阅读说明：本技术 自供能电子设备 (Self-powered electronic equipment ) 是由 张弛 刘国旭 杨航 郭桐 其他发明人请求不公开姓名 于 2018-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自供能电子设备,电子设备包括：发电模块,用于收集生物机械能并将所述生物机械能转换成电能；管理模块,所述管理模块与所述发电模块电连接,所述管理模块用于降低所述发电模块的匹配阻抗并转化和/或存储所述电能；以及显示模块,所述显示模块与所述管理模块电连接,所述电能用于供给所述显示模块,所述显示模块用于显示电子信息。本发明提供的电子设备可应用于日常使用,能够完全利用人体自身的机械能为电子设备持续供能。(The invention provides a self-powered electronic device, comprising: the power generation module is used for collecting the biological mechanical energy and converting the biological mechanical energy into electric energy; the management module is electrically connected with the power generation module and is used for reducing the matching impedance of the power generation module and converting and/or storing the electric energy; and the display module is electrically connected with the management module, the electric energy is used for supplying the display module, and the display module is used for displaying electronic information. The electronic equipment provided by the invention can be applied to daily use, and can continuously supply energy to the electronic equipment by completely utilizing the self mechanical energy of a human body.)

自供能电子设备

技术领域

本发明涉及能量技术领域，尤其涉及一种自供能电子设备。

背景技术

随着社会对能源需求的日益增长，能源问题变得越来越尖锐，寻求清洁、可再生的能源越来越受到全球科学家的关注。同时，人们也从自身来审视能源的问题。人类每天的大量运动会产生大量的机械能，而这些机械能没有加以利用就白白浪费了，如何从这些能源里进行二次回收，逐渐成为主流科学领域探索的问题。摩擦纳米发电机是一种很好的生物机械能二次回收的媒介，它可以将生物机械能转化成电能从而加以利用。而制作此类摩擦发电机的材料来源广泛，并且可以根据不同的应用领域设计不同的发电机形式。所以摩擦发电机越来越受到科研工作者的关注。

目前，智能化的电子设备越来越受到公众的关注，柔性、便携的微电子器件也越来越普遍，但是能源问题仍然是阻碍类似设备的瓶颈。微电子器件需要频繁充电，这使得微电子器件的使用变得极为不便。同时，可以看到，电子设备中均含有电池，但是电池富含许多对环境有害的物质，对于电池的处理极为麻烦。所以对新的可替代能源的需求刻不容缓。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种将生物机械能转换成电能来给自身供能的电子设备，它可以自主地从人体的运动中收集机械能，将其转换成电能供应给显示模块，使得电子设备可以在人体机械能的驱动下持续正常的工作。

根据本发明的一个方面，提供一种自供能电子设备，该自供能电子设备包括：外壳；发电模块，用于收集生物机械能并将生物机械能转换成电能；管理模块，管理模块与发电模块电连接，管理模块用于降低发电模块的匹配阻抗并转化和/或存储电能；以及显示模块，显示模块与管理模块电连接，电能用于供给显示模块，显示模块用于显示电子信息。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，发电模块包括摩擦纳米发电机。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，摩擦纳米发电机包括：第一电极层；设置在第一电极层的表面的绝缘层；以及与绝缘层相对设置的摩擦电极层，摩擦电极层与绝缘层具有能够变化的预定距离。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，摩擦纳米发电机还包括多个基底层，在所述多个基底层中的相邻的基底层之间设置弹簧，所述第一电极层设置在基底层的第一表面上，所述摩擦电极层设置在与所述基底层相邻的另一基底层的第二表面上。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，摩擦纳米发电机为蜂窝状摩擦纳米发电机。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，摩擦纳米发电机设置在自供能电子设备的能够接受按压的位置处。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，发电模块与管理模块连接后，发电模块的匹配阻抗小于1MΩ。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，管理模块包括整流桥、能量提取器和滤波电路；整流桥的输入端与发电模块连接，输出端与能量提取器连接；能量提取器的另一端与滤波电路连接。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，能量提取器包括比较器和场效应晶体管，比较器的正极输入端和负极输入端分别连接整流桥的正极输出端和负极输出端，比较器的输出端连接场效应晶体管。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，滤波电路包括第一电容、第二电容和电感；第一电容正极连接电感，电感的另一端连接第二电容的正极，第一电容的负极连接第二电容的负极。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，第一电容的正极连接场效应晶体管，第一电容的负极连接比较器的负极输入端。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，第二电容与显示模块并联。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，第一电容的大小为20-30μF，优选为25μF。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，电感的大小为240-300mH，优选为270mH。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，整流桥的反向耐压值高于发电模块输出的开路电压的峰值。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，整流桥的恢复时间小于预定时间，预定时间由生物机械能的频率决定。

根据本发明的自供能电子设备的一些实施例，比较器的开启电压大于预定电压，预定电压为发电模块的电能最大化流入显示模块时比较器的最小电压。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点之一：

(1)通过将生物机械能转换成电能，本发明不需要外部提供电源；

(2)管理模块大大提高了能量的转换效率。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明实施例的自供能电子设备的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的工作原理图；

图3是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机安装位置的示意图；

图5是根据本发明实施例的自供能电子设备的外部连接图；

图6是根据本发明实施例的自供能电子设备的各模块嵌入顺序示意图；

图7是根据本发明实施例的一种自供能电子设备实际佩戴示意图；

图8是根据本发明实施例的自供能电子设备120小时测试示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种能够将生物机械能转换成电能的电子设备，可以自主从人体的运动中收集生物机械能，并转换为电能，通过管理模块的存储和转化，能最大化的将能量应用于显示模块，使得电子设备可以在人体机械能的驱动下持续正常的工作。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明。

图1是根据本发明实施例的自供能电子设备的结构示意图。如图1所示，该自供能电子设备包括用于收集来自外部的生物机械能并将生物机械能转换成电能的发电模块1；与发电模块1电连接的管理模块2，管理模块2用于降低发电模块1的匹配阻抗并转化和/或存储电能；以及与管理模块2电连接的显示模块3，显示模块3用于显示例如为时间的电子信息，电能应用于显示模块3。电子信息并不局限于时间信息，还可以包括步数、卡路里、温度、数字等信息，如果将电子设备与其他智能终端连接，还可以包括例如软件和通信信息。显示模块3还包括人机交互功能。例如，可以在显示模块3上设置按键，通过按键进行人机交互。在某些实施例中，例如电子设备为温度计，可以在显示模块上设置两个按键，当然按键的数目并不局限于此，一个按键可切换温度的显示方式，另一个按键可以对电源进行开启和关闭。在某些其他的实施例中，电子设备还可以是计算器，可以在显示模块上设置多个按键，通过按键实现计算功能。

管理模块2包括整流桥21、能量提取器22和滤波电路28。整流桥21的输入端与发电模块1连接，输出端与能量提取器22连接；能量提取器22的另一端与滤波电路28连接。滤波电路28包括第一电容23、第二电容24和电感25。第一电容23用于滤波，第二电容24用于存储电能。能量提取器22包括比较器26和场效应晶体管27，能量提取器22与第一电容23并联。第二电容24与显示模块3并联。

整流桥21由多个二极管构成，在本实施例中，整流桥21由四个二极管构成。整流桥21用于将输入的交流电转化成直流电。在本实施例中，整流桥21的输入端与发电模块1连接，输出端与能量提取器22连接，可以将由发电模块1输入的交流电转换成直流电输送到能量提取器22。在整流桥21的每个工作周期内，同一时间只有两个二极管进行工作，通过二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流电。

比较器26的正极输入端和负极输入端分别连接整流桥21的正极输出端和负极输出端，比较器26的输出端连接场效应晶体管27的栅极；场效应晶体管27的源极与比较器26的正极输入端连接，场效应晶体管27的漏极与第一电容23的正极连接，第一电容23的负极与比较器26的负极输入端连接；另外，电感25的一端与第一电容23的正极相连，电感25的另一端与第二电容24的正极相连，第一电容23的负极和第二电容24的负极相连，同时，第二电容24的正负极分别连接显示模块3的两端。通过比较器26控制场效应晶体管27的导通和截止，场效应集体管27输入阻抗高，耦合电容小，可以很方便的作为恒流充电源，用于为第二电容24充电。第二电容24将电能存储，并将电能提供给显示模块3，用于显示模块3的运行。

根据优选的实施例，发电模块1包括摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机可内置在穿戴设备上，再将穿戴设备固定在人体运动部位，在人体运动过程中，摩擦纳米发电机收集生物机械能并通过管理模块2存储、转化为电能。摩擦纳米发电机可以设置成蜂窝状，可以最大程度地收集生物机械能并将生物机械能转化成电能。摩擦纳米发电机产生的电能可以为交流电，管理模块2将交流电转化成直流电以便显示模块3使用。当然，在其他的实施例中，发电模块也可以直接产生直流电，管理模块2将产生的直流电进一步转化成适于显示模块3使用的电能。

在本实施例中，发电模块1中的摩擦纳米发电机不仅可以为柔性摩擦纳米发电机，也可以为收集振动能的摩擦纳米发电机，以及收集其他种类人体机械能的装置。在本实施例中，采用接触分离模式的摩擦纳米发电机。接触分离模式的摩擦纳米发电机可以通过接触和分离来产生电能，也即是可以通过按压产生电能。将接触分离模式的摩擦纳米发电机设置在电子设备上，当需要使用该电子设备时，按压该电子设备相应的位置，例如外壳，即可让电子设备持续工作一段时间。图2是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的工作原理图。如图2所示，接触分离模式摩擦纳米发电机包括摩擦电极层13、高分子聚合物绝缘层12和第一电极层11。

第一电极层11和高分子聚合物绝缘层12贴合在一起，摩擦电极层13和第一电极层11分别作为接触分离模式的摩擦纳米发电机的电信号的输出电极。在初始状态时，高分子聚合物绝缘层12与摩擦电极层13之间存在可以变化的预定间隙；在外力作用下所述高分子聚合物绝缘层12与摩擦电极层13发生相互接触。如图A所示，在接触分离模式的摩擦纳米发电机完全接触时，此时外界磁场恒定，且方向垂直纸面向里，由于摩擦起电的原理，摩擦电极层13与高分子聚合物绝缘层12将会带上等量、电性相反的电荷。如图B所示，在摩擦电极层13开始分离的过程中，由于静电感应的原理，第一电极层产生了静电荷，静电荷的产生会使第一电极层11和摩擦电极层13之间的电容发生改变，从而产生电势差。由于电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。如图C所示，当分离达到最大时，系统达到了静电平衡状态，此时外电路中无电流。如图D所示，当摩擦电极层13向高分子聚合物绝缘层12靠近时，此时在外电路中摩擦电极层13的电子将转移给第一电极层11。通过反复接触分离，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

图3是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图。摩擦纳米发电机包括多个基底层14，在多个基底层14中的相邻的基底层14之间设置弹簧15。基底层14是由坚固的且耐久性好的绝缘材料构成，例如可以是业克力。第一电极层11设置在基底层14的第一表面，并且在第一电极层11的与基底层14相对的表面上设置高分子聚合物绝缘层12，摩擦电极层13设置在与高分子聚合物绝缘层12相邻的另一个基底层14的第二表面。在本实施例中，第一表面是基底层14的下表面，第二表面是基底层14的上表面，在其他的实施例中，第一表面可以是基底层14的上表面，第二表面可以是基底层14的下表面。摩擦纳米发电机还包括支撑板16，支撑板16与多个基底层14的端部连接，例如可以是最下端，用于支撑多个基底层14。

在某些实施例中，第一电极层11和摩擦电极层13可以由金属、合金和导电氧化物任意组合，金属例如可以为以下中至少一种：金、银、铜、铝、铂、钯、铬和镍等，合金例如可以为以下中至少一种：铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金、锡合金等；导电的氧化物材料例如可以为铟锡氧化物(ITO)。

高分子聚合物绝缘层12可以为难失去电子的绝缘材料，例如聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯(FEP，四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙、聚酰胺尼龙、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林等，绝缘层的材料并不限定为一种，可以为上述材料中的一种或者多种。

在某些实施例中，高分子聚合物绝缘层12与摩擦电极层13的相对面具有微结构，该微结构可以是纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构中的任意组合，从而增大高分子聚合物绝缘层12与摩擦电极层13之间的接触面积，有利于电荷的产生和积累，因此可进一步提高生物机械能转化为电能的转化效率，提高摩擦纳米发电机的发电效率。对于该微结构，可以通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在高绝缘层的表面制备，也可以在制备绝缘层材料时直接形成。

图4是根据本发明实施例的摩擦纳米发电机安装位置的示意图。如图4所示，该自供能电子设备为计算器，可以将作为发电模块的摩擦纳米发电机安装在外壳内部，通过对相应外壳的按压使发电模块产生电能。

在本实施例中，摩擦纳米发电机输出的开路电压峰值是400-600V，输出短路电流峰值为100-170μA。本实施例中选择的显示模块的额定电流是0.4-1.2μA，额定电压是1.5-2.0V。基于此，在设计管理模块2时要在输入端满足高压冲击下，电子器件保持良好运转，又能将最大化的能量转移到显示模块3。在本实施例中，为了取得最高的能量转化效率，最大化应用到后端，并考虑到摩擦纳米发电机固有的超高电压、较低电流输出的特点，所以在本实施例中整流桥21的反向耐压值高于发电模块1输出的开路电压的峰值，也即是整流桥反向耐压值要高于600V，正向电压高于1.3V，正向电流大于1A，漏电流低于5μA。整流桥21的恢复时间小于预定时间，预定时间由生物机械能的频率决定。本实施例中人体生物机械能的频率介于1-10Hz之间，所以整流桥的相应恢复时间要小于1μs。在本实施例中，能量提取器的参数直接决定收集的生物机械能能否及时进行转换，为了使得摩擦发电机能充分接触并有稳定输出，比较器26的开启电压需要大于预定电压，预定电压为发电模块1的电能最大化流入显示模块3时比较器的最小电压，在本实施例中，预定电压为15V，所以将比较器26的开启电压设定为大于15V开启，这样能保证在本实例中摩擦纳米发电机的能量最大化流入后端。在滤波电路阶段中，根据滤波电容的选取原则，第一电容23应该介于20-30μF，优选为25μF。同时电感25的大小介于240-300mH之间，优选为270mH。

图5是根据本发明实施例的自供能电子设备的外部连接图。如图5所示，该自供能电子设备为电子表，其发电模块1和管理模块2可以设置在护肘或者护膝中，当然，在其他的实施例中，发电模块1和管理模块2也可以直接与显示模块3设置在一起，例如，直接设置在手上，当手摆动的时候会产生生物机械能，从而给电子设备提供电能。发电模块1可以设置在人体运动频率和幅度比较大的地方，例如脚底，这样更容易收集生物机械能。图5中的位置11示例性的展示了发电模块1可能设置的地方，当然，这并不是对发电模块1设置的地方进行限制，应当理解的是，人体一切可以运动的部位均可以设置发电模块1。图5中的12为至少内置有发电模块1的护肘，与显示模块3通过导线连接。当然，在其他的实施例中，内置有发电模块1的护肘可以通过蓝牙等无线方式与显示模块3连接。

摩擦纳米发电机在外部力的作用下输出的开路电压峰值大约为400-600V，摩擦纳米发电机在频率为1-10Hz的外部力的作用下，输出的短路电流峰值在100-170μA之间，短路电荷转移峰值大于200nC。本实施例中的外部力包括挤压力、拉力和摩擦纳米发电机自身在受到外部力作用后具有恢复原来形状的应力等。摩擦纳米发电机的内阻极大，如果显示模块3直接与摩擦纳米发电机进行匹配，匹配电阻将高达35-100MΩ，这样显示模块3很难获取摩擦纳米发电机的全部能量。在本实施例中，管理模块2与摩擦纳米发电机参数匹配，从而使得摩擦纳米发电机的匹配阻抗由35-100MΩ减小到不足1MΩ。这样可以将原来摩擦纳米发电机与显示模块3直接相连不足21％的能量转化效率提高到80％以上。摩擦纳米发电机与管理模块2连接后，在手臂以手肘为中心实现满摆的情况下，2-6次就可开启电子设备并可持续工作25s以上，其中本实施例中的电子设备的正常工作电流为3-6μA，正常工作电压为1.5-3.0V，因此正常工作的功率为4.5-18μW，可知在这个过程中通过摩擦纳米发电机收集、模块转化的能量大于0.45mJ。

图6是根据本发明实施例的自供能电子设备的各模块嵌入顺序示意图。如图6所示，a、b分别代表不同的嵌入顺序，从而具有不同的模块组合。a表示先将发电模块1和管理模块2整合为第一模块，然后嵌套到人体运动部位，在收集到生物机械能时直接进行存储和转化，将转化后的电能供给显示模块3。b表示先将管理模块2和显示模块3整合成第二模块，然后与发电模块1结合。

图7是根据本发明实施例的一种自供能电子设备的实际佩戴示意图。电子设备可以是电子表，如图7所示，将发电模块1、管理模块2以及显示模块3整合成一个器件，通过可穿戴设备(例如表带)佩戴在人体上，为了便于观察时间，优选为佩戴在手上。整个器件在人体运动过程中自主收集能量，自主供能，不需要提供外部诸如化学能等附带存储能源。

图8是根据本发明实施例的自供能电子设备的120小时测试示意图。如图8所示，在120小时内每隔10小时对电子设备进行测试，每次电子设备开始工作发电模块1就停止运动，在整个测试过程中，电子设备的工作时长并没有明显衰减，证明了本实施例电子设备的稳定性和发电模块1输出的持续性。

本发明提供的电子设备可以自主从人体的运动中收集机械能，并转换为电能，通过管理模块的存储和转化，能最大化的将能量应用于显示模块，使得电子设备可以在人体机械能的驱动下持续正常的工作。本发明所采用的摩擦纳米发电机可以多层叠加，输出功率也能够相应的提高。另外，由于采用薄膜电极和薄膜高分子聚合物作为摩擦层，相对厚度非常小，有利于减少电子设备的厚度与重量。且由于摩擦纳米发电机采集的能量经过特殊的电源管理模块，可以实现低频运动能量的高效收集，满足数次按压而不必持续按压摩擦纳米发电机，即可提供电子设备连续工作数十秒的需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。