基于雙極性駐極體的微振動(dòng)能量采集器研究.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展，MEMS傳感器被廣泛的應(yīng)用于大型橋梁或建筑的安全監(jiān)控、動(dòng)物跟蹤、無線遙感監(jiān)測等領(lǐng)域，并向低功耗、便攜、自供能等方向發(fā)展。然而，相對(duì)滯后的微能源技術(shù)制約著MEMS傳感器的發(fā)展。通過收集周圍環(huán)境中的各種能源（如機(jī)械振動(dòng)能、太陽能、熱能等）實(shí)現(xiàn)自供能，構(gòu)建“自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，使得分布式的傳感器能夠無源、持續(xù)、免維護(hù)地運(yùn)行成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?；隈v極體的微振動(dòng)能量采集器是自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)微能源領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方

2、向。駐極體（electret）又名“永電體”，是一種能夠長期儲(chǔ)存空間電荷與偶極電荷并具有持久保持電極化強(qiáng)度的電介質(zhì)材料。靜電效應(yīng)是其具有的基本物理效應(yīng)。基于駐極體的微振動(dòng)能量采集器正是利用其靜電效應(yīng)在駐極體與電極之間構(gòu)建可變電容，通過外界激勵(lì)改變電容量實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)前駐極體能量采集器的研究主要集中在駐極體材料性能與極化方法、微振動(dòng)能采集方式、能量采集效率三個(gè)方面。在采集器的結(jié)構(gòu)中，一般采用在駐極體材料一面鍍電極的方式，沒有利

3、用駐極體材料正反兩面呈現(xiàn)雙極性的特點(diǎn)，因而能量轉(zhuǎn)換效率較低。本文采用具有優(yōu)異電荷存儲(chǔ)性能的FEP/THV/FEP三明治型復(fù)合駐極體薄膜為對(duì)象，系統(tǒng)研究了該材料的雙極性分布特性、以及電荷存儲(chǔ)的穩(wěn)定性和均勻性。在此基礎(chǔ)上，提出了基于雙極性駐極體的雙間隙能量采集系統(tǒng)。通過對(duì)采集系統(tǒng)工作原理的理論分析，設(shè)計(jì)制備了非諧振式和諧振式兩種振動(dòng)能量采集器。通過對(duì)能量采集器輸出特性的測量分析，研究了影響振動(dòng)能量采集器輸出功率的因素。
　　本研究主要

4、內(nèi)容包括：⑴通過高溫?zé)釅汗に?，將非極性材料FEP與極性材料THV復(fù)合，制備得到了三明治型復(fù)合膜材料FEP/THV/FEP；通過“電暈極化/熱極化/電暈極化”的混合極化方法對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行注極，制備得到了雙極性復(fù)合駐極體膜。經(jīng)過200h的穩(wěn)定性跟蹤測試表明，駐極體薄膜呈現(xiàn)穩(wěn)定的雙極性特點(diǎn)，上下表面平均電位分別為-1230V和910V，表面電荷密度分別為σ1=-3.69mC/m2、σ2=2.74mC/m2。顯示出了優(yōu)異的電荷存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。⑵通過

5、自行搭建的二維表面電位分布測量平臺(tái)，首次跟蹤測試了三次極化后的三明治型復(fù)合膜材料FEP/THV/FEP表面電位分布的變化情況，得到了極化10.5h及200h后4cm×4cm面積樣品的表面電位分布圖。結(jié)果表明：極化10.5h時(shí)后，樣品表面電位集中在核心區(qū)域，表面電位分布均勻，且保持較高的電位；存放200h后，樣品表面電位向周圍擴(kuò)散，分布均勻。上下表面電場極性相反，電位變化規(guī)律相同。⑶設(shè)計(jì)了基于雙極性駐極體的雙空氣間隙非諧振振動(dòng)能量采集器。

6、采集器中，雙極性駐極體薄膜被放置在上下兩電極中間，在上下電極與駐極體膜之間存在兩層空氣間隙，等效為兩個(gè)可變電容串聯(lián)。基于此結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)理論模型，推導(dǎo)得到了輸出電壓和電流的表達(dá)式。得出了輸出電壓遵循正弦波特性、輸出電流遵循余弦波特性的結(jié)論。⑷通過自行設(shè)計(jì)的測試平臺(tái)，測試了基于雙極性駐極體的雙空氣間隙非諧振振動(dòng)能量采集器的輸出特性，結(jié)果表明，輸出波特性與理論推導(dǎo)一致，呈現(xiàn)交流波行為。輸出行為經(jīng)二極管整流后，交流輸出信號(hào)負(fù)相位部分轉(zhuǎn)換成正

7、相位，并且振幅擴(kuò)大，振動(dòng)周期加倍。與單氣隙采集器相比，在低頻條件下，能量輸出效率顯著提高。對(duì)基于此能量采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備的電子名片的測試表明，用手指單次觸碰采集器就可點(diǎn)亮液晶屏幕（LCD），顯示了良好的靈敏性。⑸采用在上下電極和駐極體膜之間嵌入微彈簧的方式，制備了諧振式能量采集器。通過對(duì)能量采集器的輸出特性測量分析表明，輸出電流、電壓及功率在測量頻率域30HZ~200HZ內(nèi)呈現(xiàn)單峰對(duì)稱分布，輸出功率與振動(dòng)幅度呈現(xiàn)正相關(guān)性；隨駐極體膜表面電