能量收集器

In this paper, we report on a proof-of-concept level energy harvester device that could earn electric power of 0.093 µW/cm by the fluidic motion in a PDMS (polydimethylsiloxane) micro fluidic channel placed on a silicon substrate with built-in permanent electrical charges or so-called electrets. Targeting implantable medical devices such as respiratory pace-maker, the heart beat or aspiration is thought to be the source of motion as a final shape of the energy harvesting system.

电源与外部负载的阻抗匹配是任何电子系统从电源到负载的优化功率传输的必备参数之一。电源阻抗与外部负载的失配，可能会因反射而导致功率转移的急剧减小。本文对能量采集器与负载阻力的负载匹配进行了系统的试验研究。实验结果表明，在无外负载条件下，输出电压为68.46   V，输出电流为14.59   µ A，瞬时功率为0.937   mW。在最佳负载4   M Ω下，输出功率降低到0.248   mW。分别在4.5   Hz和2.8   N的频率和力作用下进行了严格的实验研究。对于自持系统的潜在应用，摩擦电能量收集器装置也得到了论证。

健康监测、电子皮肤和软机器人需要大面积和强有力的能量收集策略来为嵌入式传感器和外围电子产品供电。摩擦电纳米发电机( TENG )是自供电传感器和自充电系统的最佳选择。本文提出了一种大规模便捷、兼容的棒辅助打印方法，实现了具有良好疏水性的分级微结构聚合物复合摩擦电薄膜，提高了TENG的电输出性能，实现了TENG的鲁棒性，通过将石墨填料引入到最佳浓度的聚二甲基硅氧烷( PDMS )中调节TENG器件的电输出。所实现的基于TENG的微结构石墨/ PDMS复合材料，在1.2   N的外力作用下，提供高稳定的短路电流42   µ A，开路电压410   V，转移电荷160   nC，足以为可穿戴传感器供电或对储能器件充电。TENG器件可在2   s内将2.2   µ f电容充电至1.5   V，可发光30个商用绿色LED，并可驱动电子表。自动力触觉传感也通过将TENG装置附着在橡胶手套上来监测抓取物体的过程得到了证明。进一步，制作了大规模自供电传感器阵列，并利用其绘制空间压力分布。这项工作不仅展示了一种可扩展地制备具有高电输出、优异耐久性和环境稳定性的高性能TENGs的分级微结构聚合物复合薄膜，而且为未来性价比和自供电电子的发展带来了洞察力。

健康监测、电子皮肤和软机器人需要大面积和强有力的能量收集策略来为嵌入式传感器和外围电子产品供电。摩擦电纳米发电机( TENG )是实现自供电传感器和自充电系统的最佳选择。本文提出了一种简单、兼容的大规模棒状辅助印刷方法，实现了具有良好疏水性的分级微结构聚合物复合摩擦电薄膜，以提高TENG的电输出性能和鲁棒性。TENG器件的电输出通过将石墨填料以最佳浓度送入聚二甲基硅氧烷( PDMS )中进行调谐。所实现的基于TENG的微结构石墨/ PDMS复合材料，在1.2   N的外力作用下，提供高稳定的短路电流42   µ A，开路电压410   V，转移电荷160   nC，足以为可穿戴传感器供电或对储能器件充电。TENG器件可在2   s内将2.2   µ f电容充电至1.5   V，可发光30个商用绿色LED，并可驱动电子表。自动力触觉传感也通过将TENG装置附着在橡胶手套上来监测抓取物体的过程得到了证明。进一步，制作了大规模自供电传感器阵列，并利用其绘制空间压力分布。这项工作不仅展示了一种可扩展地制备具有高电输出、优异耐久性和环境稳定性的高性能TENGs的分级微结构聚合物复合薄膜，而且为未来性价比和自供电电子的发展带来了洞察力。

摘要\n物联网( IoT )因其多样的应用和市场潜力而日益普及。他们更多地被推到偏远的地点，开发人员寻找永远的电源。振动能量采集器( EH )能够缓解供电问题。采用氧化锌( ZnO )、聚二甲基硅氧烷( PDMS )和银( Ag )。但观察到薄膜晶粒尺寸有很大影响，即大晶粒薄膜优于小晶粒薄膜。本文分析了影响参数并进行了相关实证研究。采用扫描电子显微镜( SEM )、X射线衍射( XRD )、电学表征等方法进行了深入分析。观察到本工作实现了46.92µWpeak / 15.03µWrms功率。

能量收集器( EH )技术已迅速发展，以替代生物力学电子的电池，但在实现柔性和生物相容性能量收集器方面，仍需努力缩小技术差距。目前基于ZnO纳米阵列的柔性能量收集器需要复杂的制作工艺，而且由于通常是在硬基片上制作，因此它们是不可拉伸的。本工作报道了一种简单的方法，即直接将ZnO纳米阵列完全嵌入到与人体皮肤具有相似力学性能的类皮肤聚二甲基硅氧烷( PDMS )弹性体基体中，制备无基底能量收集器。该柔性器件的弹性模量为3.3 MPa，可拉伸至原长度的250 %，可产生高达9.2 Vpp的开路电压，并可通过手指移动驱动LED。此外，该装置通过体外和体内试验从手指运动和心跳中收集能量。由安装在猪模型无铅起搏器上的装置产生约0.3 Vpp开路电压。这项工作提出了一种通用的设计策略，克服了能量材料和软组织之间的机械不匹配，适用于从可穿戴到可植入的各种生物力学EH应用。

柔性压电纳米发电机( PENGs )由于具有实现自供电传感器和低功耗电子的巨大潜力，在机械能收集方面极具吸引力。本文在柔性透明的聚二甲基硅氧烷( PDMS )衬底上制备了一种基于氧化锌( ZnO )纳米线( NWs )的PENG。采用水热合成法在两种不同的种子层结构上沉积了ZnO纳米线，即金( Au ) / ZnO和锡掺杂铟氧化物( ITO ) / ZnO。随着ZnO纳米线的结构和形貌分析，我们也对ZnO纳米线基柔性PENGs的电学特性进行了研究。为了评价PENG器件结构的适宜性，对其电输出性能进行了研究。通过施加3 N的周期性机械力，ZnO NWs基柔性PENG产生了最大均方根( RMS )电压，平均功率分别为2.7 V和64 n W。此外，器件性能的比较表明，采用ITO / ZnO种子层结构可以获得较高的电输出。提出的基于ZnO NWs的PENG结构可以为便携式电子产品的供应提供灵活、性价比高的器件。

柔性压电纳米发电机( PENGs )由于具有实现自供电传感器和低功耗电子的巨大潜力，在机械能收集方面极具吸引力。本文在柔性透明的聚二甲基硅氧烷( PDMS )衬底上制备了一种基于氧化锌( ZnO )纳米线( NWs )的PENG。采用水热合成法在两种不同的种子层结构上沉积了ZnO纳米线，即金( Au ) / ZnO和锡掺杂铟氧化物( ITO ) / ZnO。随着ZnO纳米线的结构和形貌分析，我们也对ZnO纳米线基柔性PENGs的电学特性进行了研究。为了评价PENG器件结构的适宜性，对其电输出性能进行了研究。通过施加3 N的周期性机械力，ZnO NWs基柔性PENG产生了最大均方根( RMS )电压，平均功率分别为2.7 V和64 n W。此外，器件性能的比较表明，采用ITO / ZnO种子层结构可以获得较高的电输出。提出的基于ZnO NWs的PENG结构可以为便携式电子产品的供应提供灵活、性价比高的器件。