基于雙極性駐極體的微振動能量采集器研究.pdf

1、隨著微機電系統(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（如機械振動能、太陽能、熱能等）實現(xiàn)自供能，構(gòu)建“自驅(qū)動系統(tǒng)”，使得分布式的傳感器能夠無源、持續(xù)、免維護地運行成為當前研究的熱點。基于駐極體的微振動能量采集器是自驅(qū)動系統(tǒng)微能源領(lǐng)域研究的一個重要方

2、向。駐極體（electret）又名“永電體”，是一種能夠長期儲存空間電荷與偶極電荷并具有持久保持電極化強度的電介質(zhì)材料。靜電效應(yīng)是其具有的基本物理效應(yīng)?；隈v極體的微振動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，通過外界激勵改變電容量實現(xiàn)振動能向電能的轉(zhuǎn)換。當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、微振動能采集方式、能量采集效率三個方面。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，因而能量轉(zhuǎn)換效率較低。本文采用具有優(yōu)異電荷存儲性能的FEP/THV/FEP三明治型復(fù)合駐極體薄膜為對象，系統(tǒng)研究了該材料的雙極性分布特性、以及電荷存儲的穩(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)。通過對采集系統(tǒng)工作原理的理論分析，設(shè)計制備了非諧振式和諧振式兩種振動能量采集器。通過對能量采集器輸出特性的測量分析，研究了影響振動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”的混合極化方法對復(fù)合膜進行注極，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，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，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)計了基于雙極性駐極體的雙空氣間隙非諧振振動能量采集器。

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)計的測試平臺，測試了基于雙極性駐極體的雙空氣間隙非諧振振動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，交流輸出信號負相位部分轉(zhuǎn)換成正

7、相位，并且振幅擴大，振動周期加倍。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。對基于此能量采集結(jié)構(gòu)設(shè)計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)單峰對稱分布，輸出功率與振動幅度呈現(xiàn)正相關(guān)性；隨駐極體膜表面電