基于MEMS技术的摩擦电/压电复合柔性可穿戴能量采集器研究
发布时间：2020-12-07 22:09
近年来,随着体域网的快速发展,穿戴式/植入式无线低功耗器件对其供能元件提出新的挑战。传统的可穿戴/植入式医疗器件主要使用电池作为供能单元,尽管在供能密度及稳定性等方面具有优点,但由于要经常更换电池而无法满足日益复杂的应用环境需求。如果能够利用环境中的能量,例如将体域网中的机械能转换为电能进行持续供电,与可穿戴/植入式医疗器件形成自供能系统,那么不仅能够解决化学电池带来的一系列问题,而且能够大大降低体域网中众多节点的维护成本。因此,本文提出基于压电和摩擦电复合机制的柔性能量采集器,并将其应用到可穿戴式器件中实现自供能系统。主要工作如下:1.建立了接触平行板式与单摩擦电极式摩擦电能量采集器的理论模型,在此基础上,建立了两种平板式与单摩擦电极式摩擦电/压电复合能量采集器理论模型,设计和优化了结构,并分析了两种器件的工作原理。2.静电纺丝工艺制备P（VDF-TrFE）薄膜和掺杂法形成PDMS/MWCNT复合薄膜;通过SEM、XRD、FTIR研究表明,P（VDF-TrFE）纳米纤维直径约为200 nm,在薄膜上均匀分布,具有明显的压电性β晶相结构;同时PDMS/MWCNT复合薄膜具有均匀的多壁碳...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
自供能系统模块示意图
体域网中自供能系统的可穿戴器件及传感器：（a）基于压电、摩擦电、热电原理戴皮肤电子器件从人体上采集机械能及热能；（b）基于电阻式的、电容式的、摩能的多功能电子皮肤；（c）普遍存在的健康护理系统，通常通过无线网络和反馈供给健康护理的人[35]-2 Wearable devices and sensors with self-powered systems in BAN: (a) self-powered nic skins based on piezoelectric, triboelectric, and thermoelectric power harvest mechal energy from the human body; (b) multifunctional electronic skins based on resistive, oelectric, piezoelectric power accurately monitor; (c) ubiquitous healthcare systems thwireless network and feedback system to healthcare providers.[35]于上述所面临的挑战，对柔性的能量采集器的研究吸引了众多研究者常情况下，应用于穿戴式器件的能量采集器将环境中的机械能与其他够持续给穿戴式器件和传感器供能的电能。人体在肢体运动的过程中数十瓦的能量，该运动部位包括肩膀，肘腕，膝盖，脚踝等，和身体如图 1-2 所示。这些能量我们能够通过能量采集技术，如压电[5; 29; 36-39
学博士学位论文 第一的结构、材料，以及性能等方面的研究。能量采集器的电压和电流接用于机械力的监测，转换的能量能够存储，从而成为自供能的传感器不仅能够从环境中采集能量，同时具备了传感器的能力，因此被广泛应用。但是，较低的柔性和适应性仍然限制了传感器的部分件而言也是不小的挑战。于摩擦电的自供能技术的研究现状年来的研究中，研究人员通过利用两个不同材料之间进行物理接触应摩擦电电荷，然后两种材料在机械力作用下分开后不同的感应电在电势差作用下电荷在两个材料的上表面电极和下表面电极流动从流产生的机制即为摩擦电原理，该装置称为摩擦电能量采集器（Tror，TEG）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米发电机作为可持续性电源与有源传感器的商业化应用[J]. 王中林. 中国科学:化学. 2013(06)
[2]静电纺丝制备CMCAB超疏水纤维材料[J]. 谢龙,邵自强. 功能材料. 2012(06)
[3]AZO薄膜制备工艺及其性能研究[J]. 黄稳,余洲,张勇,刘连,黄涛,闫勇,赵勇. 材料导报. 2012(01)
[4]静电纺丝制备超疏水TiO2纳米纤维网膜[J]. 王丽芳,赵勇,江雷,王佛松. 高等学校化学学报. 2009(04)
[5]退火温度对PVDF薄膜结构的影响及其性能研究[J]. 仝金雨,姜胜林,刘栋,金学淼. 功能材料. 2006(10)
硕士论文
[1]体表电阻抗与人体出汗在热舒适中的实验研究[D]. 高杨.重庆大学 2010
本文编号：2903973
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
自供能系统模块示意图
体域网中自供能系统的可穿戴器件及传感器：（a）基于压电、摩擦电、热电原理戴皮肤电子器件从人体上采集机械能及热能；（b）基于电阻式的、电容式的、摩能的多功能电子皮肤；（c）普遍存在的健康护理系统，通常通过无线网络和反馈供给健康护理的人[35]-2 Wearable devices and sensors with self-powered systems in BAN: (a) self-powered nic skins based on piezoelectric, triboelectric, and thermoelectric power harvest mechal energy from the human body; (b) multifunctional electronic skins based on resistive, oelectric, piezoelectric power accurately monitor; (c) ubiquitous healthcare systems thwireless network and feedback system to healthcare providers.[35]于上述所面临的挑战，对柔性的能量采集器的研究吸引了众多研究者常情况下，应用于穿戴式器件的能量采集器将环境中的机械能与其他够持续给穿戴式器件和传感器供能的电能。人体在肢体运动的过程中数十瓦的能量，该运动部位包括肩膀，肘腕，膝盖，脚踝等，和身体如图 1-2 所示。这些能量我们能够通过能量采集技术，如压电[5; 29; 36-39
学博士学位论文 第一的结构、材料，以及性能等方面的研究。能量采集器的电压和电流接用于机械力的监测，转换的能量能够存储，从而成为自供能的传感器不仅能够从环境中采集能量，同时具备了传感器的能力，因此被广泛应用。但是，较低的柔性和适应性仍然限制了传感器的部分件而言也是不小的挑战。于摩擦电的自供能技术的研究现状年来的研究中，研究人员通过利用两个不同材料之间进行物理接触应摩擦电电荷，然后两种材料在机械力作用下分开后不同的感应电在电势差作用下电荷在两个材料的上表面电极和下表面电极流动从流产生的机制即为摩擦电原理，该装置称为摩擦电能量采集器（Tror，TEG）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米发电机作为可持续性电源与有源传感器的商业化应用[J]. 王中林. 中国科学:化学. 2013(06)
[2]静电纺丝制备CMCAB超疏水纤维材料[J]. 谢龙,邵自强. 功能材料. 2012(06)
[3]AZO薄膜制备工艺及其性能研究[J]. 黄稳,余洲,张勇,刘连,黄涛,闫勇,赵勇. 材料导报. 2012(01)
[4]静电纺丝制备超疏水TiO2纳米纤维网膜[J]. 王丽芳,赵勇,江雷,王佛松. 高等学校化学学报. 2009(04)
[5]退火温度对PVDF薄膜结构的影响及其性能研究[J]. 仝金雨,姜胜林,刘栋,金学淼. 功能材料. 2006(10)
硕士论文
[1]体表电阻抗与人体出汗在热舒适中的实验研究[D]. 高杨.重庆大学 2010
本文编号：2903973
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