技术领域 本发明涉及一种发电机， 特别是涉及将机械能转化为电能的滑动摩 擦发电机以及发电方法， 以及应用该滑动摩擦发电机的矢量位移传感器 。 背景技术 滑动摩擦电发电机的工作原理是基于两种不同 的摩擦电材料的相 互摩擦产生表面电荷转移， 但是， 所有已经报道的滑动摩擦发电机都是 基于导电金属沉积在摩擦电薄膜材料表面作为 电极层， 从而实现对外输 出电能。这种结构的滑动摩擦发电机结构复杂 ，导致器件制作成本增加， 另外， 现有的滑动摩擦发电机要求摩擦电材料的厚度 必须要在小尺度厚 度范围内， 典型的厚度小于 100微米， 由于摩擦电材料很薄， 这将使两 种摩擦电材料在滑动摩擦过程非常容易破坏摩 擦电材料， 从而导致发电 机不能继续正常工作。 因此， 现有滑动摩擦发电机的结构极大的妨碍了 这种摩擦电发电机的发展和应用。 发明内容 本发明提供一种结构简单的单电极式滑动摩擦 发电机， 能够将外力 的机械能转变为电能。

为实现上述目的， 本发明提供一种滑动摩擦发电机， 包括一个摩擦 层和一个电极层， 其中， 所述电极层电连接至等电位；

所述摩擦层的下表面与所述电极层的上表面相 对设置；

当所述电极层的上表面与所述摩擦层的下表面 在外力作用下发生 相对滑动， 同时摩擦面积在滑动过程中发生变化时， 在所述电极层和所 述等电位之间能够输出电信号。

优选的， 所述摩擦层的下表面材料与所述电极层上表面 材料存在电 极序差异。

优选的， 所述电极层通过负载连接至地或等电位电路。

优选的， 所述电极层通过外电路电连接至等电位， 所述外电路与负 载并联。

优选的， 所述电极层的上表面与所述摩擦层的下表面接 触设置。 优选的， 在未受外力时所述电极层与所述摩擦层不接触 ， 在外力作 用下所述电极层的上表面与所述摩擦层的下表 面接触。

优选的， 所述摩擦层的下表面材料选择绝缘体。

优选的， 所述绝缘体材料选自聚合物材料。

优选的，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲 酯、尼龙、聚乙烯醇、 聚酯、 聚异丁烯、 聚氨酯弹性海绵、 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚乙烯醇 缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、 聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、 聚偏二氯乙烯、 聚苯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚酰亚胺、 聚氯乙烯、 聚 二甲基硅氧垸、 聚四氟乙烯。

优选的， 所述摩擦层的厚度大于 lmm。

优选的， 所述电极层上表面的材料选自金属， 铟锡氧化物或有机物 导体。

优选的， 所述金属选自金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以 及由上述金属形成的合金； 所述有机物导体选自自聚吡咯、 聚苯硫醚、 聚酞菁类化合物、 聚苯胺和 /或聚噻吩。

优选的， 所述电极层为薄膜材料。

优选的， 所述电极层的厚度为 10 nm-5 mm。

优选的，所述电极层的上表面和 /或摩擦层的下表面全部或部分分布 有纳米、 微米或次微米量级的微结构， 所述微结构为纳米线、 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或者由该结构形成的阵 列， 或者所述微结构为纳 米材料的点缀或涂层。

优选的， 所述电极层的上表面和 /或摩擦层的下表面经过化学改性。 优选的， 在所述电极层的上表面和 /或摩擦层的下表面， 在摩擦电极 序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能 团， 或者在摩擦电极序相 对为负的材料表面引入更易得电子的官能团。

优选的， 在所述电极层的上表面和 /或摩擦层的下表面， 在极性为正 的摩擦层材料表面引入正电荷， 而在极性为负的摩擦层材料表面引入负 电荷。

优选的， 所述电极层的上表面为平面或曲面；

和 /或， 所述电极层的下表面为平面或曲面。

优选的， 所述电极层的上表面与所述摩擦层的下表面为 互补表面。 优选的， 所述摩擦层的下表面为凹凸结构的不平整表面 ， 所述电极 层的上表面为凹凸结构的不平整表面。

优选的， 所述电极层和 /或摩擦层为柔性材料或硬性材料。

优选的， 所述电极层和 /或摩擦层为弹性材料。

优选的， 该发电机还包括基板， 所述电极层设置在所述基板上。 优选的， 所述电极层由多个子电极构成， 每个所述子电极电连接至 等电位， 所述多个子电极的上表面形成所述电极层的上 表面； 当所述子 电极的上表面与所述摩擦层的下表面在外力作 用下发生相对滑动， 同时 摩擦面积在滑动过程中发生变化时， 在所述子电极和所述等电位之间能 够输出电信号。

优选的， 所述摩擦层的下表面不能同时与相邻的两个子 电极的上表 面接触和摩擦。

优选的， 所述子电极的形状为长条状或正方形条状。

优选的， 所述多个子电极按照预先设定的图形排列。

优选的， 所述摩擦层由多个摩擦单元构成， 所述多个摩擦单元的下 表面形成所述摩擦层的下表面。

相应的， 本发明还提供一种矢量位移传感器， 包括电极层由多个子 电极构成的发电机， 其中，

在每个所述子电极与等电位之间连接检测装置 ， 所述检测装置用于 检测所述电信号；

当所述摩擦层下表面与所述子电极上表面发生 滑动摩擦并且摩擦 面积发生改变时， 根据检测到所述电信号的检测装置的位置能够 确定所 述摩擦层的位置， 或者根据先后检测到电信号的检测装置的位置 确定所 述摩擦层的滑动距离、 滑动方向或滑动速度。

优选的， 所述检测装置为电流或电压检测装置， 所述电信号为电流 或电压信号；

或者， 所述检测装置为发光元件或发声元件， 当所述发光元件或发 声元件检测到所述电信号时输出光信号或声音 信号。

优选的， 在每个所述子电极与等电位之间还包括分压电 阻， 所述分 压电阻与所述检测装置并联或串联。

优选的， 所述发电机包括 16个子电极， 所述 16个子电极以 4个为 一组， 分布在四个方向上形成十字架结构， 每组中的 4个子电极平行等 距排列。

优选的， 所述 16个子电极为铝电极条， 所述铝电极条的宽度为 10 mm, 长度为 3 cm, 电极条之间的距离为 2 mm。

相应的， 本发明还提供一种发电方法， 包括：

提供通过负载连接至等电位的电极层；

摩擦层与所述电极层发生相对滑动摩擦、 并且导致摩擦面积变化， 所述负载上有电流流过。

与现有技术相比， 本发明具有下列有益效果：

1、 本发明的滑动摩擦发电机基于单电极， 只需要用一个摩擦电材 料和一个导电材料 （例如聚合物和金属材料）， 将导电材料电连接至等 电位，便可以制作成发电机，不再需要在摩擦 电材料的表面镀金属材料。 通过摩擦电材料和导电材料的不断接触和分离 就可以实现对外输出电 能。 本发明简化了发电机结构的同时， 还可以采用厚度较大的摩擦层材 料， 能够延长发电机的使用寿命。

2、 本发明的滑动摩擦发电机的电极层需要电连接 至等电位， 而摩 擦层则无需进行任何连接， 只要能够保证电极层与摩擦层之间能够互相 滑动摩擦并且在摩擦过程中摩擦面积发生变化 ， 即可对连接在电极层与 等电位之间的负载供电。 这种结构设计的发电机可以广泛应用在移动物 体上， 将移动过程中的相互摩擦转变为电能， 例如汽车轮胎与地面的摩 擦产生机械能的收集或者应用在触摸屏等领域 。

3、 本发明的滑动摩擦发电机的各部分都可以采用 柔性材料或弹性 材料， 因此， 可以与柔性器件结合使用。

4、 本发明提供的利用滑动摩擦发电机的矢量位移 传感器， 是一种 自驱动的传感器， 采用电极层由多个子电极构成的电极层， 摩擦层在子 电极上滑动或移动时， 连接在子电极与等电位之间的检测装置能够检 测 电信号， 不需要为传感器提供电源， 主要依靠物体在移动过程中， 先后 触发的摩擦层与子电极之间滑动摩擦产生的电 信号即可追踪移动物体 的移动方向、 移动距离和移动速度， 并且可以实现对物体位置的定位。 本发明的矢量位移传感器不需要额外提供电源 ， 除了可以应用在小型器 件例如触摸屏中， 也特别适用在不便于进行电源更换的环境中。 附图说明 通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特 征和优势将更加清晰。 在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分 。 并未刻意按实际尺寸等 比例缩放绘制附图， 重点在于示出本发明的主旨。

图 1为本发明滑动摩擦发电机的典型结构示意图� �

图 2为本发明滑动摩擦发电机的发电原理示意图� �

图 3为电极层设置在基板上的发电机结构示意图� �

图 4为电极层的上表面和摩擦层的下表面为弯曲� �面的发电机结构 示意图；

图 5和图 6为电极层的上表面和摩擦层的下表面为凹凸� �构不平整 表面的发电机结构示意图；

图 7和图 8为电极层由多个子电极构成的发电机的结构� �意图； 图 9至图 11为矢量位移传感器的一个具体实施例图片。 具体实施方式 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， 所描述的实施例仅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。

其次， 本发明结合示意图进行详细描述， 在详述本发明实施例时， 为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不 应限制本发明保护的范围。

现有的滑动摩擦发电机是通过两种摩擦电材料 互相摩擦产生表面 电荷转移从而将机械能转变为电能来发电， 这种结构需要在摩擦材料表 面制备导电材料层作为电极层， 不仅使发电机的结构复杂， 而且对摩擦 层的厚度要求较薄， 这将使两种摩擦电材料在滑动摩擦过程非常容 易破 坏摩擦电材料， 从而导致发电机不能继续正常工作。 本发明提供一种单 电极式的滑动摩擦发电机， 技术方案是， 依靠存在电极序差异的导电材 料和摩擦电材料之间的互相摩擦产生表面电荷 ， 并且通过将导电材料电 连接至等电位， 为连接在导电材料与等电位之间的负载或外电 路供电。

本发明中所述的 "摩擦电极序"，是指根据材料对电荷的吸引程� ��将 其进行的排序， 两种材料在相互摩擦的瞬间， 在摩擦面上负电荷从摩擦 电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极 序中极性较负的材料表 面。 例如， 高分子材料聚四氟乙烯 （Teflon) 与金属材料铝箔接触时， 铝箔带正电， 即得电子能力较弱， 高分子材料聚四氟乙烯 （Teflon) 带 负电， 即得电子能力较强； 而聚合物尼龙与铝箔接触时， 聚合物尼龙表 面带正电， 即得电子能力较弱， 铝箔带负电， 即得电子能力较强。 迄今 为止， 还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转 移的机制， 一般认 为， 这种电荷转移和材料的表面功函数相关， 通过电子或者离子在接触 面上的转移而实现电荷转移。 需要说明的是， 摩擦电极序只是一种基于 经验的统计结果， 即两种材料在该序列中相差越远， 接触后所产生电荷 的正负性和该序列相符合的几率就越大， 而且实际的结果受到多种因素 的影响， 比如材料表面粗糙度、 环境湿度和是否有相对摩擦等。

本发明中所述的 "接触电荷"， 是指在两种摩擦电极序极性存在差 异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的 电荷， 一般认为， 该电荷 只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为 10纳米。需要说明的是， 接触电荷的符号是净电荷的符号， 即在带有正接触电荷的材料表面的局 部地区可能存在负电荷的聚集区域， 但整个表面净电荷的符号为正。

下面结合附图详细介绍本发明滑动摩擦发电机 的具体实施方式。 本实施例的滑动摩擦发电机的典型结构参见图 1， 发电机包括一个 摩擦层 100和一个电极层 200，其中， 电极层 200电连接至等电位 300; 摩擦层 100的下表面与电极层 200的上表面相对设置； 当电极层 200的 上表面与摩擦层 100的下表面在外力作用下发生相对滑动摩擦、 同时摩 擦面积在滑动过程中发生变化时， 在电极层 200和等电位 300之间输出 电信号。 如果在电极层 200和等电位 300之间连接负载或外电路 400， 在负载或外电路 400有电流流过。

摩擦层 100与电极层 200的材料存在摩擦电极序差异， 在外力作用 下互相摩擦并且使互相接触的面积发生改变时 ， 能够为连接在电极层 200与等电位 300之间的负载或外电路 400提供电源。 下面以图 1的结 构为例详细介绍本发明的发电机的工作原理， 发电机各部分的结构、 材 料等信息。

本发明的发电机的工作原理参见图 2，由于摩擦层 100与电极层 200 的材料存在电极序差异，二者之间存在得电子 能力的差异，以摩擦层 100 得电子能力强而电极层 200更容易失去电子为例， 当电极层 200的上表 面与摩擦层 100的下表面接触时， 使摩擦层 100下表面带有负电荷， 而 电极层 200则带正电荷。如图 2中 a图所示。当外力 F作用下摩擦层 100 与电极层 200相对滑动并且使接触面积发生变化后，破坏 了在摩擦层 100 和电极层 200表面电荷的平衡，电子会从等电位 300向电极层 200流动， 如图 2中 b图所示， 从而使连接在电极层 200与等电位 300之间的负载 或外电路有电流流过。 当摩擦层 100和电极层 200完全分离后， 电极层 200上的正负电荷达到平衡， 并没有电子的流动， 如图 2中 c图所示。 当反方向的外力 F使摩擦层 100与电极层 200发生相对滑动，摩擦层 100 的下表面和电极层 200上表面互相摩擦并使接触面积改变， 将导致电子 从电极层 200向等电位流动， 对连接在电极层 200与等电位之间的负载 或外电路输出电流， 如图 2中 d图所示。 当摩擦层 100和电极层 200完 全接触后， 摩擦层 100与电极层 200的正负电荷平衡， 此时， 并没有电 子在外电路中流动， 如图 2中 a图所示， 在电极层 200与等电位之间观 察不到电流输出。 如此往复， 形成交流脉冲电流。

现有的依靠两种摩擦电材料进行摩擦并产生电 信号输出的发电机 中， 均需要在摩擦电材料的表面沉积电极层， 用于在两种摩擦电材料互 相摩擦而导致两种材料表面的电荷不平衡而产 生电势时传输电荷。 本发 明的滑动摩擦发电机与现有的滑动摩擦发电机 的不同之处在于， 两种摩 擦电材料中， 一种选择导电材料， 并将该导电材料与一等电位 （地或等 电势） 电连接， 负载或者外电路连接在电极层与等电位之间即 可， 不需 要在摩擦层的上表面设置电极层， 不仅简化了制备过程， 而且是一种应 用广泛的将机械能转变为电能的滑动摩擦发电 机。 另外， 由于不需要在 摩擦层的上表面制备电极层， 因此， 摩擦层的厚度不做特别限定， 优选 为大于 lmm， 以保证摩擦过程中的机械强度。

根据上述的发电原理可以看出， 摩擦层 100和电极层 200之间摩擦 电极序的差异是产生可输出电信号的关键， 本发明中， 优选摩擦层材料 为绝缘体材料， 电极层材料为导电材料。 作为摩擦层的绝缘体材料中， 优选聚合物绝缘材料。以下聚合物材料均可用 于本发明的摩擦层 100中， 并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能 力： 聚甲基丙烯酸甲酯、 尼龙、 聚乙烯醇、 聚酯、 聚异丁烯、 聚氨酯弹性海绵、 聚对苯二甲酸乙 二醇酯、 聚乙烯醇缩丁醛、 聚氯丁二烯、 天然橡胶、 聚丙烯腈、 聚双苯 酚碳酸酯、 聚氯醚、 聚偏二氯乙烯、 聚苯乙烯、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚酰 亚胺、 聚氯乙烯、 聚二甲基硅氧垸、 聚四氟乙烯。 限于篇幅的原因， 并 不能对所有可能的材料进行穷举， 此处仅列出几种具体的聚合物材料供 人们参考， 但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保 护范围的限制 性因素， 因为在发明的启示下， 本领域的技术人员根据这些材料所具有 的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现， 当摩擦层 100的材料与电极层 200的材料之间得电 子能力相差越大， 滑动摩擦发电机输出的电信号越强。 所以， 可以根据 上面列出的顺序并结合简单的对比实验， 选择合适的聚合物材料作为摩 擦层 100， 以获得最佳的电信号输出性能。

电极层 200在发电机中不仅提供与摩擦层 100进行摩擦的一个摩擦 表面， 而且还是发电机的电极， 当电极层 200表面电荷所构成的电场不 平衡时，能通过负载或外电路从等电位 300传输电子，以平衡电极层 200 的电荷。 因此， 电极层 200的上表面需要由导电材料构成， 或者整体均 为导电材料构成， 所述的导电材料可选自金属、 铟锡氧化物或有机物导 体， 电极层 200可以为平板、 薄片或薄膜， 其中薄膜厚度的可选范围为 10nm-5mm， 优选为 100ηπι-500μπι。 常用的金属包括金、 银、 铂、 铝、 镍、 铜、 钛、 铬或硒， 以及由上述金属形成的合金； 有机物导体一般为 导电高分子， 包括自聚吡咯、 聚苯硫醚、 聚酞菁类化合物、 聚苯胺和 / 或聚噻吩。 金属薄膜层可以采用现有的磁控溅射、 蒸镀和印刷打印等技 术来制作。

对于电极层 200采用薄膜材料的发电机， 还可以包括基板 500， 参 见图 3，电极层 200设置在基板 500上，以增强电极层 200的机械强度。 在基板上制备电极层如金属薄膜层可以采用现 有的磁控溅射、 蒸镀和印 刷打印等技术。 当然对于电极层厚度较大的情况， 发电机也可以包括基 板， 将电极层设置在基板上， 来支撑电极层或者将电极层与其他器件进 行隔离。

基板 500 的材料选择无特殊要求， 可以为导体、 绝缘体或半导体， 例如铝板或硅片。 基板 500可以为柔性基板也可以为硬性基板， 例如橡 胶或玻璃板。

为了提高发电机的输出性能， 优选在所述摩擦层 100的下表面， 和 /或， 所述电极层 200的上表面， 全部或部分分布有纳米、 微米或次微米 量级的微结构， 以增加摩擦层 100和电极层 200的有效接触面积， 提高 二者的表面电荷密度。 所述微结构优选为纳米线、 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， 以及由前述结构形成的阵列， 特别是由纳米线、 纳米管或 纳米棒组成的纳米阵列， 可以是通过光刻蚀、 等离子刻蚀等方法制备的 线状、 立方体、 或者四棱锥形状的阵列， 阵列中每个这种单元的尺寸在 纳米到微米量级， 具体微纳米结构的单元尺寸、 形状不应该限制本发明 的范围。还可以在摩擦层 100的下表面和 /或电极层 200的上表面通过纳 米材料的点缀或涂层的方式， 获得表面的微结构。

除上述的在摩擦层 （或电极层） 表面进行物理改性的方法外， 也可 以对相互摩擦的摩擦层 100和 /或电极层 200的表面进行化学改性，能够 进一歩提高电荷在接触瞬间的转移量， 从而提高接触电荷密度和发电机 的输出功率。 化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互摩擦的摩擦层 100和电极层 200， 在摩擦电极 序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能 团 （即强给电子团）， 或 者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易 得电子的官能团 （强吸电 子团）， 都能够进一歩提高电荷在相互滑动时的转移量 ， 从而提高摩擦 电荷密度和发电机的输出功率。 强给电子团包括： 氨基、 羟基、 垸氧基 等； 强吸电子团包括： 酰基、 羧基、 硝基、 磺酸基等。 官能团的引入可 以采用等离子体表面改性等常规方法。 例如可以使氧气和氮气的混合气 在一定功率下产生等离子体， 从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面 引入正电荷， 而在极 性为负的摩擦层材料表面引入负电荷。 具体可以通过化学键合的方式实 现。 例如， 可以在聚二甲基硅氧垸 PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的 方法修饰上正硅酸乙酯 （TEOS) , 而使其带负电。 也可以在金属金薄膜 层上利用金 -硫的键结修饰上表面含十六垸基三甲基溴化� � （CTAB) 的 金纳米粒子,由于十六垸基三甲基溴化铵为阳� �子，故会使整个摩擦层变 成带正电性。 本领域的技术人员可以根据摩擦层或电极层材 料的得失电 子性质和表面化学键的种类， 选择合适的修饰材料与其键合， 以达到本 发明的目的， 因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

本发明中所述的电极层 200电连接至等电位 300中，所述等电位 300 可以为地或者等电位电路， 所述的电连接可以为电极层 200通过负载或 者外电路连接至等电位， 当电极层与摩擦层互相摩擦使电极层上的接触 电荷与摩擦层上的电荷不平衡时产生电势， 等电位 300中的电荷可以通 过负载或者外电路传输到电极层上， 即所述电信号施加在所述负载或者 外电路上。在本发明中，电极层 200可以直接通过负载与等电位电连接； 电极层 200也可以通过外电路与等电位电连接， 负载与外电路并联连接 在电极层 200与等电位 300之间。 所述的外电路可以为简单的电阻， 也 可以为较复杂的电路， 在这里不做特别限定， 只要能够将等电位与电极 层进行电连接， 且电阻不为零即可。

本发明的发电机中， 摩擦层 100或电极层 200可以为柔性材料， 也 可以为硬性材料， 因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦 效果， 如需摩擦面维持平面， 还可以通过其他部件的支撑来实现。 因此， 本领 域的技术人员可以根据实际环境来选择摩擦层 100和电极层 200的材料 硬度。 采用柔性材料制成的发电机其优势在于柔软轻 薄的摩擦层受到轻 微的外力作用就会发生形变， 而这种形变会引起两个摩擦层的相对位移， 从而通过滑动摩擦向外输出电信号。 柔性材料的使用使本发明的纳米发 电机可以在生物和医学领域中得到广泛的应用 。 在使用的过程中还可以 用具有超薄、 柔软、 具有弹性和 /或透明的高分子材料做基底， 进行封装 以方便使用并提高强度。 显然， 本发明公开的所有结构都可以用相应的 超软并具有弹性的材料做成， 从而形成柔性的滑动摩擦发电机。

本发明发电机的最典型结构中， 摩擦层 100的下表面和电极层 200 的上表面相对接触设置， 无论是否有外力施加于其上， 二者始终保持面 接触， 在外力作用下， 摩擦层 100和电极层 200发生与接触面相切的相 对滑动摩擦。 通过控制摩擦层 100下表面和电极层 200上表面的尺寸以 及相对位移量， 很容易实现在相对滑动摩擦的过程中摩擦面积 发生变化。

在本发明的其他实施例中， 在未受外力作用时， 摩擦层 100和导电 层 200可以为不接触设置， 只要在外力作用下， 摩擦层 100的下表面和 导电层 200的上表面能够接触并发生与接触面相切的相 对滑动摩擦即可， 而在没有外力作用时， 摩擦层 100和导电层 200可以完全分离。 这样的 设计能够满足需要间隔式发电的情况， 而且摩擦过程可以同时有接触摩 擦， 也可以有滑动摩擦。 实现这一目的的技术手段有很多， 可以采用本 领域中控制距离的常规部件， 例如在摩擦层 100的上表面和电极层 200 的下表面分别连接绝缘弹簧等部件， 但是需要注意使用的弹簧不应限制 摩擦层 100和电极层 200之间的相对滑动。 这种设计的发电机能够与其 他产品结合使用， 可以将摩擦层 100和电极层 200分别连接到其他产品 中 2个互相分隔的部件上， 利用这 2个部件的间歇性接触 （或靠近） 和 相对滑动来带动发电机工作， 从而实现间隔式发电。

本发明中， 摩擦层 100的下表面或电极层 200的上表面可以为平面 (参见图 1和图 3 )， 也可以为曲面。 曲面结构的摩擦层 100的下表面或 电极层 200的上表面也同样可以实现相对滑动摩擦， 优选的， 摩擦层的 下表面和导电层的上表面同为平面或曲面结构 ， 以保证二者的紧密接触。 参见图 4， 摩擦层 110整体为弧形结构， 特别的， 摩擦层 110的下表面 为弧形， 电极层 210整体为弧形结构， 特别的， 电极层 210的上表面为 弧形， 电极层 210通过负载或外电路连接至地， 在外力 F作用下， 摩擦 层 110的下表面与电极层 210的上表面发生与接触面相切的相对滑动摩 擦时， 负电荷通过负载 410流入电极层 210。 优选的， 摩擦层 110的下 表面与电极层 210的上表面为形状互补的曲面，例如为曲率相 同的曲面， 以保证电极层 210与摩擦层 110的接触面积最大， 在外力 F作用下， 摩 擦层 110的下表面与电极层 210的上表面发生与接触面相切的相对滑动 摩擦时， 能够产生较高的输出电流。

图 1和图 4所示的实施例中， 摩擦层的下表面和电极层的上表面均 为光滑平整表面， 这样的结构需要摩擦层与电极层的相对滑动空 间较大， 而且对于摩擦层与电极层的尺寸相差较大时的 情况， 无法满足摩擦层与 电极层互相摩擦过程中接触面积变化的要求。 因此，本发明的发电机中， 摩擦层的下表面和电极层的上表面可以制备为 不平整表面， 摩擦层与电 极层互相滑动时摩擦层的下表面与电极层的上 表面不完全接触， 参见图 5， 摩擦层 120的下表面为凹凸结构的不平整表面， 电极层 220的上表 面为凹凸结构的不平整表面， 电极层通过负载 420连接至等电位 320， 当摩擦层 120与电极层 220接触时， 由于摩擦层与电极层的摩擦电极序 不同， 在摩擦层的下表面产生负电荷， 在电极层上产生正电荷， 摩擦层 与电极层无相对滑动时， 无电流流过负载； 在外力作用下摩擦层 120相 对于电极层 220发生相对滑动， 并使接触面积发生变化时， 参见图 6， 为了平衡电极层上的电势， 负电荷从等电位 320通过负载 420流向电极 层 220， 形成脉冲电流。 本实施例中， 还可以适用在摩擦层的下表面或 者电极层的上表面较小的情况， 在摩擦层的下表面和电极层的上表面制 备不平整表面， 在外力作用下摩擦层的下表面和电极层的上表 面互相摩 擦时能够满足接触面积的变化， 从而可以将外力的机械能转变为电能。

本发明中， 优选为摩擦层的下表面与电极层的上表面尺寸 相当， 以 保证在互相滑动过程中能够出现接触面积最大 的情况。 更优选的， 摩擦 层的下表面与电极层的上表面面积和形状完全 相同。

在本发明的其他实施例中， 电极层可以由多个子电极构成， 每个所 述子电极电连接至等电位， 多个子电极层的上表面共同形成电极层的上 表面； 当所述子电极的上表面与所述摩擦层的下表面 在外力作用下发生 相对滑动， 同时摩擦面积在滑动过程中发生变化时， 在所述子电极和所 述等电位之间输出电信号。 如果摩擦层与一个以上子电极在滑动过程中 摩擦面积发生改变， 则可以在一个以上的子电极与等电位之间输出 电信 号。 参见图 7， 电极层由子电极 231、 232、 233和 234构成， 可以将多 个子电极设置在基板 231上， 子电极 231、 232、 233和 234的上表面共 同构成电极层的上表面，子电极 231、 232、 233和 234分别通过电阻 431 连接至地， 分别在子电极 231、 232、 233和 234与电阻之间引出一个输 出端 Al、 A2、 A3和 A4， 输出端用于连接负载或者检测设备。 这里多 个子电极设置在基板上进行固定， 在其他实施例中， 多个子电极之间也 可以采用其他方式进行固定， 例如子电极镶嵌在绝缘网格中进行固定。 摩擦层 130的尺寸可以小于子电极的尺寸也可以大于子 电极的尺寸， 这 里以摩擦层 130的尺寸大于子电极的尺寸为例介绍发电机工 作过程， 参 见图 7中 a图至 c图，初始状态时，摩擦层 130的下表面与子电极 231、 232和 233的上表面 （即电极层的上表面） 接触并可以相对滑动， 未与 子电极 234接触。由于摩擦层材料和子电极材料存在电 极序差异，因此， 摩擦层 130下表面带有负电荷，而子电极 231、 232和 233则带正电荷， 如图 7中 a图所示。 当外力 F作用下摩擦层 130相对于电极层向右滑动 并且使摩擦层 130与子电极 231的接触面积发生变化后， 电子会从地向 子电极 231流动， 如图 7中 b图所示， 使连接在输出端 A1的检测设备 能够检测到电信号，直至摩擦层 130的下表面完全与子电极 231分离后， 输出端 A1检测不到电信号。 在这个滑动过程中， 摩擦层 130的下表面 与子电极 232和 233的上表面虽然同时有滑动摩擦， 但是， 由于摩擦层 130的尺寸比较大， 摩擦层 130的下表面与子电极 232和 233上表面的 接触面积并没有发生变化，因此，在输出端 A2和 A3上检测不到电信号。 摩擦层 130相对于电极层继续向右侧滑动摩擦， 当摩擦层 130的下表面 与子电极 234的上表面接触并且在滑动过程中接触面积发 生变化时， 摩 擦层 130下表面的负电荷会排斥子电极 234上的负电荷， 从而使子电极 234上的负电荷通过电阻流向地， 如图 7中 c图所示， 因此连接在输出 端 A4的检测设备可以检测到电信号。 当摩擦层 130向右侧运动直至子 电极 234的上表面完全与摩擦层 130的下表面接触后， 摩擦层 130继续 向右侧滑动时， 子电极 234上的电荷平衡， 并且摩擦层 130的下表面与 子电极 234 的上表面的接触面积不会发生变化， 因此不会在输出端 A4 检测到电信号。 本实施例中， 基板 330可以为半导体或绝缘体， 优选为 绝缘体， 例如有机玻璃等绝缘基板。 这样结构的发电机， 可以应用在电 极层固定而移动的物体上设置摩擦层进行发电 的情况。 例如在路面上设 置多个子电极， 每个子电极通过负载等连接至等电位， 摩擦层设置在车 辆上， 在车辆行驶过程中摩擦层可以与子电极相对滑 动摩擦， 从而为负 载等提供电信号。 本实施例的发电机也可以应用在触摸屏技术中 ， 用于 触摸的定位和移动探测。

上述实施例中， 子电极的形状可以为任意形状， 优选为多个子电极 的形状和尺寸相同， 例如都为长条状或正方形条状。 多个子电极可以按 照任意方式排列， 优选为按照预先设定的图形排列， 预先设定的图形可 以为实际需要的图形， 如正方形、 长方形、 环形、 十字形等。 例如沿着 十字型的四个方向排列。 在其他实施例中， 优选的， 所述摩擦层的下表 面不能同时与相邻的两个子电极的上表面接触 和摩擦。

同样的原理， 本实施例中， 也可以为摩擦层由多个摩擦单元构成， 多个摩擦单元的下表面形成摩擦层的下表面， 电极层的上表面与摩擦单 元的下表面接触设置并可以相对滑动， 电极层通过电阻连接至地， 其工 作原理与图 7中类似， 这里不再详细说明。 这样结构的发电机可以应用 在移动的物体上设置电极层而摩擦层固定的情 况， 例如在路面上设置多 个摩擦单元， 电极层设置在车辆上并通过负载等连接至等电 位， 在车辆 行驶过程中电极层可以与摩擦单元相对滑动摩 擦， 从而为负载等提供电 信号。

由多个子电极构成电极层的发电机除了可以将 外力的机械能转化 为电能外， 也可以应用在移动物体的滑动位置或滑动距离 等的探测方面， 实际应用中将由多个子电极构成的电极层设定 为静止 （或者相对静止） 表面， 摩擦层为移动物体， 每个子电极分别通过测试设备连接至地， 当 移动物体在电极层表面上滑动产生子电极和摩 擦层之间的相对摩擦， 并 且使接触面积发生变化时， 相应的与子电极连接的测试设备能够检测到 电信号， 据此可以确定移动物体的位置。 另外根据先后两个测试设备的 测试信号， 还可以确定移动物体的移动方向， 参见图 8， 电极层的结构 与图 7中的结构相同， 移动物体 140 (即摩擦层） 尺寸较小， 仅可以与 一个子电极接触， 移动物体 140与子电极 231接触且不相对滑动时输出 端 A1检测不到电信号（图 8中 a图所示）， 移动物体 140相对于电极层 向右侧滑动并使接触面积发生变化时， 输出端 A1 检测到电信号 （图 8 中 b图所示），直到移动物体完全离开子电极 231时输出端 A1检测不到 电信号。 移动物体 140继续向右侧滑动， 当与子电极 232接触后并且接 触面积发生变化时， 在输出端 A2可以检测到电信号， 直到移动物体与 子电极 232的接触面积不再发生变化。根据连接在输出 端 A1与 A2的检 测设备的检测信号对应的子电极的位置， 可以确定移动物体的滑动位置、 滑动方向以及滑动距离。 因此本发明的滑动摩擦发电机可以对物体移动 的方向和位移距离进行准确定位， 是对移动物体进行探测的矢量位移传 感器。

根据滑动摩擦发电机的工作原理， 本发明提供一种矢量位移传感器， 包括上述由多个子电极构成电极层的滑动摩擦 发电机， 其中， 在每个所 述子电极与等电位之间连接检测装置， 所述检测装置用于检测所述电信 号； 当所述摩擦层下表面与所述子电极上表面发生 滑动摩擦并且摩擦面 积发生改变时， 根据检测到所述电信号的检测装置的位置能够 确定所述 摩擦层的位置， 或者根据先后检测到电信号的检测装置的位置 确定所述 摩擦层的滑动距离、 滑动方向或滑动速度。 所述多个子电极可以排列设 置在基板表面， 来固定多个子电极。 在每个子电极与等电位之间分别连 接检测装置， 当子电极与等电位之间有电流流过时， 由于子电极与检测 装置一一对应， 因此检测装置能够记录产生电流信号的子电极 的位置， 相应的就可以确定与摩擦层产生滑动摩擦的子 电极的位置， 因此可以确 定摩擦层的位置。 摩擦层先后与两个子电极发生滑动摩擦时， 相应的会 有两个检测装置先后检测到电信号， 根据先后检测到电信号的检测装置 的位置、 距离和时间， 能够确定摩擦层的移动距离、 移动方向和移动速 度， 实现移动物体 （摩擦层） 的位移感应。 多个检测装置可以形成检测 系统， 在检测系统中可以预先设定每个检测装置与子 电极的位置对应关 本发明的矢量位移传感器中， 检测装置可以为电流或电压检测装置， 用于当所述子电极与所述等电位之间有电流时 输出电流或电压信号。 在 其他实施例中， 检测装置也可以为其他通电后可以产生声、 光等信号的 发光元件或者发声元件，例如蜂鸣器或者 LED灯，发光元件或发声元件 用于当所述子电极与所述等电位之间有电流时 输出光信号或声音信号。

本发明的矢量位移传感器， 还可以与计算机处理系统连接， 所述计 算机系统记录各检测装置与子电极的对应位置 关系、 各检测装置检测到 电信号的时间， 并且根据这些记录信息可以方便的计算出所述 摩擦层的 滑动距离、 滑动方向或滑动速度。

另外， 本发明的矢量位移传感器中， 还可以在每个子电极与等电位 之间包括分压电阻， 分压电阻可以调节子电极与等电位之间的电流 或电 压。 具体的， 分压电阻可以与检测装置并联或者串联。

具体的， 可以将每个子电极分别通过分压电阻连接至同 一个等电位 (例如地）， 在每个子电极与分压电阻之间连接检测装置； 当设置在移 动物体上的摩擦层下表面与子电极上表面发生 滑动摩擦并且摩擦面积 发生改变时， 所述检测装置根据检测到的检测信号能够感应 移动物体的 位置。

位移传感器是通过电位器元件将机械位移转化 成与之成线性或者 任意函数关系的电阻或者电压输出。 矢量位移传感器是在位移传感器的 基础上发展起来的， 其不但可以用来确定物体移动的方向， 同时， 也可 以用来确定物体移动的位置。 现有的矢量位移传感器主要是基于电阻变 化型和磁致伸缩型的传感器来实现对位移的准 确定位， 外部电源供电对 于这些传感器的正常工作是必不可少的， 依赖外部能源供电的矢量位移 传感器不仅在条件恶劣的环境下使用时不便于 维护， 而且很难在未来的 能源危机中得到广泛地应用。 利用本发明发电机的矢量位移传感器， 无 需外部电源供电， 是一种自驱动的位移传感器， 不仅结构简单制备成本 低， 而且能够从根本上解决位移传感器对外部电源 的依赖， 可以长期而 稳定工作。

相应的， 本发明还提供一种发电方法， 包括歩骤：

提供通过负载连接至等电位的电极层；

摩擦层与所述电极层发生相对滑动摩擦、 并且导致摩擦面积变化， 所述负载上有电流流过。

其中， 所述摩擦层的材料与电极层的材料具有摩擦电 极序差异。 涉 及到的摩擦层与电极层的材料和结构可以采用 与本发明提到的发电机 中的摩擦层和电极层相同的材料和结构， 在这里不在重复。

实施例一： 滑动摩擦发电机的制备

切割一个长 10 cmX宽 5 cmX厚 1 mm的聚四氟乙烯作为器件的摩 擦材料层， 用胶布把一片长 10 cmX宽 5 cmX厚 25 μπι铝箔固定在一个 一样大小的有机玻璃材料基板上， 用铜导线连接 A1 箔， 并和一个电阻 相连接， 电阻的另外一端接地。把切割好的聚四氟乙烯 放在铝箔的表面， 外力作用下当聚四氟乙烯和铝箔发生相对滑动 并且摩擦面积发生变化 后， 连接在电阻两端的电压表有相应的电信号输出 ， 说明能够将外力的 机械能转化为电能进行发电。 实施例二： 基于滑动摩擦发电机的矢量位移传感器的制备

利用激光切割一个长 10 cmX宽 10 cm X厚 1.59 mm的有机玻璃作 为利用发电机的传感器的基板材料。 利用磁控溅射的方法， 在基板上表 面制作 16个铝电极条作为子电极，子电极的宽度为 10 mm，长度为 3 cm。 电极条之间的距离为 2 mm, 16个子电极以 4个为一组，分布在四个方向 上形成十字架结构， 每组中的 4个子电极平行等距排列， 如图 9所示。 用铜导线连接每个铝电极条， 并和一个分压电阻 R相连接， 分压电阻的 另外一端接地，在每个电极条与分压电阻之间 引出一个输出端 01…… 15、 16， 具体连接电路见图 10， 输出端用于采集电信号。 16 个输出端分别 和检测装置相连接， 通过检测装置来实现对 16个子电极输出信号的实 时采集。切割一个长 2 cmX宽 2 cmX厚 1 mm的聚四氟乙烯作为摩擦层， 并放置在多个电极条形成图形的中间空白处。 当聚四氟乙烯材料向任何 方向滑动时候， 其将和电极条相对滑动摩擦并且使接触面积变 化， 从而 在输出端对外输出电信号。 并且， 当包括摩擦层的物体在传感器上面移 动的时候， 不同的子电极先后和摩擦层接触， 将导致不同的子电极对外 输出电信号， 通过分析这些信号， 我们可以知道物体在哪个方向移动和 移动的位置。 当向其中一个方向滑动 10 mm, 得到的数据图像见图 11， 可以清楚的显示是中心区上方的第一个子电极 与物体上设置的摩擦层 接触。

以上实施例表明通过对输出端这些信号的采集 ， 可以实现对物体移 动方向和位置的定位。 该矢量位移传感器直接利用单电极式的滑动摩 擦 发电机作为触发的传感器， 不需要外部供电， 可以有效的节约能源， 并 能长期稳定的工作。 另外， 本发明提供的矢量位移传感器可以根据需要 将多个子电极设置为任意形状， 并且可以进行大面积设置， 可以方便的 应用在野外等不便于使用电源的环境中。

以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形 式上的限制。 任何熟悉本领域的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范 围情况下， 都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明 技术方案做出 许多可能的变动和修饰， 或修改为等同变化的等效实施例。 因此， 凡是 未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所 做的任何简单修改、 等同变化及修饰， 均仍属于本发明技术方案保护的 范围内。