作者:张海霞等 来源:《中国科学》 发布时间:2013-8-5 14:33:08
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微型复合式低频宽频带能量采集器制备成功

 
《中国科学 技术科学》在最新一期以封面的形式(Vol. 56 (8): 1834-1841)报道了北京大学微电子学研究所张海霞教授课题组结合压电和摩擦的工作原理制备的微型复合式低频宽频带能量采集器。
 
能量采集器是一种新型的微机电系统器件,可以将周围环境的能量通过某种方式自动转化成电能,从而为各种低功耗微电子器件供能。同传统的能源(如传输线、电池等)相比,能量采集器不受连接线的限制,且无需频繁更换,适合为物联网中的无线传感器供能。基于收集振动能的能量采集器主要包括电磁式、静电式和压电式三种。其中压电式能量采集器易于集成加工,受到了广泛的关注。然而,环境中的振动能以低频为主,且具有随机性,频率波动很大,传统的压电式能量采集器谐振频率高、工作频带窄,因而不能有效地采集环境中的振动能。
 
针对上述问题,张海霞教授课题组利用柔性有机压电材料聚偏氟乙烯(PVDF)制备出悬臂梁阵列,通过理论计算与有限元仿真优化每个悬臂梁的谐振频率,实现了低频和宽频采集的特点,从而有效地收集环境中的振动能。通过扫频测试,该压电悬臂梁阵列的器件可以在多个谐振频率点工作,最高输出电压为320 mV。
 
为了进一步提高器件的输出性能,课题组将制备的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜置于PVDF悬臂梁下方,PVDF悬臂梁在振动过程中会周期性碰撞PDMS薄膜,产生摩擦电荷,并驱动外电路电子的流动。通过在PDMS薄膜表面制备微米纳米复合结构,使摩擦产生的电荷密度大大增加,最终器件在15 Hz的外界振动下可以产生高达20 V的电学输出。该研究所制备的复合式能量采集器具有很大的应用前景,通过简单的外加振动,即可成功点亮商用二极管,为推进能量采集器的进一步商业应用奠定了基础。
 
张海霞教授课题组自2010年开始研究能量采集器以来,取得了一系列重要进展,如无线能量传输系统、MEMS微磁铁阵列的制备、集成式电磁能量采集器、倍频式摩擦纳米发电机、堆叠式摩擦纳米发电机等等,相关研究成果已分别发表于Nano Letters、Nano Energy、Journal of Microelectromechanical Systems、Journal of Micromechanics and Microengineering、MEMS、Transducers等著名期刊和重要国际会议上,并申请了多项国内外发明专利。
 
该项研究得到了国家自然科学基金纳米制造重大计划、国家“863计划”、教育部高等学校博士学科点专项科研基金的资助。(来源:科学网)
 
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