雙拱形式柔性PVDF與體感交互控制下的發電裝置

吳文鑫 羅成劍 吳佳瑤 張夢澤

摘要：本文利用壓電效應與換能技術設計了一種可穿戴式發電裝置，通過采用高輸出性能和高導電性能的柔性PVDF壓電薄膜并以雙拱形陣列結構搭建，使得穿戴者可以通過體感交互進行機械能一電能轉化并對電能加以利用。該裝置實現了人體機械能的高效率采集及對手機等外部設備進行供電的功能，對于能量的二次利用具有深遠意義。

關鍵詞：PVDF;壓電效應;發電裝置

1、應用領域

柔性PVDF與體感交互控制下的壓電裝置屬于一種小型便攜式發電裝置的服務范圍。隨著便攜式智能設備的適用范圍越來越廣，續航能力缺失的問題也逐漸顯露出來。如今，便攜式智能設備續航能力的彌補成為最大潛在市場機會，而本項目正好符合市場的需求。

本團隊設計的柔性壓電裝置可以在平時多場合佩戴，例如在辦公室、家、健身房等場合。它的使用形式也分為多種形式，既做到了能源的收集，也可以作為裝飾品。通過時刻與身體的交互，實現將人體運動產生的機械能經柔性壓電裝置轉化為電能儲存在后續的超級電容中，其產生的電能可以為手機、小型音響等設備進行供電。

2、壓電效應概述

本項目核心技術為壓電效應，其原理為：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力卸載，又會恢復不帶電的狀態。

正壓電效應如圖1所示，壓電材料在機械力作用下會發生形變，內部產生極化現象，在材料體表面出現異性電荷，電荷密度與力的大小成正比，使“力”產生“電”。

3、產品簡介

本作品為一種可穿戴式PVDF發電裝置，穿戴在身上時可采集并轉化人運動的機械能為電能，最終加以利用。如圖2所示為本產品的裝置簡圖。

其核心優勢為：

1、利用壓電效應實現機械能和電能之間的轉換，通過壓電薄膜極化效應分離電子，產生電動勢;

2、綜合人機交互考慮，使用柔性體附著在表面，確保人體舒適度的同時，加快壓電效應轉換速率。

3、以柔性PVDF壓電薄膜為電介質并搭建雙拱形陣列結構，發電效率提升27.44%

4、柔性PVDF薄膜標定

選擇PVDF作為壓電材料主要是因為其穩定性，即在使用時，電阻不應起伏變化，因為它會引入電噪聲源。而PVDF材料的小斷面特性很好地解決了這個問題。

由于它的上、下焊片相互錯開并彼此相對，使得有效面積（重疊電極）被精確定義，對于材料的標定以及電路系統的穩定性都具有特殊意義。

同時由于柔性PVDF材料直接轉換的電能較微弱（1.4V/g），普通方式難以正確采集也不穩定，所以需要外加電荷放大模塊，本方案使用的放大模塊型號為ICA10X，在PVDF標定時選定Piezo放大器。放大模塊可以將被測量的電信號放大20倍，形成實時自供電的電路系統。

5、PVDF選型

PVDF材料主要存在a、B和y三種晶型，其中B晶型具有顯著的壓電活性，利用PVDF材料制備的壓電薄膜具有柔性、對溫濕度和化學物質高度穩定性、耐沖擊性強、失真小等優點。在本項目中通過選取0.3mm厚的PDMS薄膜作為支撐層，將0.2mm厚的PVDF薄膜設計成拱形結構柔性壓電發電裝置來收集環境振動機械能。

6、雙拱形柔性壓電發電裝置

本項目提出了一種基于雙拱形結構的增強型柔性壓電發電裝置，能夠作為自供電傳感器監測環境振動機械能，其中，上拱形是根據裝置結構特征設計的PVDF壓電薄膜，下拱形是帶有均勻梯形體微結構的PDMS薄膜。

上下拱形結構利用并聯方式連接，通過中間共享電極提升壓電單元的電荷密度。由于獨特的拱形結構設計，PVDF薄膜具有顯著的壓電勢能，在按壓和釋放的過程中，壓電層能夠產生平穩的高輸出電能。將雙拱形結構的壓電層作為傳感器的敏感單元，在6mm的振動幅值下，其靈敏度為2.12V/g，線性誤差為5.91%。

7、功能總結

本作品設計了一種可穿戴式PVDF發電裝置，穿戴在身上時可采集并轉化人運動的機械能為電能，最終加以利用。并采用高導電性能的電路對其外接設備進行供電，減少傳輸到儲存電能的電能損失，設計外部連接設備，對PVDF材料的壓電裝置產生的電能進行儲存，對于能量的二次利用具有深遠意義。