納米氧化鋅在能量采集與觸覺傳感中的應(yīng)用及其機(jī)理研究.pdf

1、隨著人們對納米材料及納米技術(shù)研究的不斷深入，近年來納米器件的相關(guān)研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，納米器件的應(yīng)用已涵蓋了機(jī)械、電子、能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥及信息安全等諸多領(lǐng)域。其中，納米氧化鋅(ZnO)材料作為一種兼具半導(dǎo)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(lǐng)域有著重要的研究價值，目前已成為學(xué)術(shù)界研究的一個焦點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動便攜式電子設(shè)備成為當(dāng)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(shè)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(shè)備發(fā)展的關(guān)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(shè)備、柔性顯示、電子皮膚及自驅(qū)動傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(jī)和自驅(qū)動觸覺傳感器的應(yīng)用與傳感機(jī)理等相關(guān)問題，開展了一系列研究工作，主要內(nèi)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(yīng)用及其機(jī)理研究
　　本文提出了一種新型的音叉形結(jié)構(gòu)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(jìn)行了有限元模擬分析，探究了不同懸臂梁形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸出性能的影響。在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的懸臂梁式振動型壓電能量收集器的實(shí)物制備及其性能測試。測試

4、結(jié)果表明，當(dāng)振動臺的振動頻率為13Hz的時候，音叉形結(jié)構(gòu)的懸臂梁式振動型壓電能量收集器的輸出電壓達(dá)到最大約160mV,輸出電流達(dá)到最大約11nA。通過阻抗測試實(shí)驗，表明所設(shè)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(jié)構(gòu)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。
　?。ǘ┘{米氧化鋅在摩擦發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用及其機(jī)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(jī)功能層的表面修飾方法，進(jìn)而改善摩擦發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)修飾對摩擦發(fā)電機(jī)性能的物理影響機(jī)制。結(jié)果表明，金字塔結(jié)構(gòu)對表面進(jìn)行微修飾之后器件具有最優(yōu)的輸出性能。在理論設(shè)計基礎(chǔ)上，通過微加工手段制備了具有金字塔微結(jié)構(gòu)修飾的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，應(yīng)用水熱法在金字塔的頂端合成了氧化鋅微球，實(shí)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(jī)的電能輸出。其次，通過實(shí)驗手段分析測試了所制備發(fā)電機(jī)的電學(xué)性能。結(jié)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(dá)57V，短路電流面密度達(dá)到59mA/m2;在2MΩ負(fù)載條件下，納米摩擦發(fā)電機(jī)最大瞬時功率密度為1.1W/m2，點(diǎn)亮了30顆商用LED。穩(wěn)定性實(shí)驗顯示所制作的發(fā)電機(jī)在經(jīng)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(jī)的電學(xué)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(jié)構(gòu)修飾對提高納米摩擦發(fā)電機(jī)的電學(xué)性能有著明顯效果。
　　（三）氧化鋅納米材料在自驅(qū)動觸覺傳感中的應(yīng)用及其機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計和器件工藝研究。結(jié)合壓電材料獨(dú)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(xué)性能的物理關(guān)聯(lián)機(jī)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(yīng)和彎曲形變響應(yīng)進(jìn)行了深入研究;結(jié)果表明，在100Pa-1MPa壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出電壓隨外力作用呈較好的線性關(guān)系;當(dāng)外力為1MPa時，其電壓輸出約為0.32V;在0-20mm壓縮范圍內(nèi)，傳感器輸出電勢隨壓縮距離的增大呈先增大再減小的關(guān)系;當(dāng)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(chǔ)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(jī)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(jié)合多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)及傳感網(wǎng)絡(luò)反饋控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控顯示及壓力的自驅(qū)動傳感等功能。所研制的傳感陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)無源自驅(qū)動柔性觸覺傳感，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用空間。
　　本文采用基于壓電方程的多物理場耦合有