本發(fā)明涉及發(fā)電領域，特別是涉及將機械能轉化為瞬時電信號的摩擦納米發(fā)電機以及發(fā)電方法。

背景技術：

摩擦納米發(fā)電機是最近發(fā)明的一種新型的將機械能轉化為電能的方式，利用得失電子能力不同的兩種材料之間的互相摩擦，發(fā)生表面電荷轉移。摩擦納米發(fā)電機能夠將廣泛存在的機械能，如海浪、風能、各種運動物體的動能、以及人體活動如步行、跑動、跳動等形式的能量轉變?yōu)殡娔?，為小型電子器件如便攜設備等提供電源。

但是，目前，工業(yè)和家用電器適用的電源普遍需要的供電頻率是50-60Hz，而現(xiàn)有摩擦納米發(fā)電機的輸出頻率受外部作用力變化頻率的控制，在低頻外力的作用下，無法獲得高頻的電學輸出，不能滿足電子器件高頻電源的需要。另外，現(xiàn)有摩擦納米發(fā)電機還存在輸出電流和輸出功率小的缺點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種利用電壓驅動開關與摩擦發(fā)電單元相結合的方式，改善了現(xiàn)有摩擦納米發(fā)電機的輸出性能。能夠自驅動的控制摩擦發(fā)電單元兩電極之間的導通與斷開，可以實現(xiàn)對摩擦發(fā)電單元電學輸出特性的調控，為電子器件提供高頻或高功率的電源。

為實現(xiàn)上述目的，本方法提供一種自驅動開關式摩擦納米發(fā)電機，包括：摩擦納米發(fā)電單元和電壓驅動開關，其中，

所述摩擦納米發(fā)電單元包括至少一對相應的摩擦層通過物理接觸產生相反的摩擦電荷，以及分別與兩個所述摩擦層接觸設置且相互絕緣的電極；

所述摩擦發(fā)電單元的一個電極連接所述電壓驅動開關作為摩擦納米發(fā)電機的一個輸出端，所述摩擦發(fā)電單元的另一個電極作為摩擦納米發(fā)電機的另一個輸出端。

優(yōu)選的，所述電壓驅動開關為靜電振動式開關。

優(yōu)選的，所述靜電振動式開關包括彈性振子和接觸端。

優(yōu)選的，所述彈性振子采用導電材料的絲狀或者片狀導體；接觸端采用導電材料的片狀導體。

優(yōu)選的，所述彈性振子的長度范圍為4cm-8cm。

優(yōu)選的，所述電壓驅動開關為電離開關。

優(yōu)選的，所述電離開關為空氣電離開關；

所述空氣電離開關包括導電材料的放電針和集電板，所述放電針與集電板之間存在空氣間隙；所述放電針與集電板之間的距離可調。

優(yōu)選的，所述放電針與集電板之間的距離小于1mm時；

或者，所述放電針與集電板之間的距離的范圍為1mm-20mm。

優(yōu)選的，所述放電針的針尖曲率半徑為1μm-500μm；優(yōu)選5μm-200μm；更優(yōu)選10μm-100μm。

優(yōu)選的，所述導電材料為金屬或者金屬合金。

優(yōu)選的，所述所述摩擦發(fā)電單元的基本運動模式為：垂直接觸分離模式(CS)、平行滑動模式(LS)、單電極模式主要包括單電極接觸結構(SEC)、摩擦層自由移動模式包括滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)或接觸式摩擦層自由移動結構(CFT)。

優(yōu)選的，所述摩擦發(fā)電單元為柔性結構發(fā)電單元。

優(yōu)選的，在兩個所述輸出端之間連接整流元件。

相應的，本發(fā)明還提供一種摩擦發(fā)電方法，采用上述任一項中所述的摩擦納米發(fā)電機進行發(fā)電。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有下列有益效果：

1、在使用相同的摩擦發(fā)電單元的情況下，由于電壓驅動開關，例如靜電振動式開關的接入，可以提高發(fā)電機的輸出頻率，擴展了摩擦納米發(fā)電機在較高頻率范圍的應用。例如空氣電離式開關的接入，發(fā)電機可以形成脈沖電學輸出，可以極大地提高輸出電流和輸出功率，擴展了摩擦納米發(fā)電機在大電流、大功率方面的應用。

2、本發(fā)明的發(fā)電機通過摩擦發(fā)電單元兩個部件之間的相對運動產生高壓靜電，誘使電壓驅動開關閉合與斷開，實現(xiàn)開關的自驅動模式，開關閉合無需外界機械力的觸發(fā)。

3、通過調節(jié)電壓驅動開關的參數(shù)，可以調控發(fā)電機的輸出特性，有助于實現(xiàn)摩擦發(fā)電與各種用電器件的結合。

4、與全橋整流器結合可以將輸出的交流電信號轉變?yōu)閱蜗蛎}沖信號，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以為電容器或者鋰離子電池充電，也可以為各種小型便攜式電子器件提供所需的高頻電源。

附圖說明

通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。

圖1為本發(fā)明摩擦納米發(fā)電機的結構示意圖；

圖2a至圖2e為5種結構摩擦納米發(fā)電機的結構示意圖；

圖3為實施例一發(fā)電機的結構示意圖；

圖4為實施例一中靜電振動開關閉合與斷開，產生脈沖電學輸出的原理示意圖；

圖5為實施例一中發(fā)電機中電量隨彈性振子長度的變化曲線；

圖6為實施例一中發(fā)電機的輸出電壓隨彈性振子長度的變化曲線；

圖7為實施例一中發(fā)電機的輸出電壓-電流曲線；

圖8為實施例一中輸出頻率隨彈性振子長度的變化曲線；

圖9為實施例二的發(fā)電機的空氣電離開關以空氣擊穿的方式實現(xiàn)開關閉合的示意圖；

圖10為實施例二中發(fā)電機通過空氣擊穿產生脈沖輸出的發(fā)電原理示意圖；

圖11為實施例二中本發(fā)明發(fā)電機的空氣電離開關以電暈放電的方式實現(xiàn)開關閉合的示意圖；

圖12為實施例二中發(fā)電機通過電暈放電產生交流輸出的發(fā)電原理示意圖；

圖13為實施例二中發(fā)電機在空氣擊穿方式下的輸出電流隨時間的變化曲線；

圖14為實施例二中發(fā)電機在電暈放電方式下的輸出電流隨時間的變化曲線。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施示例中的附圖，對本發(fā)明實施示例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施示例僅是本發(fā)明一部分實施示例，而不是全部的實施示例?；诒景l(fā)明中的實施示例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施示例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

其次，本發(fā)明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施示例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，不應限制本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明基于由摩擦納米發(fā)電機自身產生的電壓驅動的電壓驅動開關，使兩個電極層形成電學連通，改善摩擦納米發(fā)電機的輸出性能。例如產生高頻的交變電流或者提供大功率脈沖電源。

下面結合附圖詳細介紹本發(fā)明自驅動開關式摩擦納米發(fā)電機的具體結構。

現(xiàn)有摩擦納米發(fā)電機的基本原理是摩擦發(fā)電和靜電感應的耦合。一個基本的摩擦發(fā)電單元包括至少一對相應的摩擦層來通過物理接觸產生相反的摩擦電荷。摩擦發(fā)電單元一般還有兩個相互絕緣的電極使得自由電子只能從外電路流過。在外部機械作用力的驅動下，摩擦層之間周期性的相對運動使得靜電荷的原有平衡被打破，自由電子會通過外電路來建立新的平衡，形成對外輸出。本發(fā)明中，在現(xiàn)有摩擦發(fā)電單元的基礎上連接一個電壓驅動開關，參見附圖1，摩擦發(fā)電單元的一個電極連接一個電壓驅動開關作為本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機的一個輸出端，摩擦發(fā)電單元的另一個電極作為摩擦納米發(fā)電機的另一個輸出端。當摩擦發(fā)電單元的兩個電極之間的電壓達到電壓驅動開關的開啟電壓時，電壓驅動開關產生相應的動作，使摩擦納米發(fā)電機的輸出較摩擦發(fā)電單元的輸出性能有所改善。

電壓驅動開關可以為已知的任何結構的右電壓控制其“斷開”和“閉合”兩個不同的狀態(tài)的開關，例如，電壓驅動開關可以為靜電振動式開關，可以將驅動摩擦發(fā)電單元產生的低頻機械能轉化為高頻電學輸出，能夠為電子器件提供高頻電源。電壓驅動開關可以為空氣電離開關，將機械能轉化為瞬時大功率的電學脈沖，能夠為電子器件提供大功率脈沖電源。

本發(fā)明提供的摩擦納米發(fā)電機中，已有的摩擦納米發(fā)電結構均可以作為摩擦發(fā)電單元，這里列出5種基本結構的摩擦發(fā)電單元，

五種基本的結構為垂直接觸分離模式(CS)、平行滑動模式(LS)、單電極接觸結構(SEC)、滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)和接觸式摩擦層自由移動結構(CFT)。下面參照附圖具體介紹每種模式摩擦發(fā)電單元的典型結構：

垂直接觸分離模式(CS)摩擦發(fā)電單元的結構參見圖2a，兩個相對運動部件中，第一部件包括摩擦層a2和設置在摩擦層a2上的第一電極層a1，第二部件包括第二電極層a3，在第一部件與第二部件互相垂直接觸分離相對運動時，第二電極層a3同時充當另一個摩擦層，與摩擦層a2互相接觸和分離，摩擦層a2的材料與第二電極層a3的材料不同，第一電極層a1和第二電極層a3為摩擦發(fā)電單元的輸出端，連接電壓驅動開關K，在摩擦層a2與第二電極層a3互相分離使第一電極層a1和第二電極層a3之間的電壓超過電壓驅動開關的啟動電壓時，輸出脈沖電信號。

平行滑動模式(LS)摩擦發(fā)電單元的結構參見圖2b，兩個相對運動部件中，第一部件包括摩擦層b2和設置在摩擦層b2上的第一電極層b1，第二部件包括第二電極層b3，在第一部件與第二部件互相平行滑動時，第二電極層b3同時充當另一個摩擦層，與摩擦層b2互相滑動摩擦，摩擦層b2的材料與第二電極層b3的材料不同，第一電極層b1和第二電極層b2為摩擦發(fā)電單元的輸出端，連接電壓驅動開關K，在摩擦層b2與第二電極層b3互相滑動摩擦錯位使第一電極層b1和第二電極層b3之間的電壓超過電壓驅動開關的啟動電壓時，輸出脈沖電信號。

單電極接觸結構(SEC)摩擦發(fā)電單元的結構參見圖2c，兩個相對運動部件中，第一部件包括摩擦層c2，第二部件包括第一電極層c1和第二電極層或等電位c3，在摩擦層c2與第二部件的第一電極層c1互相垂直接觸分離或者相對滑動運動時，摩擦層c2的材料與第一電極層c1的材料不同，第一電極層c1和第二電極層c3為摩擦發(fā)電單元的輸出端，連接電壓驅動開關K，在摩擦層c2與第二電極層c3互相滑動摩擦錯位使第一電極層c1和第二電極層c3之間的電壓超過電壓驅動開關的啟動電壓時，輸出脈沖電信號。

滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)摩擦發(fā)電單元的結構參見圖2d，兩個相對運動部件中，第一部件包括摩擦層d2，第二部件包括互相分隔的第一電極層d1和第二電極層d3，在第一部件與第二部件互相滑動時，摩擦層d2從第一電極層d1滑動到第二電極層d3，第一電極層d1和第二電極層d3充當另一個摩擦層，摩擦層d2的材料與第一電極層d1和第二電極層d3的材料不同，第一電極層d1和第二電極層d2為摩擦發(fā)電單元的輸出端，連接電壓驅動開關K，在摩擦層d2在第一電極層d1和第二電極層d3之間滑動時，使第一電極層d1和第二電極層d3之間的電壓超過電壓驅動開關的啟動電壓時，輸出脈沖電信號。

接觸式摩擦層自由移動結構(CFT)摩擦發(fā)電單元的結構參見圖2e，兩個相對運動部件中，第一部件包括摩擦層e2，第二部件包括互相分隔的第一電極層e1和第二電極層e3，摩擦層e2設置在第一電極層e1和第二電極層e3之間，摩擦層e2在兩個電極層之間運動分別與兩個電極層互相接觸分離，第一電極層d1或第二電極層d3充當另一個摩擦層，摩擦層e2的材料與第一電極層e1和第二電極層e3的材料不同，第一電極層e1和第二電極層e3為摩擦發(fā)電單元的輸出端，連接電壓驅動開關K，在摩擦層e2在兩個電極層之間運動分別與兩個電極層互相接觸分離,使第一電極層e1和第二電極層e3之間的電壓超過電壓驅動開關的啟動電壓時，輸出脈沖電信號。

滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)和接觸式摩擦層自由移動結構(CFT)均為摩擦層自由移動模式的摩擦發(fā)電單元。

摩擦發(fā)電單元的四種工作模式已經被證實，每種模式有不同的結構設計和材料選擇，以適應相應的機械觸發(fā)條件。

圖2中所示的5種結構的摩擦發(fā)電單元均可以與靜電振動開關、空氣電離開關結合產生電信號輸出，下面以滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)摩擦發(fā)電單元為例分別介紹摩擦納米發(fā)電機的結構和工作原理，另外4種結構的摩擦發(fā)電單元可以參考。

實施例一：

圖3是本發(fā)明摩擦納米發(fā)電機的一個實施例，其中，摩擦發(fā)電單元采用滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)摩擦發(fā)電單元，電壓驅動開關K采用靜電振動開關，以下稱為自驅動靜電振動開關式摩擦納米發(fā)電機。具體結構為：摩擦發(fā)電單元包括：第一基板101；摩擦層102；第一電極層103，第二電極層104；第一電極層103與第二電極層104下表面接觸設置有第二基板105。靜電振動式開關，包括一個彈性振子501、一個接觸端502，其中，彈性振子501通過導線與第一電極層103相連，接觸端502通過導線與第二電極層104相連。

靜電振動式開關的長度應適當，一般而言，振動開關的長度越長，其振動頻率越低，所述發(fā)電機的輸出電壓也就相應增加。本領域技術人員可以根據(jù)實際需要的發(fā)電機輸出功率，選擇不同的靜電振動開關長度，開關長度的不同不應限定本發(fā)明的保護范圍。

靜電振動式開關的彈性振子501、接觸端502的固定有多種方式，在這里不做特別限定，只需要滿足彈性振子與接觸端通過靜電作用能夠接觸，并且彈性振子在振動的過程中能夠保持相對穩(wěn)定即可。導電材料的彈性振子501和接觸端502的材料可以選自金屬或合金；所述金屬選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或錫；所述合金選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或錫形成的合金、不銹鋼。本領域的技術人員可以根據(jù)實際使用情況進行合適的選擇，具體材料的選擇不應限定本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機可以在第一電極層103與靜電振動式開關之間(或者在第二電極層104與靜電振動式開關之間)作為發(fā)電機的輸出端連接整流元件(整流橋)及需要供電的負載(在本申請的所有附圖中均未畫出所述負載)，在摩擦發(fā)電單元的往復運動過程中，摩擦發(fā)電單元的電學輸出受到靜電振動開關的控制。當靜電振動式開關斷開時，摩擦納米發(fā)電機處于斷路狀態(tài)，負載上沒有電流產生；當摩擦發(fā)電單元驅動靜電振動式開關閉合的瞬間，摩擦納米發(fā)電機處于閉路狀態(tài)，并產生瞬時的大功率輸出。

本發(fā)明的發(fā)電機中，第一基板101和第二基板105主要起支撐和保護摩擦層和電極層的作用，其材料和結構可以參考摩擦層和電極層的結構和尺寸，對發(fā)電機的發(fā)電過程無影響。只需滿足第二基板105采用絕緣材料即可，如有機玻璃等。

下面以圖3所示的摩擦納米發(fā)電機結構為例，介紹發(fā)電機的工作原理。圖4是自驅動靜電振動開關式摩擦納米發(fā)電機的發(fā)電工作原理示意圖。設置在第二基板105上表面的第一電極層103和第二電極層104既是電極層也是第二摩擦層。發(fā)電機在未經摩擦的自然狀態(tài)時，第一摩擦層置于第一電極層之上，在本發(fā)明的示例中，第一摩擦層的材料處于摩擦序列表的更負的位置，電極層的材料處于摩擦序列表的更正的位置。因此，當?shù)谝荒Σ翆?02下表面與第一電極層103上表面接觸時，第一摩擦層102的下表面產生負的接觸電荷，第一電極層103的上表面產生正的接觸電荷。此時，由于正、負接觸電荷在垂直方向上沒有分離，因此在第一摩擦層未曾橫向摩擦運動的初始狀態(tài)，正負電荷所產生的電場相互抵消，第一電極層103和第二電極層104之間沒有產生電勢差。此時，靜電振動式開關未受到靜電力的作用，處于斷開狀態(tài)，在第一電極層103和第二電極層104之間沒有電流流過，如圖4a所示。當?shù)谝荒Σ翆釉谕饬Φ淖饔孟卵刂椒较蛴傻谝浑姌O層向第二電極層的方向滑動時，第一摩擦層102與第一電極層103部分分離，第一電極層103中有部分的正電荷不能被屏蔽。因此，在第一電極層103與第二電極層104之間產生電勢差，由于靜電振動式開關中的彈性振子501和接觸端502通過導線分別與第一電極層103及第二電極層104連接，因此，彈性振子501與接觸端502之間也存在電勢差，因此彈性振子與接觸端之間產生靜電引力。但是由于此時電勢差較小，靜電振動開關中產生的靜電引力不足以誘使彈性振子振動，靜電振動開關仍處于斷開狀態(tài)，如圖4b所示。當?shù)谝荒Σ翆永^續(xù)由第一電極層向第二電極層滑動，兩電極層之間的電勢差不斷加大，相應的，彈性振子501與接觸端502之間的靜電引力也不斷加大，當二者之間產生的靜電引力大到足以克服彈性振子501的彈性應力時，彈性振子501與接觸端502相接觸，靜電振動開關處于閉合狀態(tài)，如圖4c所示。隨著振動開關的閉合，第一電極層103與第二電極層104相連，發(fā)電機處于聯(lián)通的狀態(tài)，產生由第一電極層103流向第二電極層104的電流，使兩個電極層之間的電勢差逐漸減少直至消失。此時，靜電振動式開關中的彈性振子501與接觸端502之間不存在靜電吸引作用，彈性振子在其自身彈性回復力的作用下向其平衡位置進行回復運動，與接觸端相分離，使兩個電極層處于斷開的狀態(tài)，如圖4d所示。之后，當?shù)谝荒Σ翆永^續(xù)向右運動時，電極層中的正電荷無法被完全中和，第一電極層103與第二電極層104之間再次產生電勢差，靜電振動式開關由于受到靜電吸引的作用，再次閉合，如圖4e所示。隨后，自驅動靜電振動開關沿著圖4a-4e所示的循環(huán)過程交替發(fā)生閉合和斷開，產生周期性的振動，使摩擦納米發(fā)電機產生高頻交變電流輸出。

本實施例提供的自驅動靜電振動開關式摩擦納米發(fā)電機中，靜電振動式開關使兩個電極層相連形成電學連通，靜電振動開關的振動由發(fā)電機自身的摩擦發(fā)電單元來驅動。在兩個摩擦層周期性的滑動過程中，兩個電極層上產生電勢差，當靜電振動式開關閉合時，兩個電極層得以連接，產生交變電流。發(fā)電機輸出電流的頻率由靜電振動開關的頻率決定，提高靜電振動開關的振動頻率可以提高發(fā)電機的輸出頻率。

彈性振子501的振動頻率由其長度來調節(jié)，長度越小，振子的振動頻率越大。實驗中發(fā)現(xiàn)，在一定的長度范圍內，發(fā)電機的輸出電量與彈性振子501的長度沒有明顯關系，而輸出電壓隨彈性振子的加長而增大。在實驗中，本發(fā)明人基于上述發(fā)電機的基本結構，在4cm-8cm的范圍內調節(jié)彈性振子的長度，并分別對其輸出特性進行測試。如圖5所示，本發(fā)明中所述自驅動靜電振動式開關摩擦納米發(fā)電機的輸出電量(Charge)與彈性振子的長度(Length)無明顯關系。而對于輸出電壓(Voltage)與彈性振子長度(L)的關系如圖6所示，當彈性振子的長度為4.3cm時，示例中所述發(fā)電機的最大輸出電壓約為200V，當彈性振子的長度為5.4cm時，該發(fā)電機的最大輸出電壓約為400V，而當彈性振子的長度增加至7.5cm時，發(fā)電機的最大輸出電壓可達600V。經過多次測量，均得到與上述實驗數(shù)據(jù)相近的結果，說明本實施例中所述發(fā)電機的輸出電壓與靜電振動開關中彈性振子的長度有關，且在適當范圍內，該發(fā)電機的輸出電壓隨彈性振子長度的增加而增加。雖然彈性振子長度的增加有利于發(fā)電機電壓的增加，但隨著彈性振子長度的增加，將會降低發(fā)電機的輸出頻率。因此，選取合適的彈性振子長度，對于發(fā)電機的應用具有重要作用。

摩擦發(fā)電單元中各部分均可以采用柔性材料，使的摩擦納米發(fā)電機可以在柔性器件領域應用。摩擦發(fā)電單元中第一部件與第二部件互相接觸或者滑動摩擦的表面可以為不同的形狀或者互補的形狀。例如，第一摩擦層的下表面與電極層的上表面均為平面，有利于摩擦層與電極層之間的滑動摩擦，增加其有效摩擦面積，進而使發(fā)電機的輸出功率得到提高。

第一電極層103、第二電極層104的材料可以選擇常用的電極材料，在這里不座特別限定。

摩擦層與第一基板之間，以及第一電極層、第二電極層與第二基板之間的固定可以采用常規(guī)的粘貼等固定方式。

對于只起支撐和固定作用的振動開關支架，其材料選擇無特別要求，優(yōu)選為絕緣材料，可以選自玻璃，有機玻璃，聚乙烯板材或聚氯乙烯等絕緣材料。

上述實施例中，靜電振動式開關中，彈性振子可以采用絲狀金屬，接觸端可以采用片狀金屬。當作為彈性振子的絲狀金屬與作為接觸端的片狀金屬接觸時，靜電振動式開關閉合。除了使用上述的靜電振動式開關外，還可以使用其他形式的靜電振動式開關。例如，可以采用具有較大彈性且寬度較窄的片狀金屬作為彈性振子。

下面以一個實際示例為例，說明自驅動靜電振動開關式摩擦納米發(fā)電機的制備過程和輸出特性。

首先，以亞克力板為材料，通過激光切割的方法加工第一基板101、第二基板105以及開關支架(在本申請的所有附圖中均未畫出所述開關支架)。其中第一基板的大小約為第二基板的二分之一。然后利用磁控濺射的方法分別在第二基板上表面的兩端平行蒸鍍厚度為100納米的Cu薄膜作為第一電極層103、第二電極層104，并同時利用第一電極層、第二電極層作為第二摩擦層。其中，第一電極層103與第二電極層104之間間隔約1-2mm。以聚四氟乙烯(PTFE)薄膜為材料，將PTFE薄膜均勻、平展的粘貼在第一基板101上，作為第一摩擦層101。切割直徑為0.2mm的Cu絲作為彈性振子501，利用金屬銅片作為接觸端502，利用開關支架將接觸端502固定于彈性振子501一側，彈性振子與接觸端之間的初始距離為1mm。彈性振子和接觸端分別和兩個電極層通過導線電連接。在第一摩擦層在兩個電極層上滑動摩擦的過程中，兩個電極層上產生電勢差，驅動靜電振動式開關閉合，產生交變電流。

當發(fā)電機在周期性的滑動摩擦過程中，可以在第一電極層及第二電極層之間輸出交流脈沖信號。圖7展示自驅動靜電振動開關式摩擦納米發(fā)電機的輸出特性電壓-電流輸出特性曲線，兩個電極層的電壓和電流具有相反的極性和相近的絕對值。曲線表明，多個發(fā)電周期內發(fā)電機的正電流和負電流交替出現(xiàn)，兩個同方向的電流峰之間的時間間隔是16.6ms，對應的輸出電流頻率為60Hz。圖8是發(fā)電機的輸出頻率和L之間的關系曲線，其中L是彈性振子的長度。曲線表明，輸出頻率隨著L的增大而減小，輸出頻率的變化范圍是10-60Hz。

本實施例的發(fā)電機輸出的電信號為交流脈沖電信號，可以在發(fā)電機的輸出端連接全橋整流器，將發(fā)電機的輸出信號整流為單向脈沖電信號。發(fā)電機輸出的單向脈沖電信號，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以用來給儲能元件充電，比如電容器或者鋰離子電池等，而儲存的電能能夠用來為便攜式小型電子設備提供電力，具有廣泛的應用前景。

實施例二：

本實施例中，電壓驅動開關采用空氣電離開關，摩擦納米發(fā)電機可以稱為自驅動空氣電離開關式摩擦納米發(fā)電機，具體結構參見圖9，是自驅動空氣電離開關式摩擦納米發(fā)電機的典型結構，包括：第一基板101，第一基板101下表面設置的第一摩擦層102；第二基板105的上表面接觸設置有第一電極層103及第二電極層104；導線401，使第一電極層103與放電針201連接；導線402，使第二電極層104與集電板202連接；空氣電離式開關，包括放電針201、集電板202，放電針201與集電板202之間存在空氣間隙。當放電針201與集電板202發(fā)生空氣擊穿時，兩個電極層103和104聯(lián)通，摩擦納米發(fā)電機產生脈沖輸出，在負載301上產生輸出功率。

基于摩擦發(fā)電單元自身的運動使空氣電離式開關產生“斷開”和“閉合”兩個不同的狀態(tài)，對電流的產生起到控制所用；空氣電離式開關閉合時，在兩個電極層之間產生一個瞬時的大電流、大功率的電學脈沖；空氣開關斷開時，摩擦納米發(fā)電機沒有電學輸出。

本實施例中，摩擦發(fā)電單元同樣采用滑動式摩擦層自由移動結構(SFT)摩擦發(fā)電單元，其各部分結構與實施例一中相同，這里不再重復。

空氣電離式開關的放電針201、集電板202的固定有多種方式，在這里不做特別限定，只需要滿足可以調節(jié)放電針201和集電板202之間的距離的條件。導電材料的放電針201和集電板202的材料可以選自金屬或金屬合金；所述金屬選自金、銀、鉑、鎢、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或錫等；所述合金選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或錫等形成的合金、不銹鋼。

空氣電離開關的電離方式和起始電壓受多種因素的影響，例如放電針201的尖端曲率半徑，放電針201和集電板202之間的距離，空氣的濕度等。通常，當金屬探針201與集電板202之間的距離小于1mm時，空氣電離開關將以空氣擊穿的方式發(fā)生電離。當金屬探針201與集電板202之間的距離較大，在1mm-20mm范圍時，空氣電離開關將以電暈放電的方式發(fā)生電離。下邊將分別討論兩種電離方式的電離開關摩擦納米發(fā)電機的工作原理。

圖9所示是空氣擊穿式電離開關摩擦納米發(fā)電機的結構示意圖，其工作原理示意圖如圖10所示。設置在第二基板105上表面的導電層103、104，既是兩個電極層也是第二摩擦層。第一摩擦層的材料(例如聚合物材料PTFE)處于摩擦序列表的更負的位置，電極層的材料(例如Cu)處于摩擦序列表的更正的位置。因此，當?shù)谝荒Σ翆?02下表面與第一電極層103上表面接觸時，第一摩擦層102的下表面產生負的接觸電荷，第一電極層103的上表面產生正的接觸電荷。初始狀態(tài)，第一摩擦層尚未滑動時，由于第一摩擦層與第一電極層完全接觸尚未分離，此時，正負電荷所產生的電場相互抵消，第一、二電極層之間沒有產生電勢差?？諝怆婋x開關處于斷開狀態(tài)，回路中沒有電流，如圖10a所示。在第一摩擦層101向右滑動的過程中，兩個電極層103和104之間的電勢差逐漸增大。當電勢差達到電離開關發(fā)生空氣擊穿的起始電壓時，放電針201和集電板202之間的空氣發(fā)生電離，電離產生的正負離子將放電針201和集電板202直接聯(lián)通，使空氣開關處于閉合狀態(tài)，如圖10b所示。隨著空氣電離開關的閉合，第一電極103上的正電荷向第二電極102流動，產生瞬時脈沖電流。隨著電流的流動，兩個電極之間的電勢差降為零，空氣電離開關重新回到斷開狀態(tài)，如圖10c所示。當?shù)谝荒Σ翆?02繼續(xù)向右運動時，兩個電極層103和104之間的電勢差逐漸增大。當電勢差達到電離開關發(fā)生空氣擊穿的起始電壓時，放電針201和集電板202之間再次發(fā)生空氣擊穿，使空氣電離開關處于閉合狀態(tài)，如圖10d所示。此后，隨著第一摩擦層102的往返周期運動，摩擦納米發(fā)電機將沿著10a-10d所示的循環(huán)過程產生脈沖電學輸出。

當金屬探針201與集電板202之間的距離較大，在2-20mm范圍內時，空氣電離開關將以電暈放電的方式發(fā)生電離。電暈放電式空氣電離開關摩擦納米發(fā)電機的示意圖如圖11所示。摩擦納米發(fā)電機的結構與圖1所示的空氣擊穿式空氣電離開關摩擦納米發(fā)電機的結構基本相同，唯一的差別是金屬探針201與集電板202之間的距離較大，此時僅在放電針201的附近產生的正負電離離子。電暈放電式空氣電離開關摩擦納米發(fā)電機的工作原理如圖12所示。圖12a是摩擦納米發(fā)電機的初始工作狀態(tài)，與圖10a所示相同，這里不再復述。當?shù)谝荒Σ翆?02向右運動時，兩個電極層103和104之間的電勢差逐漸增大。當電勢差達到電離開關發(fā)生電暈放電的起始電壓時，放電針201附近的空氣發(fā)生電離，產生正負電離離子，如圖12b所示。所產生的正負離子在電場的驅動下移動，使放電針201和集電板202之間聯(lián)通，使電離開關處于閉合狀態(tài)。隨著第一摩擦層102繼續(xù)向右運動，電荷在兩個電極層之間發(fā)生流動，產生電流，在此過程中，空氣電離開關在電壓的維持下一直處于電暈放電狀態(tài)，如圖12c所示。

本發(fā)明提供的自驅動空氣電離開關式摩擦納米發(fā)電機中，空氣電離式開關使兩個電極層形成電學連通，空氣電離開關的電離由發(fā)電機的機械運動所產生的電勢差來觸發(fā)。在兩個摩擦層周期性的滑動過程中，兩個電極層上產生電勢差，當兩個電極層通過空氣電離開關連通時，產生交變電流。發(fā)電機輸出特性由空氣電離開關的空氣間隙距離決定，調控空氣電離開關中的空氣間隙距離可以調控空氣電離開關的電離類型和起始電離電壓，進而調控摩擦納米發(fā)電機的電學輸出特性。

本發(fā)明的第一摩擦層102、第一、等二電極層103、104的厚度無特別要求，本發(fā)明優(yōu)選摩擦層為薄膜，厚度為10nm-5mm，優(yōu)選50nm-1mm，更優(yōu)選100nm-500μm。放電針201的針尖曲率半徑為1μm-500μm，優(yōu)選5μm-200μm，更優(yōu)選10μm-100μm。

本發(fā)明的發(fā)電機結構簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，在實際使用中，只需進行簡單的固定和封裝，即可應用在收集海浪、風能、機械和人體的運動等產生的機械能，具有廣泛的實際用途。

下面以一個實際示例為例，說明空氣電離開關式摩擦納米發(fā)電機的制備過程及摩擦層的表面修飾過程。

首先，以有機玻璃(PMMA)為材料，通過激光切割的方法加工第一基板101和第二基板105，并且第二基板的大小約為第一基板的二倍。然后截尺寸為6cm×6cm、厚度為100μm的PTFE薄膜，均勻平整的粘貼在第一基板101的上表面，作為第一摩擦層。然后截兩塊尺寸為6cm×6cm、厚度為100μm的Cu薄膜，利用雙面膠粘貼在第二基板105的上表面，作為第一、二電極層103、104。其中，第一電極層103與第二電極層104之間間隔約1-3mm。以曲率半徑為20μm的鎢放電針作為放電針201，放電針201的長度是20mm。以2cm×2cm的不銹鋼片作為集電板202。放電針201和集電板202固定在移動平臺上，通過引動平臺調控放電針201和集電板202之間的距離。第一摩擦層的下表面與第一、二電極層的上表面形狀大小相同。對自驅動空氣電離開關式摩擦納米發(fā)電機的輸出特性進行了測試，圖13為空氣擊穿式空氣電離摩擦納米發(fā)電機的輸出電流隨時間(Time)的變化曲線，空氣間隙為30μm，摩擦發(fā)電單元的運動頻率是200Hz，產生電流(Current)約為4微安的電學輸出。圖14為電暈放電式空氣電離摩擦納米發(fā)電機的輸出電流(Current)隨時間(Time)的變化曲線，空氣間隙為5mm，產生約為1微安正負交替的電學輸出。

本示例的發(fā)電機輸出的電信號為交流脈沖電信號，可以在發(fā)電機的輸出端(空氣電離開關和兩電極之間)連接全橋整流器，將發(fā)電機的輸出信號整流為單向脈沖電信號。發(fā)電機輸出的單向脈沖電信號，不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學等領域，還可以用來給儲能元件充電，比如電容器或者鋰離子電池等，而儲存的電能能夠用來為便攜式小型電子設備提供電力，具有廣泛的應用前景。

本實施例中電壓驅動開關采用的是空氣電離開關，在其他實施例中，也可以采用其他結構的電離開關，以適應不同的使用環(huán)境，現(xiàn)有的電離開關均可以適用于本發(fā)明。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施示例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施示例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施示例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內。