面向自供电人体运动信息采集的柔性摩擦纳米发电机研究

发布时间：2020-08-07 17:33

【摘要】：近年来,各种可穿戴电子设备有了迅猛的发展,要求与之配套的供能器件具有柔性、可弯曲、性能稳定、能够适应人体的运动状况、易于集成等特点。传统化学能电池质地坚硬、寿命有限、环境污染严重,不适合柔性电子设备配套电源的发展趋势。基于摩擦起电与静电感应的耦合原理,摩擦纳米发电机可以收集环境中存在的各种形式的能量,具有灵活的结构、较好的环境适应性、较大的输出性能,在能源采集领域受到广泛的关注。人体日常运动中存在各种不同形式的运动能量,包括行走、跑步、拍打等,如果能将人体运动的能量采集转化为电能,可满足部分可穿戴电子设备的能耗需求,为此,通过摩擦纳米发电机转化低频、不同幅度的人体运动能量为电能,是解决可穿戴电子设备供能问题,构建自驱动传感器件进行人体运动信号监测、健康信号监测的有效且环保的途径。本论文针对可穿戴电子设备的能源供给及人体运动状态监测的实际应用需求,研究了提高摩擦纳米发电机输出性能的因素;设计和构建了能够进行人体运动能量采集及运动次数统计的基于织物结构的柔性摩擦纳米发电机;设计和构建了能够进行人体运动能量采集及运动状态传感的基于核-壳同轴式结构的柔性摩擦纳米发电机。全文的具体研究要点如下:1、以摩擦纳米发电机电容模型理论为基础,探讨提高摩擦纳米发电机输出性能的途径。制备了添加高介电常数钛酸钡(BaTiO_3)纳米颗粒的复合纳米聚合物薄膜,从材料介电性能改性角度提高了摩擦纳米发电机的输出性能;制备了添加发泡微球颗粒的孔穴结构薄膜,从有效介电层厚度减小的角度提高了摩擦纳米发电机的输出性能。2、针对人体运动能量采集的特殊应用需求,采用“平织法”制备工艺,制备了重量轻、稳定性好、高输出性能、生物兼容性好、可穿戴的基于织物结构的柔性摩擦纳米发电机。为了进一步提高摩擦纳米发电机的输出性能,制备了基于织物结构的层叠式摩擦纳米发电机,当其采集人体手掌拍打运动能量时,可以获得160μA的输出短路电流及600V的开路电压。将制备的基于织物结构的层叠式摩擦纳米发电机放置于肘部、腋下、膝盖内侧以及脚底等人体部位,通过走路、跑步、拍打等人体运动,其输出能量能够驱动100盏串联的LED灯、比赛计时器、数字时钟、计算器实时工作,展示了其在自供能照明装置、便携式电子设备等领域的应用前景。通过摩擦纳米发电机采集人体运动信号,经过整流、放大、计数、显示后,可以实时显示人体运动的次数,实现运动监视设备功能。3、采用自制的柔性电极材料与室温硫化硅胶材料,制备了气囊型的基于核-壳同轴式结构的柔性摩擦纳米发电机,制备的摩擦纳米发电机具有良好的柔韧性、轻重量、持久性与生物兼容性,能够采集按压、弯曲、扭曲等不同形式的运动能量。能够获取来自于与轴向垂直的不同方位的能量或信息,适应于灵活的身体运动情况。按照电流倍增特性,可以根据应用场合的供能需求,选择不同数目的基于核-壳同轴式结构的柔性摩擦纳米发电机与衣服集成,提高能量利用率。基于核-壳同轴式结构的摩擦纳米发电机具有独特的气囊式结构,使得器件具备极其灵敏的感应能力,根据其在不同弯曲、扭曲角度的输出信号,可以实现弯曲、扭曲角度传感的功能,进而可以检测身体关节运动的弯曲角度,为运动状态监测或身体康复训练提供指导作用。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31
【图文】：

电子设备,出货量,全球,单位

中北大学学位论文可穿戴电子设备的营销市场呈现井喷式增长，已经应用于包括航空、医疗、军事银行、商场购物等各领域。据 Gartner 的统计数据(图 1.1)，2016 年，全球包括蓝牙耳机在内的可穿戴电子设备出货量为 26588 万台。预计到 2021 年，全球将会售出近 5.05 亿台可穿戴电子设备，其中，智能手表是最具潜力的可穿戴电子设备之一，销售量将接近8100 万支，占可穿戴电子设备销售量总数的 16%。

市场规模,投资机会研究,增长率,产业研究

图 1.1 Gartner：2015-2021 年全球可穿戴电子设备出货量预测(单位：百万台)据中商产业研究院发布的《2018-2023 年中国可穿戴产业市场前景及投资机会研究报告》数据显示(图 1.2)，2017 年，中国智能可穿戴市场规模达到 352.6 亿元，增长率达到 35.7%。随着可穿戴行业技术的逐步成熟、产业的推广普及，预计 2018 年中国可穿戴市场将会进一步扩大，市场规模预期达到 446.0 亿元，增长率为 26.5%。

压电,纳米,发电机,肖特基势垒

中北大学学位论文.1 压电纳米发电机最早的压电纳米发电机工作机理如图 1.4 所示。竖直生长的氧化锌纳米线一端于金属电极，另一端在驱动电极的作用下会产生形变。氧化锌纳米线的两端会效应产生正、负电荷，具有整流作用的肖特基势垒会在金属-半导体边界形成氧化锌纳米线中暂时储存电能。通过肖特基势垒整流后，利用原子力显微镜可信号。设计的压电纳米发电机实现了纳米尺度的发电功能，奠定了自供能纳米要理论基础[11]。

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