納米發(fā)電機(jī)專利技術(shù)分析

李亞偉（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450002）

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納米發(fā)電機(jī)專利技術(shù)分析

李亞偉
（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：納米發(fā)電機(jī)是一項(xiàng)近年興起的多領(lǐng)域相互交融的科學(xué)研究，它能夠采集微弱的能量波動，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｋS著微機(jī)電系統(tǒng)的快速進(jìn)步，對其能量的供給方面提出了更高的要求：超低功耗、便攜性等，而基于外界環(huán)境能量波動的納米發(fā)電機(jī)具有微型、耐用、高效等優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到納米等級的能量轉(zhuǎn)變，是解決微機(jī)電系統(tǒng)電源供給的有效途徑。本文結(jié)合納米發(fā)電機(jī)國內(nèi)的專利申請，對納米發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)介紹。

關(guān)鍵詞：納米發(fā)電機(jī)；能量波動；超低功率；便攜性；專利

基于法拉第電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)往往設(shè)置較多的線圈、通電部件和絕緣部件，這就增加發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和體積，其可移植性大大降低。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比，納米發(fā)電機(jī)能充分利用外界微弱能源，并將其轉(zhuǎn)化電能。而納米發(fā)電機(jī)將納米程度的能量轉(zhuǎn)化為電能，這使得納米發(fā)電機(jī)可采集環(huán)境中的機(jī)械能、熱能等形式的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

截止到目前，根據(jù)所轉(zhuǎn)化的外界能量形式的不同，納米發(fā)電機(jī)主要分為：壓電式、摩擦式、熱電式、復(fù)合式［1］。其中壓電式納米發(fā)電機(jī)發(fā)明于2006年，通常應(yīng)用于周期性輸出動能的場合，例如用于可穿戴系統(tǒng)的供電系統(tǒng)采取收集人步行時(shí)產(chǎn)生的能量。摩擦電式納米發(fā)電機(jī)所能收集能量范圍更廣，可以收集各種摩擦的能量，與日常工作、生活密切相關(guān)。熱電式納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生電壓值與外界溫度相關(guān)，可提高發(fā)電效率，復(fù)合式納米發(fā)電機(jī)則上述三種形式納米發(fā)電機(jī)根據(jù)應(yīng)用的具體需求進(jìn)行有機(jī)組合。

納米發(fā)電機(jī)的主要用途體現(xiàn)在：人體植入式電子設(shè)備、路面振動發(fā)電、聲波發(fā)電等方面。納米發(fā)電機(jī)不僅具有高效率轉(zhuǎn)換能力，而且可使得工作裝置和能源供給同時(shí)微納化，使得工作裝置在不依靠外界電源的情況下連續(xù)工作，具有極其重要的研究價(jià)值。本文主要從納米發(fā)電機(jī)的外界能量采集方式這一角度對納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行分類，在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫中挑選出具有代表性的專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析。

1　納米發(fā)電機(jī)技術(shù)分類

1.1壓電式納米發(fā)電機(jī)

壓電式納米發(fā)電機(jī)是采用納米結(jié)構(gòu)的壓電材料，用于采集周圍環(huán)境的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能的器件。

在這一技術(shù)領(lǐng)域中，代表性的發(fā)明專利文獻(xiàn)有［3］：

發(fā)明名稱：集成納米發(fā)電機(jī)及其制備方法；

申請人：納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司；

公開號：CN103516255A；

公開日：2014年01月15日；

圖1

圖2

如圖1所示，納米發(fā)電機(jī)包括：下電極層、氧化鋅種子層、氧化鋅納米線陣列（ZnO NW）、PMMA絕緣層和上電極層，氧化鋅納米線陣列垂直生長在下電極層上，氧化鋅納米線陣列上涂覆PMMA絕緣層、PMMA絕緣層將氧化鋅納米線陣列覆蓋，上電極層設(shè)置在PMMA絕緣層，同時(shí)上電極層兼做另一個(gè)納米發(fā)電機(jī)的下電極層。

此項(xiàng)發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問題是：單個(gè)納米發(fā)電機(jī)在工作時(shí)，雖然能產(chǎn)生電能，但其功率有限，需用大量的納米發(fā)電機(jī)協(xié)同工作，組成發(fā)電機(jī)組，進(jìn)而滿足實(shí)際使用需求。

為解決該技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)手段是，如圖2所示納米發(fā)電機(jī)在垂直于金屬層上進(jìn)行串聯(lián)M，串聯(lián)集成單元M在垂直于金屬層上的平面內(nèi)平行集成，進(jìn)而形成本發(fā)明的集成納米發(fā)電機(jī)。

1.2摩擦式納米發(fā)電機(jī)

摩擦式納米發(fā)電機(jī)的典型構(gòu)造，是在聚合物材料的外層覆蓋片形電極層，位于內(nèi)表面分別是兩種不同材質(zhì)的聚合物，根據(jù)摩擦電極序的不同，在兩種材質(zhì)的聚合物接觸時(shí)，正電荷從摩擦電極序中極性較負(fù)的材料表層轉(zhuǎn)移到摩擦電極序列中極性較正的材料表層。接觸電荷僅是指摩擦電極序極性存在差異的材料在彼此接觸并分離后其表面所帶有的電荷，這些接觸電荷不僅能持續(xù)較長的時(shí)間，而且能通過再次摩擦接觸得到再次補(bǔ)充。在周期性的距離變化過程中，可以通過外部電路的誘導(dǎo)得到交變電流［4］。

相較于其他類型，摩擦式納米發(fā)電機(jī)在材料和工藝上更具有規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，便于應(yīng)用于日常生活中。近些年，摩擦式納米發(fā)電機(jī)的專利申請量明顯增多，按照接觸電荷形成方式的不同，又細(xì)分為四類：（1）垂直接觸分離式；（2）橫向滑動式；（3）自由摩擦層式；（4）單電極式。其中以第一種形式最為常見。

垂直接觸分離式的結(jié)構(gòu)利于收集垂直方向的機(jī)械形變能量，通常在兩種材質(zhì)之間留有一定的空隙，兩種材質(zhì)的外表面覆蓋有感應(yīng)電極層，材質(zhì)摩擦接觸后，產(chǎn)生出接觸電荷，依靠感應(yīng)電極層和外部電路形成的電流回路，進(jìn)而引發(fā)電子運(yùn)動。

摩擦式納米發(fā)電領(lǐng)域中，代表性的發(fā)明專利有［5］：發(fā)明名稱：靜電脈沖發(fā)電機(jī)和直流脈沖發(fā)電機(jī)；

申請人：國家納米科學(xué)中心

公開號：CN103368447A；

公開日：2013年10月23日；

圖3

如圖3所示，發(fā)電機(jī)位于襯底101上，且其整體呈現(xiàn)層狀，發(fā)電機(jī)從下至上依次包括第一電極層102、第一絕緣薄膜層103、絕緣支撐體104、第二絕緣薄膜層105和第二電極層106，絕緣薄膜層103和105的材質(zhì)存在摩擦電極序差，絕緣支撐體104使得兩層絕緣薄膜層之間形成空隙107。

該項(xiàng)發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問題是：微型電子元器件所需的能源系統(tǒng)需要新型的供電方式，然而傳統(tǒng)的電池供電存在：體積大、質(zhì)量重、壽命短、成本高、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，本申請的靜電脈沖發(fā)電機(jī)和直流脈沖發(fā)電機(jī)將自然存在的機(jī)械能，借助材質(zhì)之間的摩擦接觸轉(zhuǎn)化為電能，為微型電子元器件提供了相匹配的能源供給，且可以為儲能元件充電，比如電容器、鋰電池等。

為解決該技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)手段是：在外力F的沖擊下，兩層絕緣薄膜層相互接觸，并發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在外力撤消后，由于絕緣支撐體的回復(fù)力作用，兩層絕緣薄膜層進(jìn)行分離，并形成接觸電荷，外加負(fù)載的情形下，該電勢差造成自由電子在兩金屬電極間重新分布，以平衡電勢差，從而形成通過負(fù)載的脈沖電流；在分離和靠近過程中產(chǎn)生相反的電勢差，脈沖電流的流向相反，在周期性外力的作用下輸出相應(yīng)頻率的脈沖交流電。

1.3熱電式納米發(fā)電機(jī)

熱電式納米發(fā)電機(jī)通常采取的結(jié)構(gòu)形式是壓電納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)相結(jié)合的形式，這樣可同時(shí)收集外界的機(jī)械能和熱能。在實(shí)際應(yīng)用中，物體在產(chǎn)生機(jī)械能的同時(shí)，往往伴隨著熱能的耗散。

熱電式納米發(fā)電領(lǐng)域中，代表性的發(fā)明專利有［6］：發(fā)明名稱：一種復(fù)合式納米發(fā)電機(jī)及其制備方法；

申請人：國家納米科學(xué)中心

公開號：CN103354240A；

公開日：2013年10月16日；

圖4

如圖4所示，熱電發(fā)電機(jī)110位于壓電納米發(fā)電機(jī)100的下面，兩者之間是上下堆疊的形式，熱電發(fā)電機(jī)110具有壓電納米發(fā)電機(jī)100的底部電極10下的導(dǎo)熱元件14、上絕緣層15、熱電PN層、下絕緣層17、下導(dǎo)熱元件18；壓電納米發(fā)電機(jī)100具有底電極10、壓電納米結(jié)構(gòu)層11、絕緣層12、頂電極13。

該項(xiàng)發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問題是如何提高能量轉(zhuǎn)化效率，充分利用外界耗散的熱能。

為解決該技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是壓電發(fā)電機(jī)基于壓電納米結(jié)構(gòu)層發(fā)電，而熱電發(fā)電機(jī)基于溫差電動勢效應(yīng)，在兩端導(dǎo)熱元件產(chǎn)生溫差時(shí)，形成定向流動的電流。

1.4復(fù)合式納米發(fā)電機(jī)

復(fù)合納米發(fā)電機(jī)兼具兩種或多種外界能量采集方式，在功率、電壓、電流等方面比單一形式的納米發(fā)電機(jī)具有優(yōu)勢［7］。

復(fù)合式納米發(fā)電領(lǐng)域中，代表性的發(fā)明專利有［8］-［9］：（1）發(fā)明名稱：基于壓電和摩擦電耦合的柔性微型能量采集器及制備方法；

申請人：上海交通大學(xué)

公開號：CN103532430A；

公開日：2014年01月22日；

圖5

如圖5所示，外界能量的采集通過摩擦電的泵充效應(yīng)和壓電效應(yīng)，1為壓電層、2為電極層、3為摩擦層、4為襯底層，在外力沖擊時(shí)，壓電層內(nèi)部會有形變，進(jìn)而輸出電壓，靜電摩擦層的凸起在于電極或其他聚合物的作用下進(jìn)行摩擦，同樣輸出電壓，共有一組壓電電壓，兩組摩擦電電壓。

該項(xiàng)發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問題是：擴(kuò)展微電子器件的應(yīng)用范圍。

為解決該技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是采用對稱三明治結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)摩擦電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，使得微型能量采集器在多種頻率范圍內(nèi)均有電能輸出。

（2）發(fā)明名稱：壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機(jī)

申請人：納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司

公開號：CN103475262A；

公開日：2013.12.25；

圖6

如圖6所示，第一壓電發(fā)電機(jī)位于上部，第二壓電發(fā)電機(jī)位于下部，摩擦電發(fā)電機(jī)位于第一壓電發(fā)電機(jī)和第二壓電發(fā)電機(jī)之間，摩擦電發(fā)電機(jī)分別與第一壓電發(fā)電機(jī)、第二壓電發(fā)電機(jī)共用一個(gè)電極。第一壓電發(fā)電機(jī)具有電極17、高分子聚合物絕緣層16、納米線陣列15、電極11，納米線陣列15垂直生長于電極11的一表面，電極11的另一表面與高分子絕緣層10鍍在一起，高分子絕緣層16位于納米線陣列15之上，電極17位于高分子絕緣層16的表面。第二壓電發(fā)電機(jī)具有電極20、高分子聚合物絕緣層19、納米線陣列18和電極13，納米線陣列18垂直生長于電極13的一表面，電極13的另一表面與高分子聚合物絕緣層12鍍在一起，高分子絕緣層12位于電極13至上，電極20位于高分子絕緣層19的表面。而摩擦電發(fā)電機(jī)具有電極11、高分子聚合物絕緣層10、居間薄膜14、高分子聚合物絕緣層12和電極13。

該項(xiàng)發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問題是：提高輸出電流或單位面積的輸出功率，進(jìn)而提高發(fā)電效率。

為解決該技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是本申請中的混合納米發(fā)電機(jī)的每層向同一方向彎曲時(shí)，居間薄膜14的微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與高分子聚合物10的表層摩擦產(chǎn)生靜電荷，進(jìn)而使得電極11、13之間的電容產(chǎn)生改變，從而使得電極11、13之間產(chǎn)生電勢差；而第一和第二壓電發(fā)電機(jī)主要靠電極之間的納米線陣列的彎曲、恢復(fù)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)而發(fā)電。

2　總結(jié)

納米發(fā)電機(jī)這一理念的提出開創(chuàng)了納米尺度的機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，這是納米科技發(fā)展進(jìn)程中的重要里程碑。納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了無序、量度小能量的轉(zhuǎn)換與利用，它在主動式自驅(qū)動傳感、海洋能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、人體植入式電子設(shè)備等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。本文從壓電式、摩擦式、熱電式、復(fù)合式等四個(gè)方面，選取了具有代表性的專利文獻(xiàn)，詳細(xì)介紹了納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理等。隨著納米發(fā)電機(jī)的研究深入，我國相關(guān)的專利申請量也在逐年上升，相關(guān)的研究成果會越來越豐碩，納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景會越來越寬廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］王中林.新興尖端技術(shù)-納米發(fā)電機(jī)和納米壓電電子學(xué)［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2009，7（6）：1-6.

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［9］范鳳茹，等.壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機(jī)，中國CN103475262［P］，2013.

中圖分類號：TM359.9 H02N2/18。 H02N1/04。 H01L27/16。 H02N2/18。 H02N2/18。

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-12-25

作者簡介：李亞偉（1984-），男，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：特種電機(jī)及新能源發(fā)電。納米發(fā)電機(jī)的誕生，正是王中林教授利用原子力顯微鏡探針彎曲豎直排列的氧化鋅納米線，進(jìn)而由氧化鋅的壓電效應(yīng)產(chǎn)生極化電荷，借助原子力顯微鏡探針接通外部回路，產(chǎn)生可利用的電信號［2］。

Study on the Patent Technology for Nanogenerators

Li Yawei
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract：Nanogenerator is a new interdisciplinary research in recent years；it can harvest feeble energy fluctuation and transform the energy to electricity.With the progress of Micro-electromechanical Systems（MEMS），higher re?quirement is put forward，such as ultra-low power consumption，portability.Based on fluctuation of external energy，nanogenerator has many advantages：miniature，durable，efficient，it can achieve energy transformation of nano-level，and it provides an effective method to solve power supply of MEMS.In this article，related introduction is demonstrat?ed based on patent application in China.

Keywords：Nanogenerator；energy fluctuation；ultra-low power；portability；patent