科创中国

本发明利用聚合物材料和金属材料具有不同的摩擦电性质而构建出单电极的摩擦发电机，制作了基于该发电机的追踪系统。该追踪系统由多个发电机单元构成阵列矩阵，当物体在追踪系统上面移动时，压力作用在发电机上，将会导致构成发电机的两层摩擦电材料接触，从而对外输出电信号。当物体离开该发电机时，构成发电机的两层摩擦电材料由于弹性材料的作用，并会分离，也同样会对外输出电信号。本发明的基于摩擦发电机的追踪系统可以对一些物体的移动路线进行追踪，具有成本低、自驱动和结构简单等特点。

为了克服现有技术中的上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的单电极摩擦纳米发电机、发电机组、发电方法以及基于该发电机的自驱动追踪装置。[0005]为了达到上述目的，本发明首先提供一种单电极摩擦纳米发电机，其特征在于包括摩擦层和电极层，所述电极层的数量仅有一个并与所述摩擦层面对面放置，所述电极层与等电位源电连接，所述摩擦层和电极层的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，同时通过所述电极层和所述等电位源输出电信号；[0006]优选地，所述摩擦层和所述电极层之间存在摩擦电极序差异；[0007]优选地，所述摩擦层选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚乙烯醇缩丁醛、尼龙、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯；[0008]优选地，所述电极层与所述摩擦层接触的表面为导电材料；

摩擦纳米发电机的工作原理是基于两种具有不同摩擦电特性的材料之间的相互接触和分离来发电。但是，目前见诸于报道的所有摩擦纳米发电机都需要两个电极层，其中至少一个电极层需要通过导电金属沉积在摩擦薄膜材料的表面而形成，并通过这两个电极层实现对外的电能输出。这种发电机一方面由于金属的沉积导致器件制作成本较高，另外一方面还要求摩擦材料的厚度必须在一定范围内。这些限制因素极大的妨碍了摩擦纳米发电机的推广应用。该项技术可以构建自驱动的追踪系统，该系统基于被探测物体与环境的交互来实现对物体移动路径的有效探测。该系统不需要外部的供电，主要依靠物体在移动过程中触发的摩擦发电机发出的信号，来实现对物体的自驱动探测。

　中国科学院北京纳米能源与系统研究所是中科院和北京市共建的新型科研单元。2012年2月，中国科学院北京纳米能源与系统研究所正式开始筹建。2018年5月17日，北京市与中国科学院正式签订共建纳米能源所协议书，同年11月被纳入北京市支持建设世界一流新型研发机构建设名单。纳米能源所已于2020年10月整建制搬迁至怀柔科学城，研究所成为科学城建设以来首个整建制迁入的研究机构。　　纳米能源所定位是以纳米能源与微纳系统核心技术为研发目标，在压电电子学、压电光电子学及纳米发电机等相关领域开展基础和应用基础研究；以重大原始创新为驱动，以自驱动微纳系统等重大核心技术突破及其在传感网络、环境基础设施监测、便携式电子产品、健康医疗等领域的应用为牵引，带动相关技术的转移转化与产业化。研究所高度重视产业化工作，产业化工作不断取得突破，目前部分产品已经投入市场。

追踪系统在安全监控、人机界面和医疗科学方面有着广泛的应用前景，一般的追踪系统是通过提供时间和位置的信息来实现对物体移动的追踪和定位。现有的追踪系统主要是基于一些光学、磁学和力学的传感器网络来实现追踪，外部供电对于这些传感器是必不可少的。大量的电力消耗使现有的这些追踪系统很难在未来的能源危机中得到广泛的应用，发展一种自驱动的追踪系统是从根本上解决这些器件长期而稳定工作的关键。

优选地，所述电极层为金属薄膜或体相材料，其中薄膜的厚度为10nm-5mm ；

[0012]优选地，所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构；

[0013]优选地，所述微结构选自纳米线、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；

[0014]优选地，所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面上，有纳米材料的点缀或涂层；

[0015]优选地，所述摩擦层面向所述电极层的表面，和/或，所述电极层面向摩擦层的表面，经过化学改性，在二者中摩擦电极序相对为负的表面引入容易得到电子的官能团，和/或，在二者中摩擦电极序相对为正的表面引入容易失去电子的官能团；

[0016]优选地，所述摩擦层和/或电极层为硬质材料；

[0017]优选地，所述摩擦层和/或电极层为柔性材料；

[0018]优选地，所述的摩擦层和电极层的尺寸和形状相同，并且二者呈正对面放置；

[0019]优选地，在所述分离的过程中，所述摩擦层和电极层表面相互接触的部分能够达到的最大分离间距与二者接触面的长度和宽度尺寸可比或更大；

[0020]优选地，所述最大分离间距与所述接触面的长度的比值，以及，所述最大间距与所述接触面的宽度的比值均在1-100之间；

[0021]优选地，所述等电位源通过接地提供；

[0022]优选地，还包括负载，并且所述电极层通过所述负载与所述等电位源电连接；

[0088]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。

[0089]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。

[0090]本发明中所称的“接地”是指连接到能提供或接受大量电荷的物体上，其中的“地”是指任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质，例如舰船或运载工具的金属外壳坐寸ο