納米氧化鋅在能量采集與觸覺傳感中的應用及其機理研究.pdf

1、隨著人們對納米材料及納米技術研究的不斷深入，近年來納米器件的相關研究取得了突飛猛進的發(fā)展，納米器件的應用已涵蓋了機械、電子、能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥及信息安全等諸多領域。其中，納米氧化鋅(ZnO)材料作為一種兼具半導體性能和壓電性能的功能材料，具有良好的熱穩(wěn)定性和生物相容性，被廣泛用于制備各種功能器件，在光電、壓電、熱電、鐵電等各個領域有著重要的研究價值，目前已成為學術界研究的一個焦點。隨著科學技術的不斷進步，移動便攜式電子設備成為當今社

2、會的一大趨勢，無論是在人際交流、個人健康監(jiān)測亦或者是環(huán)境監(jiān)測等方面，移動便攜式電子設備都是不可或缺的裝置。然而供能問題成為制約這些可穿戴式電子設備發(fā)展的關鍵瓶頸問題?；诩{米ZnO材料的新型能量采集器在可穿戴電子設備、柔性顯示、電子皮膚及自驅動傳感等領域具有重要的應用價值。
　　本論文圍繞ZnO納米材料制備及其在能量收集器、摩擦發(fā)電機和自驅動觸覺傳感器的應用與傳感機理等相關問題，開展了一系列研究工作，主要內容包括以下幾個部分:

3、r>　?。ㄒ唬┘{米氧化鋅在振動式壓電能量收集器中的應用及其機理研究
　　本文提出了一種新型的音叉形結構的懸臂梁式振動型壓電能量收集器，并通過COMSOL軟件對這類懸臂梁式振動型壓電能量收集器的性能進行了有限元模擬分析，探究了不同懸臂梁形狀及結構參數(shù)對輸出性能的影響。在此基礎上，以聚酰亞胺膜(Kapton膜)為基底，采用低溫水熱法合成了氧化鋅納米棒作為功能層，完成了音叉形結構的懸臂梁式振動型壓電能量收集器的實物制備及其性能測試。測試

4、結果表明，當振動臺的振動頻率為13Hz的時候，音叉形結構的懸臂梁式振動型壓電能量收集器的輸出電壓達到最大約160mV,輸出電流達到最大約11nA。通過阻抗測試實驗，表明所設計制作的音叉形能量收集器的最佳匹配阻抗約為9MΩ。通過該音叉結構的使用，能夠有效降低懸臂梁的諧振頻率，從而使得懸臂梁型振動式能量收集器能夠在更低頻率下工作。
　　（二）納米氧化鋅在摩擦發(fā)電機中的應用及其機理研究
　　本文提出了一種新型的以氧化鋅微球作為摩擦

5、發(fā)電機功能層的表面修飾方法，進而改善摩擦發(fā)電機的輸出性能。本部分首先從理論模擬出發(fā)，采用平板式電容的工作原理，模擬研究材料表面的平膜、方柱、圓柱、金字塔等不同表面微結構修飾對摩擦發(fā)電機性能的物理影響機制。結果表明，金字塔結構對表面進行微修飾之后器件具有最優(yōu)的輸出性能。在理論設計基礎上，通過微加工手段制備了具有金字塔微結構修飾的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，應用水熱法在金字塔的頂端合成了氧化鋅微球，實現(xiàn)了對薄膜的二次修飾，提高了三明治式

6、摩擦發(fā)電機的電能輸出。其次，通過實驗手段分析測試了所制備發(fā)電機的電學性能。結果表明，輸出電壓和電流均隨工作頻率的增加逐漸增大;在100Hz時，其開路電壓高達57V，短路電流面密度達到59mA/m2;在2MΩ負載條件下，納米摩擦發(fā)電機最大瞬時功率密度為1.1W/m2，點亮了30顆商用LED。穩(wěn)定性實驗顯示所制作的發(fā)電機在經過10萬個循環(huán)之后，其輸出仍維持在57V左右，展現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性;具有氧化鋅微球修飾的納米摩擦發(fā)電機的電學輸出性能約為

7、無氧化鋅微球修飾的2.3倍。因此，在柔性PDMS金字塔塔尖生長的納米氧化鋅的二次表面結構修飾對提高納米摩擦發(fā)電機的電學性能有著明顯效果。
　?。ㄈ┭趸\納米材料在自驅動觸覺傳感中的應用及其機理研究
　　本文開展了基于納米氧化鋅棒的陣列型柔性觸覺傳感器的材料制備、結構設計和器件工藝研究。結合壓電材料獨有的壓電理論，利用多物理場耦合軟件及有限元算法，探究了氧化鋅納米棒直徑、長度、分布密度與壓電電學性能的物理關聯(lián)機制;在薄膜基底

8、上成功制備了陣列型柔性觸覺傳感器;并對觸覺傳感器陣列的壓力響應和彎曲形變響應進行了深入研究;結果表明，在100Pa-1MPa壓力范圍內，傳感器輸出電壓隨外力作用呈較好的線性關系;當外力為1MPa時，其電壓輸出約為0.32V;在0-20mm壓縮范圍內，傳感器輸出電勢隨壓縮距離的增大呈先增大再減小的關系;當壓縮距離為15mm時，傳感器陣列中心單元具有最大的電壓輸出約為0.26V;在此基礎上，通過LabVIEW軟件系統(tǒng)及DAQ數(shù)據(jù)采集卡搭建了

9、傳感器的數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)，揭示了陣列型柔性觸覺傳感器表現(xiàn)出較好的電子皮膚性能，可以用于機器人的手臂或人體假肢感測外界觸摸動作及壓力;并能夠在軟件前面板中以LED燈的熄滅以及色圖的形式顯示觸摸壓力的有無、位置及大小，結合多通道數(shù)據(jù)采集技術及傳感網絡反饋控制技術，可實現(xiàn)多點觸控顯示及壓力的自驅動傳感等功能。所研制的傳感陣列，能夠實現(xiàn)無源自驅動柔性觸覺傳感，具有重要的研究價值和廣闊的應用空間。
　　本文采用基于壓電方程的多物理場耦合有