出功率。
附圖說明
圖1為一實施方式的機械能採集裝置的結構示意圖；
圖2為如圖1所示的機械能採集裝置展開後的電極排布圖；
圖3為另一實施方式的機械能採集裝置的結構示意圖；
圖4為如圖3所示的機械能採集裝置展開後的電極排布圖；
圖5為一實施方式的機械能採集裝置的製備方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
如圖1所示的一實施方式中的機械能採集裝置10，包括第一電極111、第二電極113、駐極體薄膜120和彈性層130。第一電極111和第二電極113絕緣設置，駐極體薄膜120和彈性層130層疊在第一電極111和第二電極113之間，且駐極體薄膜120靠近第一電極111，彈性層130靠近第二電極113。
其中，駐極體薄膜120為經過極化處理的駐極體薄膜。駐極體薄膜120通常在十幾至一百微米的厚度，主要有聚丙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯膜等材料。與採用壓敏裝置採集機械能的輸出功率相比，採用駐極體採集機械能的輸出功率會有所提高。駐極體薄膜120是一種具有持久性的固體電介質，極化後駐極體薄膜120將帶有永久電荷。可能是
彈性層130使用的材料優選多孔的海綿、泡棉或橡膠等柔軟的、彈性較好、壓縮量較大的材料，如乙烯-醋酸乙烯共聚物。厚度一般在1mm～10mm。彈性層130的彈性性能，能夠增加機械採集裝置10受力時的形變量，且不受力時能自動恢復，提高機械能採集裝置10的輸出功率。若採用柔軟的、壓縮量大的彈性材料製作彈性層130，則可以進一步提高機械能採集裝置10的輸出功率。
駐極體薄膜120在進行極化之前，通常先對駐極體薄膜120的一面鍍上一層金屬層140，或者直接在駐極體薄膜120的一面貼合上一層金屬層140。之後再對駐極體薄膜120進行高壓電暈極化。極化時，由於駐極體薄膜120的一面上有平整的金屬層140，因而對駐極體薄膜120施加電場時，電場線的排布會處於平行且均勻的狀態，使得極化後，駐極體薄膜120遠離金屬層140的一面形成帶電均勻的極化面，製成機械能採集裝置後，能夠提高機械能採集裝置的輸出功率。金屬層的厚度一般為0.1μm～0.5mm。
其中，層疊駐極體薄膜120時，有金屬層140的一面朝向第一電極111，遠離金屬層140的一面朝向第二電極113，並且與彈性層130連接。
在本實施方式中，機械能採集裝置10還包括第一絕緣薄膜151、第二絕緣薄膜153和第三絕緣薄膜155。第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153相對設置。第一電極111設置在第一絕緣薄膜151上，第二電極113設置在第二絕緣薄膜153上。
其中，第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153常用的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯，厚度通常在0.05mm～1mm，第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153的表面可以印刷電路和塗膠。
結合圖2，在本實施方式中，機械能採集裝置10還包括第一引出電極161和第二引出電極163。第一引出電極161設置在第一絕緣薄膜151上，且第一引出電極161的一端與第一電極111電連接。第二引出電極163的一端與第二電極113電連接，第二引出電極163的另一端設置在第一絕緣薄膜151上。第二引出電極163有部分位於機械能採集裝置10的側面，並且與第一電極111絕緣。
第三絕緣薄膜155位於機械能採集裝置10的側面。第二引出電極163位於機械能採集裝置10的側面的部分設置在第三絕緣薄膜155上，且第三絕緣薄膜155用於保護第二引出電極163。
電極展開後的排布如圖2所示。第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153通過第三絕緣薄膜155連接。第一電極111設置在第一絕緣薄膜151上，第二電極113設置在第二絕緣薄膜153上，第一引出電極161設置在第一絕緣薄膜151上。第二引出電極163通過走線，設置在第一絕緣薄膜151、第二絕緣薄膜153和第三絕緣薄膜155上。第二引出電極163從第二電極113靠近第三絕緣薄膜155的一端引出後，經過第三絕緣薄膜155，並在第一絕緣薄膜151上環繞第一電極111設置。第二引出電極163的一端設置在第一絕緣薄膜151上，另一端與第二電極113靠近第三絕緣薄膜155的一端連接。第一引出電極161和第二引出電極163絕緣設置，第一電極111和第二電極113絕緣設置。
在其他實施方式中，第二引出電極163也可以從第二電極113的其他部位引出。
在其他實施方式中，第二引出電極163也可以在第三絕緣薄膜155環繞後，再將第二引出電極163的一端設置在第一絕緣薄膜151上。
對摺第三絕緣薄膜155後，第一絕緣薄膜151位於機械能採集裝置10的上部，第二絕緣薄膜153位於機械能採集裝置10的下部，第三絕緣薄膜155位於機械能採集裝置的側面。
優選的，第一電極111、金屬層140、駐極體薄膜120、彈性層130和第二電極113的尺寸均小於第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153的尺寸。將第一電極111、金屬層140、駐極體薄膜120、彈性層130和第二電極113放置在第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153的中部，在通過熱熔黏合或者膠水黏合將第一絕緣薄膜151和第二絕緣薄膜153的邊緣連接起來，使得第一電極111、金屬層140、駐極體薄膜120、彈性層130和第二電極113被第一絕緣薄膜151、第二絕緣薄膜153和第三絕緣薄膜155包裹，可以實現機械能採集裝置10防水防塵的目的。
本實施方式中的機械能採集裝置可以應用於可穿戴設備，可以承受人體的大壓力。特別是應用於足部器件，採集足底壓力的機械能，或者是與衣服等紡織物集成，採集彎折拉伸的機械能。
上述機械能採集裝置，將帶有永久電荷的駐極體薄膜放置在兩個電極之間，從而在兩電極上感應有相應的電荷。通過對此機械能採集裝置施加壓力、彎曲力或者拉伸力使其發生形變，以致兩個電極間產生變化的電壓。在兩個電極間設置彈性層，目的是在外力作用下增加機械能採集裝置的形變量，從而提高機械能採集裝置的輸出功率。
如圖3和圖4所示的另一個實施方式中的機械能採集裝置20，包括第一電極211、第二電極213、駐極體薄膜220、彈性層230、金屬層240、第一絕緣薄膜251、第二絕緣薄膜253和第三絕緣薄膜255。上述結構與機械能採集裝置10相同。
機械能採集裝置20還包括第一引出電極261、第二引出電極263和端子270。端子270與第一絕緣薄膜251連接，第一引出電極261遠離第一電極211的一端和第二引出電極263遠離第二電極213的一端匯合到端子270處。
為了增加端子270的強度，還可以在端子270上增加一個加強片，形成FPC端子。端子270的大小和厚度，第一引出電極261和第二引出電極263的間距等，均按照標準化設計，這樣可以使得機械能採集裝置20與標準的連接器相連接。端子270通過鍍銀加強處理，可以增加端子270使用的拔插次數和降低接觸電阻。匯合到端子270的第一引出電極261和第二引出電極263的部分線路，可以印刷絕緣漆，防止短路。
端子270可以根據需要設計，如有時需要正反都有對應的連接點，可以通過導通孔來實現，這樣可以靈活採用連接器，方便選型和通用。
進一步，可以在第一引出電極261和第二引出電極263露出的部分線路上，增加納米防水材料，從而實現機械能採集裝置20的防水設計。
本實施方式中的機械能採集裝置可以應用與可穿戴設備，可以承受人體的大壓力。特別是應用於足部器件，採集足底壓力的機械能，或者是與衣服等紡織物集成，採集彎折拉伸的機械能。
上述機械能採集裝置，將帶有永久電荷的駐極體薄膜放置在兩個電極之間，從而在兩電極上感應有相應的電荷。通過對此機械能採集裝置施加壓力、彎曲力或者拉伸力使其發生形變，以致兩個電極間產生變化的電壓。在兩個電極間設置彈性層，目的是在外力作用下增加機械能採集裝置的形變量，從而提高機械能採集裝置的輸出功率。
如圖5的一實施方式中的機械能採集裝置的製備方法，包括如下操作。
S110，提供彈性層和駐極體薄膜。
提供彈性層和駐極體薄膜，並根據需要，將彈性層和駐極體薄膜裁剪成需要的尺寸。
其中，駐極體薄膜為經過極化處理的駐極體薄膜。駐極體薄膜通常在十幾至一百微米的厚度，主要有聚丙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯膜等材料。
彈性層使用的材料優選多孔的海綿、泡棉或橡膠等柔軟的、彈性較好、壓縮量較大的材料，如乙烯-醋酸乙烯共聚物。厚度一般在1mm～10mm。
S120，對駐極體薄膜進行極化處理。
採用電鍍或者貼合的方法，在駐極體薄膜的一面上形成一層金屬層。金屬層的厚度一般為0.1μm～0.5mm。再對形成有金屬層的駐極體薄膜進行高壓電暈極化。其中，高壓電暈極化的具體操作為在放電針上施加幾千伏以上的直流電壓，由於強電場的作用，放電針周圍空氣明顯擊穿，出現電暈放電現象，將待極化的駐極體材料放置在極化臺金屬板上面，駐極體材料有金屬鍍層面接觸極化臺金屬板，放電針垂直對中駐極體材料，正對放電針面的駐極體材料將注入相應的電荷。為了獲得均勻的極化效果，通常在駐極體材料上下施加一個均勻的電場，通常施加幾百伏電壓形成電場。
極化時，由於駐極體薄膜的一面上有平整的金屬層，因而對駐極體薄膜施加電場時，電場線的排布會處於平行且均勻的狀態，使得極化後，駐極體薄膜遠離金屬層的一面形成帶電均勻的極化面，製成機械能採集裝置後，能夠提高機械能採集裝置的輸出功率。
S130，將駐極體薄膜和彈性層放置在相對設置的第一電極和第二電極之間，得到機械能採集裝置。
提供第一絕緣薄膜、第二絕緣薄膜和第三絕緣薄膜。第一絕緣薄膜和第二絕緣薄膜通過第三絕緣薄膜連接。
針對不同的尺寸要求裁剪好第一絕緣薄膜、第二絕緣薄膜和第三絕緣薄膜。在第一絕緣薄膜上印刷導電材料形成第一電極，在第二絕緣薄膜上印刷導電材料形成第二電極。導電材料主要有導電銀漿或導電油墨。第一電極的尺寸小於第一絕緣薄膜，第二電極的尺寸小於第二絕緣薄膜。第一電極和第二電極絕緣設置。
在第一絕緣薄膜的邊上形成一個端子作為最終輸出端，必要時，可以貼合加強片。
在第一絕緣薄膜上印刷第一引出電極，且第一引出電極的一端與第一電極電連接。在第一絕緣薄膜、第二絕緣薄膜和第三絕緣薄膜上印刷第二引出電極，第二引出電極的一端與第二電極電連接，另一端通過走線設置在第一絕緣薄膜上。第一引出電極和第二引出電極絕緣設置。
第一引出電極遠離第一電極的一端和第二引出電極遠離第二電極的一端匯合到端子處。端子的大小和厚度，第一引出電極和第二引出電極的間距等，均按照標準化設計，這樣可以使得機械能採集裝置與標準的連接器相連接。端子通過鍍銀加強處理，可以增加端子使用的拔插次數和降低接觸電阻。匯合到端子的第一引出電極和第二引出電極的部分線路，可以印刷絕緣漆，防止短路。端子可以根據需要設計，如有時需要正反都有對應的連接電，可以通過導通孔來實現，這樣可以靈活採用連接器，方便選型和通用。進一步，可以在第一引出電極和第二引出電極漏出的部分線路上，增加納米防水材料，從而實現機械能採集裝置的防水設計。
對摺第三絕緣薄膜，使第一電極和第二電極相對設置。
將含有金屬層的駐極體薄膜和彈性層放置在相對設置的第一電極和第二電極之間。其中，駐極體薄膜朝向金屬層的一面，與第一電極連接，遠離金屬層的一面，即極化面，與彈性層連接，彈性層再與第二電極連接。
通過裁剪，使得駐極體薄膜的尺寸與彈性層的尺寸均小於第一絕緣薄膜和第二絕緣薄膜。放置駐極體薄膜和彈性層後，駐極體薄膜和彈性層在第一絕緣薄膜和第二絕緣薄膜的中部。將第一絕緣薄膜和第二絕緣薄膜的邊緣通過熱熔黏合或者現在第一絕緣薄膜和第二絕緣薄膜的邊緣內面印刷膠水然後再黏合。經過處理後，第一電極、金屬層、駐極體薄膜、彈性層和第二電極被第一絕緣薄膜、第二絕緣薄膜和第三絕緣薄膜包裹起來，可以實現機械能採集裝置防水防塵的目的。
上述機械能採集裝置的製備方法簡單，成本低。通過該機械能採集裝置的製備方法製備得到的械能採集裝置，將帶有永久電荷的駐極體薄膜放置在兩個電極之間，從而在兩電極上感應有相應的電荷。通過對此機械能採集裝置施加壓力、彎曲力或者拉伸力使其發生形變，以致兩個電極間產生變化的電壓。在兩個電極間設置彈性層，目的是在外力作用下增加機械能採集裝置的形變量，從而提高機械能採集裝置的輸出功率。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。