基于摩擦納米發電機的自驅動微系統

陳號天 宋宇 張海霞

摘要：針對物聯網的多樣性和應用環境復雜性，提出基于摩擦納米發電機（TENG）的自驅動微系統解決方案。首先分析搭建自驅動微系統需要的3個基礎模塊：基于人體運動的摩擦納米發電機的能量采集（EH）模塊、主動式傳感模塊、高效率的能量存儲模塊，在此基礎上搭建適用于不同應用場景的自驅動微系統，既可以有效地解決海量傳感器節點的長期穩定能量供給問題，又有利于物聯網技術向著多維度和多形態的方向發展。

關鍵詞：微能源系統；EH；TENG；自驅動；主動式傳感；能量管理

隨著科學技術的飛速發展，電子設備呈現出小型化、低功耗和多功能的趨勢，萬物互聯的物聯網（IoT）時代已經拉開序幕。物聯網的搭建依賴于無數的分布式傳感器，用于生命健康監測、環境污染防控、基礎設施安全等諸多領域。盡管單個傳感器能耗有限，但是整個物聯網包含著上億個傳感器，這就對能源供給問題提出了挑戰。電池是最為常見的儲能元件，但是在面對數量龐大的分布式傳感器系統時，電池因其有限的壽命，需要循環充電以及自身體積過大等問題，無法解決物聯網中海量傳感器節點的能量供給問題。因此，開發出一種可以隨時隨地從周圍環境中收集能量用于驅動微納米傳感器的自驅動微系統成為當務之急。

在周圍環境中，相比于光能、熱能等，機械能來源更為廣泛，種類更加豐富，大到風能、水能，小到人體的自身運動都充滿著大量的機械能。常用的機械能采集方式包括電磁感應、壓電效應和摩擦起電效應。環境中的機械能多呈現頻率偏低、振動隨機等特點，這就給能量采集（EH）方式提出了挑戰。相比于傳統的基于電磁感應原理的大型發電機，新型的壓電式納米發電機和摩擦式納米發電機更加適用于這類“低頻隨機能量”的采集。而摩擦納米發電機（TENG）因為其優異的輸出特性以及不受材料限制等突出優點，成為近年來最受關注的微能源采集技術[1]。同時，TENG可以自發地對外界的刺激產生響應，也作為主動式傳感器使用。因此，基于TENG的自驅動微系統主要包含3個基本模塊：EH模塊、主動式傳感模塊和能量存儲模塊。文中，我們將針對自驅動微系統的3個基礎模塊的核心技術逐一介紹。

1 微型EH技術

1.1 TENG的工作原理

摩擦起電效應在數千年前就已經被人類發現，該效應是一種由接觸引發的帶電效應，廣泛地存在于人們的日常生活當中。2012年佐治亞理工學院王中林院士首次提出了TENG，它基于接觸起電效應和靜電感應效應。當2種不同材料接觸之后，電荷會在二者接觸面進行轉移并重新分布，2個物體表面會產生電勢差，因此2種材料表面貼附電極并連接之后，2個物體產生相對位移之后，在電勢差的驅動下會使電荷在2個電極之間移動，從而實現機械能轉化為電能。

對TENG的分析就是揭示其電容行為的過程[2]。對于任意TENG來說，都會有一對相互朝向的材料，成為2個摩擦層或者1組摩擦副。2個摩擦層之間的距離x，將會隨外力作用產生變化。一旦通過外力作用接觸，在接觸起電原理的作用下，2個摩擦層將會攜帶符號相反數目相同的靜電荷。通過在2個摩擦層外側貼附電極，并當2個摩擦層距離產生變化時，電極電勢的不同將驅使電荷在電極之間轉移。如果定義轉移的電荷量為Q，那么失去電荷量為-Q，而得到的電荷量為+Q，以保證電荷守恒。

兩電極的電勢差將分為2個部分。第1部分來自于極化的摩擦電荷，它們將貢獻的電勢差為Voc（x）。另外，已經轉移的電荷也會導致一定的電勢差變化。如果我們假設沒有摩擦電荷在這個系統中，那么整個結構就是一個典型的電容結構，所以，將已轉移的電荷貢獻的電容記做-Q/C（x），這里C（x）是兩電極之間的電容。根據電場疊加原理，總的電勢差可以記做：

式（1）為TENG的最基礎公式。在短路情況下，轉移的電荷量QSC將完全覆蓋因剩余極化電荷造成的電勢差，所以此時摩擦發電機的短路情況下可表示為：

如圖1所示，摩擦發電機有4種基本的工作方式[3]，分別為：接觸分離式、滑動式、單電極式和自由式。

1.2 TEMG的應用

日常生活中蘊含著無數的能量，以人體為例，我們每日的一舉一動都能產生能量。研究表明[4]：一個正常身材的男子揮動手臂1 min將產生1.8～72 J的能量，跑步1 min將產生300～510 J的能量，即使打字這種輕微的動作，持續1 min也可以產生0.3～1.44 J的能量；而現代電子設備，比如智能手機，一天消耗的電能約為60 J。由此可見：如果可以將日常的運動能成功采集，可以滿足絕大多數電子設備的能量供給。

2013年研究人員提出一種單表面透明的TENG[5]，如圖2所示。該工作采用單摩擦表面結構，簡化了器件設計及制備工藝，極大地提高了發電機的輸出，并拓展了TENG的應用領域。當手指等可動物體與摩擦表面觸碰并分離時，即與摩擦表面構成摩擦副，產生摩擦電荷。在摩擦電荷所產生的電場驅動下，電荷經由外部負載電路，不斷在感應電極和參考地之間往復流動，形成電流，從而將可動物體運動的機械能轉化為電能輸出。在手指輕敲驅動下，其輸出電壓可達130 V，輸出電流的密度大概為1 μA/cm2，遠高于現有的透明納米發電機。將此發電機裁剪、裝貼于智能手機屏幕上，在用戶日常操作下，輸出電能可同時點亮3個發光二極管。進一步地，以此發電機為基礎，利用二極管搭建邏輯電路，研究人員開發了自供能的觸覺傳感器。當手機用戶觸摸由4個單表面摩擦發電機構成的觸摸板時，即可驅動單色液晶顯示屏，并可在屏幕上顯示對應的數字。

進一步地，研究人員利用“人體是電的良導體”的特點，將人體作為電導實現了一種柔性全透明的摩擦發電機，如圖3所示[6]。相比于上述工作，其結構更簡單，無需單獨提供對地電極，適用范圍更廣泛，輸出電流和轉移電荷的輸出分別提高210%和81%。這種透明的TENG可貼于手機、平板電腦等設備表面，在設備后面貼一層電極用于與手掌、手腕等部位接觸，形成人體接觸電極，從而構成一個完整回路，在日常使用中，由于手指與電極材料得失電子能力不同，手指不斷與透明發電機接觸，即可引起電子在回路中流動，形成電流為一些低功率設備供電。由于以人體為電導有諸多優點，基于此有希望做出更多面向應用的新型發電機，如進一步提升發電機的輸出，將可能作為移動設備、可穿戴設備的備用電源使用。

1.3 復合式EH技術

相對于單一的EH技術，復合式EH技術將多種EH技術集成，從而進一步提高EH的效率。2017年研究人員提出了一種摩擦與壓電復合的納米發電機，如圖4所示[7]。該器件采用靜電紡絲工藝加工的柔性納米纖維作為功能材料和電極骨架，通過添加導電納米材料制作柔性電極，引入納米結構增加表面摩擦層接觸面積。針對摩擦發電機需相對位移和壓電發電機需產生形變的工作特點，將二者垂直結合，構成多層薄膜狀結構，從而使器件可保形覆蓋在人體皮膚等柔性表面，并在外力情況下隨柔性物體一起產生形變，進行能量轉換。其中，TENG部分將物體與器件接觸分離過程中的機械能轉化為電能輸出，壓電發電機部分則對器件形變過程中的機械能進行能量轉換，由此提升器件在一次按壓釋放過程中的EH效率。除了針對柔性表面進行EH外，由于壓電靜電紡絲薄膜具有比較高的壓力靈敏度，器件還以可貼附于人體腹部或者手腕處，用于呼吸、脈搏振動等一系列生理信號的監測，在自供能健康監測系統中有著非常廣闊的應用前景。

2 主動式傳感技術

利用摩擦發電的原理發展起來的新型主動式傳感技術，無需外接電源即可對外部信號，包括力學、熱學、聲學等，產生響應，是一項潛力巨大的技術，特別在備受關注的人造電子皮膚領域取得了一定的成功。電子皮膚同時兼備力學上的柔性和電學上的傳感功能，但是應用環境如醫療健康、人工智能、便攜式電子等領域又要求它體積小兼具柔性和舒適性，因此不可能佩帶硬質電池等電源，所以利用摩擦發電原理正好適合這一應用場景。

2.1 模擬定位傳感技術

科研人員將摩擦起電原理與橫向的靜電感應效應相結合，研制出一種新型自驅動的柔性透明多功能電子皮膚，如圖5 a）所示[8]。有別于傳統電子皮膚基于傳感器陣列實現對壓力、位置等物理量的數字式感知，該模擬電子皮膚利用目標物體與電子皮膚表面接觸產生的摩擦電荷，根據距離對摩擦電荷與測量電極靜電感應效應強度的影響，通過計算2個相對電極之間的電勢比例（Rac和Rbd）來實現各個方向上的定位。如圖5 b）所示，各個電極上的電壓值可以直接測試得到。這里以a、c2個相對電極為例，通過計算兩電極上電壓的比例，可以得知接觸位置，如圖5 c）所示。由于利用摩擦表面自主產生的摩擦電荷，也實現了完全的自驅動傳感。又由于模擬定位方法的運用，只需4個電極即可實現二維高精度定位，極大地減少電極數量，從而降低了后端處理電路的復雜性。

該電子皮膚通過使用表面具有微結構且修飾氟碳聚合物的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為摩擦面，不僅提高了摩擦電荷密度，也增強了信號的強度與高穩定性。該電子皮膚在平面和曲面一系列的重復測試中均達到1.9 mm的空間分辨率，表現出很高的感應靈敏度，例如：可以感知蜜蜂四肢（～0.16 g）落在電子皮膚上的擾動。此外，利用被測物體靠近電子皮膚時各個電極上信號強度的絕對值，還可以實現對接觸速度的測量。由于使用了全透明柔性材料、銀納米線電極，該電子皮膚也表現出優異的柔性和透明性。

2.2 力學傳感技術

研究人員以人類指紋結構為突破口，受人體皮膚傳感機制和結構的啟發，通過研究皮膚傳感生理機制和手指生理結構，創造性地將摩擦式動態傳感與壓阻式靜態傳感加以結合，設計了一種基于指紋結構的新型多功能電子皮膚，如圖6所示[9]。器件模仿指紋結構設計雙螺旋電極的TENG，通過摩擦電壓輸出頻率檢測滑動物體的粗糙度，首次提出了數字式的摩擦檢測方案。仿真皮結構制備多孔碳納米管（CNT）/ PDMS，通過接觸電阻變化檢測壓力大小，合理調控納米導電網絡及多孔率，可大幅提升壓阻傳感靈敏度。同時集成動態滑動檢測和靜態壓力檢測的功能，體現了該多功能電子皮膚在執行復雜任務的強大能力，顯示了其在機器人傳感領域的巨大潛力。

2.3 非接觸傳感技術

現有電子皮膚大多依靠集成壓力傳感元件的方式實現接觸式位置傳感，其分辨率受制于傳感單元個數，且無法完全發揮電子皮膚的潛能與優勢。針對這一問題，科研人員研制出一種新型的自驅動非接觸式透明柔性電子皮膚，如圖7所示[10]。它結合摩擦起電原理與空間靜電感應效應，利用4個電極即可達到1.5 mm的二維空間分辨率。與此同時，該電子皮膚還能夠檢測垂直距離不超過5 cm的帶電體在平行平面內的運動，因此實現了非接觸式位置傳感。

不同于傳統電子皮膚基于傳感單元陣列實現對于壓力、位置等物理量的數字式感知，該模擬電子皮膚利用預起電過程中積累于帶電體表面的電荷，根據空間位移造成的靜電勢變化在電極上所產生的感應電流，通過計算多個電極電壓的相對大小實現極坐標平面上的定位。由于利用摩擦表面自主產生的摩擦電荷，電子皮膚實現了完全的自驅動傳感；又由于模擬定位方法的運用，只需4個電極即可實現二維高精度定位，相較于傳統數字式電子皮膚，極大降低了電極數量；空間靜電感應原理使得目標物體的位移可脫離并平行于電子皮膚所在平面，可作為實時游戲平臺的人機交互界面使用，將用戶的手指運動轉化為電信號發送給計算機。該電子皮膚通過使用表面具有微結構的PDMS作為摩擦面，不僅增強了摩擦電荷密度，也提高了信號的強度。此外，使用磁控濺射在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底表面的氧化銦錫（ITO）為電極，因此具有很好的柔性與透明性。

3 能量存儲技術

3.1 超級電容器

近年來，隨著可穿戴電子設備的迅猛發展，多功能集成化的智能器件的需求日益增長，電子設備不僅需要具有小型化、低功耗的特點，同時需要滿足可穿戴的各項特質，并具有良好穩定的性能。因此，具有同步EH與存儲過程的自充電能量系統是一種潛在的解決方案。然而，現階段高效穩定的能量系統的發展，仍然存在一定的制約。一方面，考慮到普通的能量存儲設備充電不方便等劣勢，研究學者提出將超級電容器與太陽能電池相結合的方式，為電子設備持續供能；但是，太陽能電池容易受到環境與工作條件的制約，無法實時采集能量，限制了太陽能電池在可穿戴設備中的應用。另一方面，隨著各類EH器的快速發展，克服外部環境限制而隨時采集環境中各類能量的TENG，在可穿戴電子中具有獨特的優勢；但是，普通的接觸分離模式的摩擦發電機則需要較大的空間，無法滿足集成式智能衣物的需求。因此，如何將EH與能量存儲設備高效地集成起來，并應用于可穿戴電子系統，是一個亟待解決的巨大挑戰。

研究人員以導電織物作為通用電極，將單表面TENG與柔性超級電容器集成起來，通過制備通用織物電極，得到一種高集成度的自充電能量服，在人體運動的過程中對機械能進行同步采集與存儲，如圖8所示[11]。一方面，為了更有效地采集人體運動能量，單表面TENG可以直接貼附于衣物表面，并且表現出了極好的輸出性能。同時，利用織物結構表面積大與碳納米管導電性良好的優勢，可穿戴的超級電容器同樣具有較高的比電容值與穩定的循環特性。最終，在人體運動的過程中，這種高集成度的自充電能量服可以持續穩定地存儲能量，具有較高的集成度與可穿戴兼容性，在自供能可穿戴電子與智能衣物等方面具有潛在的應用前景。

3.2 能量管理電路

TENG由于自身內阻較大，因此對現有電路直接供電難以達到阻抗匹配，效率較低，是限制其實用化的一大因素。研究人員針對這一問題，利用諧振（LC）振蕩原理，開發了一種適用于TENG的高效通用電源管理方案與系統，如圖9所示[12]。該工作從理論分析摩擦發電機的內部阻抗模型出發，首先采用串聯開關的方式，在短路情況下實現開路電壓與短路電流同步輸出，從而獲得TENG單周期的最大輸出能量。在此基礎上采用LC振蕩原理，于1/4周期內完成能量從TENG內部電容到電感的轉移，達到高能量轉移效率。基于以上原理，該工作成功搭建了相應的能量管理模塊，使用該模塊對4.7 mF電容充電的能量存儲效率相比于標準模塊提升最多達2 600倍，交直流功率轉換效率高達72%，并且適用于不同模式的TENG。利用該能量管理模塊，在手指按壓、滑動過程中，即可成功驅動商用電子模塊的實時工作，包括持續照明的發光二極管（LED）燈、電子計算器、計步器以及電子手表等。該工作不僅從原理上提出了適用于TENG電源管理的新思路與方案，同時搭建了一種通用的、高效的能量管理模塊，清除了TENG未來實用化的一大障礙，成為本領域的一大突破。

4 結束語

摩擦發電作為一種新型的、高效的EH技術正在迅速蓬勃發展，本文從其工作原理入手，分析了其性能提升的關鍵因素，并給出若干實際應用案例，展現了TENG在日常EH中的強大潛力。此外，還介紹了基于TENG原理發展起來的主動式傳感技術，無需外接電源即可對外部特定信號產生響應，大大降低了器件功耗。最后，針對TENG后端能量存儲的問題進行了介紹，并重點研究了與超級電容器相集成的自充電能量單元及相應能量管理電路的設計。這3種技術是物聯網的基礎，它們的集成和組合將為多種物聯網應用場景提供可行的解決方案。

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