电子科小大张晓降教授团队Nano Energy：基于周期性侧背悬臂梁的单背电流磨擦电纳米收机电 – 质料牛

【引止】

情景能量会集是电科队N单背电流电纳一种能实用途理微系统供电需供的格式，好比可感应构建物联网的小大悬臂数万亿传感器提供供电妄想。比去多少年去，张晓质料教者们基于压电、降教y基机电光电、授团电磁战热电效应等不开的于周工做机理，斥天了多种情景能量会集足艺。期性而磨擦电纳米收机电（TENG）做为一种新兴的侧背情景能量会集足艺，不但可能约莫获良多种模式的磨擦米收情景能量，而且具备可延绝性等劣秀特色。电科队N单背电流电纳TENG由磨擦起电效应正在磨擦界里上产去世电荷与静电感应迷惑电荷经由电极转移配开熏染感动而真现收电。小大悬臂随着人们对于TENG潜在操做的张晓质料深入的钻研，自供电传感器、降教y基机电自驱动真止器、授团一体式自供电微系统等诸多基于TENG的于周配置装备部署战系统已经患上到了提醉 (Nano Energy, 47, 410, 2018; 64, 103911, 2019; 66, 104123, 2019)。可是TENG固有的交流正背脉冲输入特色却极小大天限度了真正在际操做。尽管TENG有干戈分足式、相对于滑动式、单电极式、自力式等四种不开的模式，但它们皆展现出由电极间感应电荷的流进战流出所产去世的交流特色。那类正背交变脉冲的电流波形对于构建自供电的传感器战驱动器玄色常实用的，但却出法直接为需供直流电的电子器件供电。为了将那类交流脉冲电转换为直流电，钻研职员已经斥天出了多种电源操持足艺，其中整流电路是真现单背电流转换的底子。但整流电路所带去的功耗对于TENG的输入功能有确定的影响，会导致其供电才气的降降。此外，由于整流电路的存正在，导致散成易度删小大，从而限度了其潜在操做；经由历程散成微纳能源器件，以真现一体式自供电微系统的好好愿景将被削强。

【功能简介】

远日，正在电子科技小大教张晓降教授团队基于周期性侧背悬臂梁的坐异设念，提出了一种新型的单背电流磨擦电纳米收机电（UC-TENG）。该工做借助特意设念的导电汇散战侧背悬臂梁的组开，将电荷的行动克制正在繁多标的目的上，从而组成单背电流。经由历程仿真战测试系统钻研了所提出的UC-TENG的工做机理，证明了该设念的输入波形具备仄均晃动的单背特色。其最小大开路电压、短路电流战功率稀度分说抵达300 V、1.4 mA战15.68 mW/m²。此外，所制备UC-TENG借乐终日操做于电容器战低功耗电子配置装备部署直接、连绝供电。那类基于侧背悬臂梁的新型UC-TENG往除了整流器电路，从而简化了传统TENG的电源操持电路；经由历程后退自供电微系统的散成度，极小大天拓宽了TENG的排汇力。该功能以题为“Unidirectional-current triboelectric nanogenerator based on periodical lateral-cantilevers”宣告正在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1 UC-TENG的挨算示诡计

（a）UC-TENG的挨算图。

（b）UC-TENG定子上两个导电框架的挨算图。

（c）UC-TENG组开后的图片。

图2 UC-TENG的工做道理图

（a）UC-TENG的工做道理图。

（b）UC-TENG的器件挨算示诡计。

图3 UC-TENG的工做历程战仿真下场

（a）UC-TENG的工做历程图。

（b）UC-TENG的仿真下场。

图4 UC-TENG的真物照片

（a）UC-TENG的看重图。

（b）定子的瞻仰图。

（c）定子的底视图。

（d）转子的瞻仰图。

图5 UC-TENG的电输入功能

（a,b）UC-TENG输入电压波形。

（c,d）UC-TENG输入电流波形。

图6 UC-TENG的供电才气丈量

（a）UC-TENG的中减电阻的输入电压与电流。

（b）UC-TENG的中减电阻的输入功率。

（c）UC-TENG直接给电容充电的电路图。

（d）UC-TENG为正在不开转速下直接、连绝的为1 μF电容器充电的电压直线。

图7 UC-TENG正在气流能量团分散的操做

（a-b）UC-TENG患上到风能的拆配照片。

（c-f） UC-TENG会集两个相同标的目的的风能的而产去世正（c,d）背（e,f）单背电。

图8 UC-TENG的真践操做演示

（a–c）UC-TENG乐成驱动了温度计去隐现情景温度。

（d–f）UC-TENG为商用合计器供电。

（g,h） UC-TENG的单背输入特色演示。

【小结】

那项工做正在周期性侧背悬臂梁挨算设念的底子上，提出了一种新型的单背电流磨擦电动纳米收机电，它可能将旋转折械能转化为可能约莫直接操做的单背电，而不需供任何整流电路。该工做使TENG操做中的电源操持电路患上到简化，同时可能削减整流模块激发的功率耗益，后退功率传输效力。经由历程将印制电路板（PCB）工艺引进到UC-TENG中，使该器件具备下牢靠性战低老本的远景。经由历程仿真战魔难魔难，验证了UC-TENG道理的牢靠性。所制备的拆配可能直接为储能单元充电，仅需7.38 s即可将一个1 µF的电容器充电到10µV，且拆配的最小大功率为15.68  mW/m²。此外，该工做借证明了所制备的UC-TENG可能无需任何整流电路，直接驱动商用电子产物（如电子温度计战小型合计器）。与传统的TENG比照，UC-TENG经由历程简化电源操持挨算，增强了TENG的散成才气，组成一体化的自供电微系统，展现出了宏大大的后劲，相疑可能约莫拷打TENG正在真践操做中产去世更尾要的影响。

文献链接：Unidirectional-current triboelectric nanogenerator based on periodical lateral-cantilevers（Nano Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104770）

本文由木文韬翻译。

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