劉想 張震 黃成瀅

摘要：設(shè)計(jì)并制作了柔性陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)。測(cè)試了其輸出性能，探究了其工作原理，并曲面壓力傳感測(cè)試以滿足應(yīng)用于可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。最后測(cè)試了設(shè)備的空間分辨率。整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。期望為高分辨率電子的設(shè)計(jì)提供新的思路。

關(guān)鍵詞：摩擦納米發(fā)電機(jī)；PDMS；自驅(qū)動(dòng)傳感器

中圖分類號(hào)：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）32-0246-03

1 設(shè)計(jì)背景

2000年來，電子設(shè)備的蒸蒸日上是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)繁榮興盛的主要象征之一。經(jīng)過長(zhǎng)足的發(fā)展，電子設(shè)備以其技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、種類繁多的特點(diǎn)徹底的融入了人們的日常生活中。當(dāng)然，電子設(shè)備仍有極大的發(fā)展空間等著我們?nèi)ヌ剿?。在?shí)際應(yīng)用中，小型便攜式電子設(shè)備主要依靠外部電源供能。在電子設(shè)備龐大的基礎(chǔ)數(shù)量下，其使用的電池?cái)?shù)目也極其龐大。電池不僅成本高昂、調(diào)換繁瑣，處理不當(dāng)還會(huì)污染環(huán)境，弊端較多。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的出現(xiàn)，很大程度上解決了這個(gè)難題。TENG能收集環(huán)境中的機(jī)械能，它原理淺顯、輸出效能高且其收集的能量可供給自身，常應(yīng)用于自驅(qū)動(dòng)傳感器中。自驅(qū)動(dòng)傳感器能自給自足，節(jié)能高效。或?qū)⒊蔀槲磥砦锫?lián)網(wǎng)時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)脈絡(luò)中發(fā)揮不可忽視的作用。

2 材料選擇

依據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理，即摩擦起電（electrification by friction）效應(yīng)和靜電感應(yīng)（Electrostatic induction）效應(yīng)，需使用兩個(gè)摩擦電系數(shù)差異大、具備微結(jié)構(gòu)的聚合物原料上下堆疊，并在組合結(jié)構(gòu)的兩端接入金屬電極構(gòu)成。在設(shè)備內(nèi)部，摩擦起電產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)差驅(qū)使電子在電路中流動(dòng)，產(chǎn)生電信號(hào)。要形成并放大上述兩種效應(yīng)，就需要摩擦面能夠產(chǎn)生更多的感應(yīng)電荷，即摩擦電系數(shù)差異要大。表1是部分原料的摩擦電系數(shù)比較。這里我們采用了柔韌性強(qiáng)的PDMS和綜合性能優(yōu)異的碳纖維。PDMS（polydimethylsiloxane），聚二甲基硅氧烷。PDMS常態(tài)為無色或淺黃色液體，無味，透明度高，加熱固化后具有生理惰性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性。電絕緣性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50℃～200℃下長(zhǎng)期使用，具有優(yōu)良的物理特性。被廣泛應(yīng)用于微流控等領(lǐng)域。

3 整體制備流程

將常態(tài)PDMS與固化劑以10比1的質(zhì)量比混合均勻，置入離心機(jī)內(nèi)離心20分鐘，完全去除氣泡，得到液態(tài)的固化原料。

將液態(tài)的固化原料旋涂在干凈的玻璃襯底上，90攝氏度加熱4分鐘，得到未完全固化的粘性薄膜。

在光學(xué)顯微鏡下，使用機(jī)械探針每隔相同的距離平行放置碳纖維棒，直至鋪滿整個(gè)薄膜。90度加熱35分鐘，將這部分PDMS薄膜完全固化。

在此基礎(chǔ)上旋涂等量固化原料，90度加熱4分鐘。碳纖維垂直上一批次方向再次鋪滿整個(gè)薄膜。90度加熱35分鐘固化此部分薄膜。

再次旋涂等量固化原料并完全固化。將其揭下即得陣列式納米發(fā)電機(jī)。至此，將其接入外電路即可工作。

4 陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出測(cè)試

利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備控制鋼針做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，周期性觸碰陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)，觸碰壓力約35000帕斯卡。鋼針的觸碰導(dǎo)致陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)出現(xiàn)周期性的機(jī)械形變，設(shè)備受到壓縮后，兩種原料表面緊密接觸并發(fā)生摩擦，致使電荷轉(zhuǎn)移，兩種原料表面帶上了相反的電荷。這就是摩擦電效應(yīng)。當(dāng)形變釋放，即壓力消失時(shí)兩個(gè)帶相反電荷的表面分開，相反的電荷自發(fā)的在電荷之間產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)的出現(xiàn)帶來了電勢(shì)差（電壓）。這就是靜電感應(yīng)效應(yīng)。

圖1a可以看出，設(shè)備不僅出現(xiàn)了正向電流，還出現(xiàn)了負(fù)向電流。這是因?yàn)镻DMS是絕緣體。在工作中，感應(yīng)電勢(shì)差變?yōu)榱愫?，摩擦電荷沒有流走，而是留存在絕緣材料上。這樣，在鋼針做周期（簡(jiǎn)諧）運(yùn)動(dòng)下，摩擦電荷就能在電路中引發(fā)交變電流。

圖1c可見，設(shè)備引發(fā)摩擦電荷進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間是68毫秒。圖1d可見，當(dāng)壓力在28千帕到42千帕之間時(shí)，壓力與設(shè)備釋放的電流成正比例。圖1可見，保持工作狀態(tài)近3小時(shí)后設(shè)備的性能始終保持原狀，說明設(shè)備工作穩(wěn)定。

5 陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的曲面壓力傳感測(cè)試

陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)在收集環(huán)境信息時(shí)不需要另外提供電源，不過為了應(yīng)用于可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我們要求它能在彎曲狀態(tài)下穩(wěn)定工作。在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，我們選用一個(gè)具有代表性意義的典型特征結(jié)果以展開進(jìn)一步分析。取適當(dāng)大小的陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)，分別貼合在指尖的指紋處和指甲處，配合鋼針測(cè)試陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。圖2a是貼合在指尖的指紋處的電信號(hào)圖示。由圖可見陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的正向電流最大值比負(fù)向電流最大值要小許多，且電流波形反復(fù)震蕩。由于指尖指紋處比較柔軟且彈性較大，施加壓力時(shí)緩沖強(qiáng)，所以施加壓力的時(shí)間要比釋放壓力的時(shí)間長(zhǎng)。圖2b是貼合在指尖的指甲處的電信號(hào)圖示。易得指甲處硬度大、緩沖弱，施加與釋放壓力時(shí)間近似相同，于是圖示波形中最大值差距較小。該實(shí)驗(yàn)說明陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠在彎曲狀態(tài)下穩(wěn)定工作，符合應(yīng)用于可穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的柔性要求。

6 陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的高分辨率壓力傳感測(cè)試

作為壓力傳感器，空間分辨率是評(píng)價(jià)陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)性能和遙感信息的重要指標(biāo)之一，也是識(shí)別信息的重要依據(jù)。空間分辨率所表示的尺寸、大小，在圖像上是離散的、獨(dú)立的，它反映了圖像的空間詳細(xì)程度?？臻g分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。

圖3a是陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的像素分布示意圖。由制備流程可知組成方格的直線就是原料中的碳纖維。任意指定某行某列即可建立坐標(biāo)系，定義每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。當(dāng)某坐標(biāo)被施加壓力，該坐標(biāo)所在的行和列就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)感應(yīng)電流。通過分析電流信號(hào)即可鎖定受力位置，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。為了更好地測(cè)試陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的性能，分別制作了數(shù)種不同分辨率的設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一系列可靠實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的最高分辨率可以達(dá)到人體皮膚感受器的十倍以上。

此外，一般要提高設(shè)備的空間分辨率可以提高單位面積內(nèi)點(diǎn)陣的密度，點(diǎn)陣越密集，分辨率越高。即在PDMS內(nèi)置入更多碳纖維，碳纖維之間的距離更小。但隨著碳纖維即電極與電極的距離越小，電極與電極的信號(hào)干擾現(xiàn)象也會(huì)越發(fā)明顯，或?qū)?dǎo)致空間分辨率因?yàn)楦蓴_而大幅降低。為了規(guī)避這一現(xiàn)象，我們通過比較相鄰兩電極電流的比值來探究信號(hào)干擾的影響。圖4可見，兩電極間距從0.6毫米逐漸變?yōu)?.2毫米后，信號(hào)干擾現(xiàn)象越發(fā)明顯。當(dāng)測(cè)試最小為0.2毫米時(shí)，比值約為9，數(shù)值依然較大。

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)我們初步了解了陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)，但要想完全發(fā)掘陣列式摩擦納米發(fā)電機(jī)的潛力，我們?nèi)孕柙谖磥黹_展大量的工作進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 納米能源所摩擦納米發(fā)電機(jī)研究獲進(jìn)展[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用， 2014， 41（4）： 69.

[2] 陳號(hào)天， 宋宇， 陳學(xué)先， 等. 微納米能源系統(tǒng)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展——NGPT 2018國(guó)際會(huì)議綜述[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)， 2018， 16（4）： 757-763.

[3] 張曉. 科研人員開發(fā)出生物全可吸收純天然材料摩擦納米發(fā)電機(jī)[J]. 科學(xué)， 2018， 70（4）： 5.

[4] 唐穎捷， 胡碩. 結(jié)合摩擦納米發(fā)電機(jī)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[J]. 中國(guó)科技信息， 2018（10）： 107-108， 12.

[5] 孫雄飛， 郭建生. 基于柔性紡織材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)及其應(yīng)用[J]. 棉紡織技術(shù)， 2018， 46（5）： 77-81.

[6] 王歡， 郝丹丹， 朱杰， 等. 基于雙拱形結(jié)構(gòu)的壓電-摩擦復(fù)合納米發(fā)電機(jī)[J]. 微納電子技術(shù)， 2018， 55（4）： 276-283.

[7] 薛敏敏. 摩擦納米發(fā)電機(jī)首次驅(qū)動(dòng)靜電紡絲系統(tǒng)制造納米纖維[J]. 合成纖維， 2018， 47（2）： 42.

[8] 新型. 一種具有形狀記憶功能的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)[J]. 化工新型材料， 2018， 46（2）： 275-276.

[9] 田竹梅， 何劍， 溫濤， 等. 復(fù)合納米聚合物摩擦發(fā)電效能的研究[J]. 微納電子技術(shù)， 2018， 55（3）： 166-171， 188.

[10] 邱宇， 裴俊樂， 楊德超， 等. 基于COMSOL模擬的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電特性[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2017， 37（9）： 1-5， 11.

[11] 中科院開發(fā)出基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的綜合觸覺傳感系統(tǒng)[J]. 潤(rùn)滑與密封， 2017， 42（4）： 94.

[12] 陳杰， 郭恒宇， 冉柯靜， 等. 表面微結(jié)構(gòu)對(duì)PDMS摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出功率的影響及電誘導(dǎo)生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列[J]. 中國(guó)科技論文， 2015， 10（17）： 2004-2008.

[13] 納米能源所摩擦納米發(fā)電機(jī)研究獲進(jìn)展[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用， 2014， 41（4）： 69.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】