基于MEMS的壓電和摩擦電能量采集器的設(shè)計(jì)、加工與測(cè)試.pdf

1、近年來(lái)，無(wú)線傳感網(wǎng)，可穿戴設(shè)備和可植入式醫(yī)療設(shè)備等無(wú)線低功率設(shè)備正在處于快速發(fā)展的階段，但是要得以廣泛應(yīng)用，存在著技術(shù)上的難題，其中一個(gè)問(wèn)題就是如何為這些設(shè)備節(jié)點(diǎn)供電。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、可穿戴設(shè)備和可植入式醫(yī)療設(shè)備的主要使用化學(xué)電池作為電量供應(yīng)裝置。雖然這些化學(xué)電池的能量密度和使用壽命得到了很大的提升，但是其存儲(chǔ)的電量終究是會(huì)用光的?？紤]到這些傳感器節(jié)點(diǎn)或者可植入式設(shè)備的工作環(huán)境的惡劣性，對(duì)其進(jìn)行電池的更換幾乎是不可能。如果能從這

2、些設(shè)備的工作環(huán)境中采集能量給其供電，就能形成自治系統(tǒng)。因此能量采集技術(shù)得到了越來(lái)越多的研究者關(guān)注。
　　本文提出了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電式振動(dòng)能量采集器，它的基本工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)，在外界振動(dòng)源的激勵(lì)下，器件中的壓電層中產(chǎn)生了應(yīng)力和應(yīng)變導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在壓電層的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，由此形成了電信號(hào)。隨著集成電路和電子器件的微型化，MEMS制造技術(shù)越來(lái)越多的被用于能量采集器的制備。微型化的壓電式

3、振動(dòng)能量采集器具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出功率密度較高、MEMS加工工藝比較成熟等優(yōu)點(diǎn)。本文提出的壓電式振動(dòng)能量采集器在1 g的加速度振源激勵(lì)下，諧振頻率為523 Hz，此時(shí)輸出電壓為9.2 V，器件的最大輸出功率為57.6μW；在0.5 g的加速度振源激勵(lì)下，諧振頻率為528 Hz，此時(shí)輸出電壓為5.32 V，器件的最大輸出功率為20.2μW。
　　本文提出了一種基于PDMS和PDMS/MWCNT的摩擦電納米發(fā)電機(jī)。在內(nèi)部的發(fā)電單元，

4、由于兩層薄膜間表現(xiàn)出相反的摩擦電極性發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，造成兩層之間的電勢(shì)差；在外部負(fù)載中，電子被驅(qū)動(dòng)在附著于薄膜背部的兩個(gè)電極之間流動(dòng)，以平衡電勢(shì)差。本文制備的10wt%摩擦電納米發(fā)電機(jī)樣機(jī)的最大輸出功率為130μW，而2wt%摩擦電納米發(fā)電機(jī)樣機(jī)的最大輸出功率為120μW。而二者的內(nèi)在電阻分別為6 MΩ和8.5 MΩ。這表明具有較高的濃度多壁碳納米管的摩擦電納米發(fā)電機(jī)原型具有較好的輸出性能和較低的內(nèi)在電阻。
　　本文提出了一種基于壓

5、電和摩擦電耦合機(jī)制的能量采集器。該耦合機(jī)制的能量采集器由壓電和摩擦電兩個(gè)部分組成，在實(shí)際工作的時(shí)候，能夠同時(shí)輸出壓電信號(hào)和摩擦電信號(hào)。摩擦電部分由 PDMS和PDMS/MWCNT構(gòu)成，壓電部分是由PVDF聚合物構(gòu)成。這是一種具有較好柔性和生物兼容性的新型能量采集器。該能量采集器在5 Hz的外界施加壓力下，能夠產(chǎn)生30 V和6 V的摩擦電和壓電輸出電壓。在15 MΩ的外界負(fù)載下，摩擦電最大輸出功率為3.4μW，在1 MΩ的外界負(fù)載下，壓電