基于MEMS的壓電和摩擦電能量采集器的設計、加工與測試.pdf

1、近年來，無線傳感網(wǎng)，可穿戴設備和可植入式醫(yī)療設備等無線低功率設備正在處于快速發(fā)展的階段，但是要得以廣泛應用，存在著技術上的難題，其中一個問題就是如何為這些設備節(jié)點供電。目前無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、可穿戴設備和可植入式醫(yī)療設備的主要使用化學電池作為電量供應裝置。雖然這些化學電池的能量密度和使用壽命得到了很大的提升，但是其存儲的電量終究是會用光的。考慮到這些傳感器節(jié)點或者可植入式設備的工作環(huán)境的惡劣性，對其進行電池的更換幾乎是不可能。如果能從這

2、些設備的工作環(huán)境中采集能量給其供電，就能形成自治系統(tǒng)。因此能量采集技術得到了越來越多的研究者關注。
　　本文提出了一種懸臂梁結構的壓電式振動能量采集器，它的基本工作原理是基于壓電材料的壓電效應，在外界振動源的激勵下，器件中的壓電層中產(chǎn)生了應力和應變導致其內部發(fā)生極化現(xiàn)象，同時在壓電層的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷，由此形成了電信號。隨著集成電路和電子器件的微型化，MEMS制造技術越來越多的被用于能量采集器的制備。微型化的壓電式

3、振動能量采集器具有結構設計簡單、輸出功率密度較高、MEMS加工工藝比較成熟等優(yōu)點。本文提出的壓電式振動能量采集器在1 g的加速度振源激勵下，諧振頻率為523 Hz，此時輸出電壓為9.2 V，器件的最大輸出功率為57.6μW；在0.5 g的加速度振源激勵下，諧振頻率為528 Hz，此時輸出電壓為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。在內部的發(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)生電荷轉移，造成兩層之間的電勢差；在外部負載中，電子被驅動在附著于薄膜背部的兩個電極之間流動，以平衡電勢差。本文制備的10wt%摩擦電納米發(fā)電機樣機的最大輸出功率為130μW，而2wt%摩擦電納米發(fā)電機樣機的最大輸出功率為120μW。而二者的內在電阻分別為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)電機原型具有較好的輸出性能和較低的內在電阻。
　　本文提出了一種基于壓

5、電和摩擦電耦合機制的能量采集器。該耦合機制的能量采集器由壓電和摩擦電兩個部分組成，在實際工作的時候，能夠同時輸出壓電信號和摩擦電信號。摩擦電部分由 PDMS和PDMS/MWCNT構成，壓電部分是由PVDF聚合物構成。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的外界負載下，摩擦電最大輸出功率為3.4μW，在1 MΩ的外界負載下，壓電