智能可穿戴式压电能量采集器的研究现状(2)

2013年，Gu等人. 将定向的PZT纳米线薄膜与PDMS结合在一起以改善薄膜的柔韧性，然后将水平排列的纳米线阵列旋转为垂直定向的纳米线阵列（图8）. 这种方法不仅可以生产超长的PZT纳米. 图6悬挂式负载背包发电装置. 图7基于原子力显微镜的ZnO纳米线结构的工作过程（a）和工作原理图（b）因为氧化锌是一种-型半导体，所以在氧化锌和Pt之间形成了肖特基接触. 当探针与拉伸的氧化锌表面接触时，电子无法在肖特基结内部的作用下从Pt表面流到氧化锌纳米线. 在负电荷的影响下，负电荷积聚在探针表面. 氧化锌表面的正电荷静电力. 同时，由于氧化锌的变形过程相对较慢，因此在此过程中产生的电压非常小，无法测量. 当探针扫向氧化锌纳米线的压缩表面时，肖特基结处于导电状态能量收集器，并且氧化锌纳米线上的负电荷和积累在探针上的负电荷通过外部电路流经探针. 该过程在探针接触压缩表面的尖端时发生，它将产生足以在外部电路中进行测量的电压. 由于压电纳米发电机所基于的纳米材料相对于块状材料具有出色的机械性能，并且对外部小力具有高度敏感性，因此它们可以有效地收集人类活动和来自外界的微弱机械能. 为了提高发生器的性能，纳米发生器材料ZnO的选择扩展到了ZnS，GaN，BaTiO 3，36种现代物理知识线阵列，而且还可以集成大量的PZT纳米线.

阵列的长度极大地影响了纳米发电机的输出电压，而平行纳米线的数量将影响输出电流. 因此，这种方式可以同时增加输出电压和输出电流. 输出电压和电流分别可以达到209 V和50 mA. 由于压电铁电体本身的高阻抗，输出电流非常小，并且产生的能量不能直接驱动低功率电子设备，这是限制柔性压电设备进一步发展的主要因素. 解决此问题的最重要方法是制备和改进高性能压电材料. 基于弛豫型铁电体的PMN-PT和PZN-PT单晶由于其压电能量密度值极高而备受关注. 如果能在柔性压电领域被引用，它将大大提高输出功率和能量转换效率，甚至可以直接驱动某些低功率电子设备直接工作. 2014年，Hwang等人. 通过机械化学减薄制备高性能PMN-PT单晶体，以制备面积为1.7×1.7 cm 2，厚度为8.4 mm的柔性器件，如图9所示. 该器件采用特殊的转移方法使PMN-PT保持整体材料的完整机械性能，同时又具有相当的柔韧性，因此可以有效地收集能量，例如肌肉运动和人体器官搏动. . 在0.33％的应变下，最大开路电压和短路电流可以达到稳定的8V和140mA，最大输出功率可以达到0.16mW，从而成功驱动了起搏器（3V，100mA）.

该设备的最大贡献是将压电集电器的短路电流增加了一个数量级，从而使电能可以克服内部阻抗大的缺点，并且不能直接传递至反面. 最终负载. 但是，PMN-PT单晶也有其自身的缺点: 内部畴尺寸很大，一般达到20〜50mm. 因此，当晶体厚度尺寸落入该范围内时，将对畴结构进行表面夹持. 这种钳位将导致晶体的压电特性随厚度减小而迅速衰减，从而使能量转换效率太低. 解决此问题的方法通常有几种: 1.通过样品制备和极化过程进行改进； 2.准备用厚压电材料制成的设备； 3.通过掺杂减小域的大小. 前两种方法在实际应用中具有电气和机械不稳定性，并且在实际应用中伴随着去极化和断裂失效问题，因此它们不可靠. 图8 PZT纳米发电机的制备工艺及结构表征: （a）〜（c）使用区域定向电纺纳米纤维制备高产量纳米发电机的步骤； （d）区域取向的电纺PZT纳米纤维的SEM照片； （e）垂直取向的超长PZT阵列的扫描电子显微镜（SEM）顶视图； （f）〜（h）垂直取向的超长PZT阵列在不同变形下的光学照片图9由Hwang等人设计. 制备的基于超极化的柔性压电能量收集器的物理图（a）和SEM图像（b）. 薄的PMN-PT 37物理前沿技术和第三种提高材料性能的方法最符合实际需求.

第二代高性能弛豫铁电单晶PIN-PMN-PT是将PMN-PT掺入稀土元素In中以改善其矫顽场，居里温度，畴尺寸等的一种方法. 结构通常可以保持在10mm以下，因此微米级的性能与散装材料的性能没有太大差异. 基于此，研究人员进行了柔性压电器件的制造. 2016年，作者制备了基于弛豫型铁电单晶的柔性阵列能量收集器，如图10所示. 首先，通过化学方法制备了晶面取向为（110）的PIN-PMN-PT薄片. 机械抛光和减薄. 该薄片的厚度为45mm，长度和宽度分别为20mm和2mm. 大的长径比不仅可以降低刚度并提高柔韧性，而且可以降低裂纹扩展的可能性并增强器件的疲劳断裂特性. 然后将多个PIN-PMN-PT条带粘合到柔性电路板和ABS塑料基板上，以形成电并联阵列柔性压电能量收集器. 当压电材料的应变为0.18％时，该器件的开路电压和短路电流可以达到24V和105mA，并且在最佳匹配阻抗下可以输出0.25mW. 2.3能量管理电路和应用对象从第二部分的原理分析中，我们知道压电能量收集器产生的电信号是交流信号，不能直接提供给电子设备. 因此，在连接负载之前，我们需要对其进行整理.

图11（a）是压电能量收集的标准电路. 电流首先经过整流，然后存储在电容器上，最后提供给负载. 这是压电能量收集器工作系统的最简单结构. 但是能量收集器，由于设备与负载之间的电阻抗通常不匹配，并且电能无法转换，因此传输过程会产生很高的损耗，这使得原本很小的输出功率甚至更低，严重影响了其效率. 近年来，具有历史意义的时刻出现了一些高效的能量管理电路，例如基于电感器的同步开关能量收集电路SSHI，同步电荷提取电路SECE等. 这些电路可以将效率提高多达400％〜 900％. 同时，一些大型国外电路芯片制造公司已经引入MEMS和IC技术，以将低功率电子元件与能量管理芯片相结合，从而根据由美国国家半导体设计和制造的长形薄型PIN-PMN-PT阵列制造柔性压力机. 作者. 电集电器的制备过程（a）物理图（b）和工作原理（c）图11标准电路（a）和同步电荷提取电路（b）压电能量收集38现代物理学的许多知识能源管理电路. 如Linear的电源管理芯片LTC3588-1，TI的MSP430系列超低功耗微控制器，Microsemi的超低功耗无线发射器模块ZL70250等. 这些低功耗能量管理系统已在很大程度上解决了标准电路后端电路中能量损耗大的问题.

就应用对象而言，可穿戴式压电装置的显示对象主要是LED灯珠和LCD屏幕. LED灯珠是具有单向导电特性的发光二极管. 当前导板打开时，指示灯点亮. 该开启电压与灯珠本身的特性有关，约为2〜4V. 低功率LED灯珠正常运行所需的瞬时功率约为数十毫瓦. 由于压电能量收集器的高阻抗特性，串联的LED灯珠效果更好. 我将柔性阵列压电能量收集器放在膝盖的背面，并用护膝固定. 如图12所示，设备在行走和跑步过程中的开路电压分别可以达到14V和19V，并且在运行LED珠子期间可以点亮48个蓝灯. 此外，收集的能量用于自供电. 低功率电子设备，射频通信设备等的供应已经成为微能量收集的主要发展方向. 这是因为化学电池的电源始终受到限制，并且在用完电源后，可能会对不方便更换电池的用户（例如，参战的士兵或偏远地区的旅行者）带来一些安全风险. 如果我们能够收集运动能量来为手表甚至手机收集能量，那么我们可以减少电池体积甚至不需要化学电池，从而实现安全，便捷和环保. 韩国KAIST研究所目前使用柔性铁电单晶制备柔性压电器件，该器件用于收集脚跟关节的弯曲能量，用于驱动电子设备，并达到减少行进电池的目的，如图2所示. 图13.

近年来，可穿戴式压电能量收集器已与医疗相结合. 图12作者设计的用于收集人膝运动的柔性阵列设备的（a）由运动产生的开路电压波形（b）和运动后可以充电的设备的充电曲线电池ML414（c）（a）（b）图13柔性设备连接到踝关节的外部，以通过弯曲（a）和驱动秒表（b）来发电. 39在这一研究阶段，物理前沿也是一个热点. 一些健康检测节点通常需要分布在人体内部，例如起搏传感器. 黄等.

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