平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)、光束方向調(diào)節(jié)器和光衰減器組的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米及微/納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種平面滑 動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)及應(yīng)用其的光束方向調(diào)節(jié)器和雙路光衰減器組。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，王中林教授研究組發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機(jī)，其原理基于摩擦生電和靜電 感應(yīng)現(xiàn)象，將兩種鍍有金屬電極的高分子聚合物薄膜貼合在一起組成器件，在外力作用下 器件產(chǎn)生機(jī)械形變，導(dǎo)致兩層聚合物膜之間發(fā)生相互摩擦，兩種聚合物具有不同的得失電 子能力，從而產(chǎn)生電荷分離并形成電勢差，兩個(gè)金屬極板通過靜電感應(yīng)在表面生成感應(yīng)電 荷，感應(yīng)電荷在摩擦電電勢的驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)外電路即可形成電流。對于僅3cm 2大小的單層摩 擦納米發(fā)電機(jī)，其輸出電壓可以高達(dá)200~1000V，輸出電流為100 μ A，可以瞬時(shí)帶動(dòng)幾百 個(gè)LED燈、無線探測和傳感系統(tǒng)以及為手機(jī)電池充電等。摩擦納米發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是以柔性 聚合物膜為基本結(jié)構(gòu)，易加工，器件使用壽命長，容易和其他加工工藝集成，相比壓電納米 發(fā)電機(jī)和其他形式的能量采集器具有更高的輸出電壓和功率，可以為個(gè)人電子產(chǎn)品、環(huán)境 監(jiān)控、醫(yī)學(xué)科學(xué)等中的MEMS/NEMS器件提供自驅(qū)動(dòng)設(shè)備，有著巨大的商用和實(shí)用潛力。
[0003] 隨著微/納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS)技術(shù)的發(fā)展，及其在人體健康實(shí)時(shí)監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè) 施監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)以及軍事技術(shù)上的廣泛應(yīng)用，解決小范圍的用電問題顯得格外重 要。由于蓄電池技術(shù)具有供電持久性差、對環(huán)境污染嚴(yán)重和材料資源消耗大等局限性，無法 滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境和MEMS/NEMS技術(shù)日益發(fā)展的需求。因此，大力開發(fā)微納級可 持續(xù)性自驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)，解決MEMS/NEMS器件對可持續(xù)性自驅(qū)動(dòng)電源的需求將是未來科技 發(fā)展的一個(gè)重心。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)及應(yīng)用其的光束 方向調(diào)節(jié)器和雙路光衰減器組，以利用平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的高電壓驅(qū)動(dòng)壓電式 和靜電式的光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)對光束方向和強(qiáng)度的調(diào)控，解決微機(jī)械器件和MEMS器件對外電 源的依賴和自驅(qū)動(dòng)技術(shù)等問題。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)。該平面滑動(dòng)摩擦 納米發(fā)電機(jī)包括：動(dòng)摩擦塊120 ;下靜摩擦層110,位于動(dòng)摩擦塊120的下方，包括：沿第二 方向延伸的兩下摩擦塊-第一下摩擦塊111和第二下摩擦塊112，該兩下摩擦塊111、112沿 與第二方向正交的第一方向排列并彼此相互絕緣；以及上靜摩擦層130,位于動(dòng)摩擦塊120 的上方，包括沿第一方向延伸的兩上摩擦塊-第一上摩擦塊131和第二上摩擦塊132,該兩 上摩擦塊131、132沿第二方向排列并彼此相互絕緣；其中，下摩擦塊111、112的材料與上摩 擦塊131、132的材料相同或不同，且兩下摩擦塊111、112和兩上摩擦塊131、132的材料與 動(dòng)摩擦塊120的材料為位于摩擦電極序中不同位置的材料；當(dāng)動(dòng)摩擦塊120沿第一方向運(yùn) 動(dòng)時(shí)，其依次與下靜摩擦層的第一下摩擦塊111和第二下摩擦塊112產(chǎn)生摩擦，從而在該兩 下摩擦塊之間產(chǎn)生第一電勢差；當(dāng)動(dòng)摩擦塊沿第二方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其依次與上靜摩擦層的第 一上摩擦塊131和第二上摩擦塊132產(chǎn)生摩擦，從而在該個(gè)兩上摩擦塊之間產(chǎn)生第二電勢 差。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種應(yīng)用上述平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的光 束方向調(diào)節(jié)器。該光束方向調(diào)節(jié)器還包括：第一壓電雙晶片210 ;以及第二壓電雙晶片220， 其在水平面的投影與第一壓電雙晶片210在水平面的投影相互垂直；其中，平面滑動(dòng)摩擦 納米發(fā)電機(jī)中兩下摩擦塊111U12分別電性連接至第二壓電雙晶片220的兩電壓輸入端， 用于控制該第二壓電雙晶片220的彎曲變形；兩上摩擦塊131U32分別電性連接至第一壓 電雙晶片210的兩電壓輸入端，用于控制該第一壓電雙晶片210的彎曲變形。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，還提供了一種利用上述光束方向調(diào)節(jié)器的光束方向調(diào) 節(jié)方法。該光束方向調(diào)節(jié)方法中，光源的出射光束依次經(jīng)過第二壓電雙晶片220和第一壓 電雙晶片210末端的兩次反射后出射；平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中兩下摩擦塊111U12輸 出的電勢差用于驅(qū)動(dòng)第二壓電雙晶片220產(chǎn)生彎曲變形，從而使得出射光束在上下方向產(chǎn) 生位移；平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中兩上摩擦塊131U32輸出的電勢差用于驅(qū)動(dòng)第一壓電 雙晶片210產(chǎn)生彎曲變形，從而使得出射光束在左右方向產(chǎn)生位移。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種應(yīng)用上述平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的雙 路光衰減器組。該雙路光衰減器組還包括：第一光衰減器310 ;以及第二光衰減器320 ;其 中，平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中兩下摩擦塊（111U12)分別電性連接至第一光衰減器310 的兩電壓輸入端，由該兩上摩擦塊輸出的電勢差來控制該第一光衰減器310的衰減率；兩 上摩擦塊131、132電性連接至第二光衰減器320的兩電壓輸入端，由該兩下摩擦塊輸出的 電勢差來控制該第二光衰減器320的衰減率。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，還提供了一種利用上述雙路光衰減器組的主動(dòng)式光 衰減方法。該主動(dòng)式光衰減方法中，第一光衰減器310的前端通過光纖連接至第一激光 器330,后端通過光纖輸出，其電壓輸入端連接至平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中的兩下摩擦塊 111、112,由該兩下摩擦塊輸出的第一電勢差控制該第一光衰減器310的衰減率，進(jìn)而調(diào)節(jié) 第一激光器330的輸出功率；第二光衰減器320的前端通過光纖連接至第二激光器350,后 端通過光纖輸出，其電壓輸入端連接至平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中的兩上摩擦塊131、132， 由該兩上摩擦塊輸出的電勢差控制該第二光衰減器320的衰減率，進(jìn)而調(diào)節(jié)第二激光器 350的輸出功率。
[0012] (三）有益效果
[0013] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)及應(yīng)用其的光束方向 調(diào)節(jié)器和雙路光衰減器組具有以下有益效果：
[0014] (1)通過平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，直接用于對微 執(zhí)行器供電，避免了使用蓄電池技術(shù)所帶來了供電持久性差、對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，具有 加工能耗低、材料綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；
[0015] ⑵能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀運(yùn)動(dòng)對微觀運(yùn)動(dòng)的控制，無需外接電源和機(jī)械連接，對實(shí)現(xiàn)高 效、節(jié)能的MEMS/NEMS器件、微/納機(jī)器人、光開關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有積極意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為圖1所示平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)在X方向運(yùn)動(dòng)的工作原理圖；
[0018] 圖3為圖1所示平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)在Y方向運(yùn)動(dòng)的工作原理圖；
[0019] 圖4為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例光束方向調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5為圖4所示光束方向調(diào)節(jié)器中壓電雙晶片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖6為圖4所示光束方向調(diào)節(jié)器中平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中動(dòng)摩擦塊分別在X 和Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光點(diǎn)在接收屏上位移的測試結(jié)果；
[0022] 圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例雙路光衰減器組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖8為圖7所示雙路光衰減器組中光衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖9為圖7所示雙路光衰減組中平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)中動(dòng)摩擦塊分別在X和 Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩路光功率衰減的測試結(jié)果。
[0025] 【本發(fā)明主要元件符號說明】
[0026] 100-平面滑動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)；
[0027] 110-下靜摩擦層；
[0028] 111-第一下摩擦塊； 112-第二下摩擦塊；
[0029] 120-動(dòng)摩擦塊；
[0030] 130-上靜摩擦層；
[0031] 131-第一上摩擦塊； 132-第二上摩擦塊；
[0032] 200-光束方向調(diào)節(jié)器
[0033] 210-第一壓電雙晶片；
[0034] 211-上片壓電片； 221-下片壓電片；
[0035] 220-第二壓電雙晶片；
[0036] 230-激光器；
[0037] 300-雙路光衰減器組
[0038] 310-第一光衰減器；
[0039] 311-左固定件