基于PVDF压电纤维的低频俘能器研究
发布时间：2021-10-10 22:18
当前,微电子设备的技术和应用得到了充分的推进和拓展。随着技术进步,商业应用要求微电子设备的制造过程绿色无污染,并且保持更好的续航能力和可靠性。而可穿戴微电子设备需要更好的柔韧性,同时避免生理伤害。优化微电子设备的供电方式是提升性能、解决上述问题的重要着力点。为了提供可持续的绿色能源,人们开始研究如何从环境中收集能量。基于压电原理的俘能器件适用于提取人体运动产生的能源,而压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）具有易加工、结构简单、柔韧性强和对人体友好等优点,将其用于能量收集装置有很大的优势,尤其适合用于给可穿戴设备供电。本文制作了一种基于PVDF压电纤维的低频压电俘能器,这种低频俘能器具有带波纹的回字形悬臂梁结构。选取静电纺丝法制备了PVDF纳米纤维膜,通过掺杂TiO2纳米粒子促进PVDF中β相含量的提高,通过扫描电镜、透射电镜、红外光谱和X射线衍射等测试手段,验证了PVDF纳米纤维膜压电性能的提升。针对带波纹悬臂梁的特殊结构,根据材料学、结构力学等知识建立了的数学模型,研究了波纹悬臂梁的固有频率与悬臂梁厚度、波纹高度和波纹俯视投影长度之间的关系。为进一步验证理论分析的可...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁式俘能器运动测试图
第一章绪论2磁致伸缩效应和压电效应[6]。Cheng等基于电磁感应原理，设计了一种旋转摆结构用于收集超低频的振动能量，该俘能器用于人体运动俘能的实验测试如图1.1所示，最大能量密度可达到79.9W/m2。另外，该研究还完成了给湖泊中移动浮标供电的实验，显示了在低频、低振幅的振动激励下优异的俘能表现，在人体振动能量收集和海洋能收集方面有很大的前景[7]。图1.1电磁式俘能器运动测试图Naruse等设计了一种静电式俘能器，包含两个带有集电极的玻璃基板、移动体和硅基底，其中硅基底含有条纹覆盖的驻极体结构，该结构在窄电极条件下具有足够高的表面电势。静电式俘能器结构如图1.2所示。该俘能器在2Hz的低频激励下可以达到40μW的输出功率。然而，静电式俘能器需要外接电源，结构复杂，有机械约束，在应用中受到很大的限制[8]。图1.2静电式俘能器结构示意图
第一章绪论3刘成龙等提出一种超磁致伸缩式振动俘能装置，设计了一种棒式振动能量回收结构，输出电动势峰-峰值为136.4mV。能量收集原理如图1.3所示。但磁致伸缩俘能装置需采集线圈和偏置磁场，结构较为复杂，不适合与微系统集成[9]。图1.3磁致伸缩式振动俘能原理图压电能量收集技术作为最简单的收集能量的方法，无需外加电源，结构简单，具有可观的输出电压，并且易与微机电系统集成。压电俘能器俘能流程如图1.4所示。压电俘能技术可以有效地收集上肢运动、自然呼吸、步行等人体各项运动所能产生的低频机械能，适合用于给可穿戴设备提供稳定的能量供应[6]。图1.4压电俘能器俘能流程图值得注意的是，热能、湿度和风能等也可以参与压电能量转换，由于压电效应与振动和压力相关，且结构相对简单，所以这几种常见的能量转换方式可以与压电材料相结合。Erturun等人于2013年对热电能量收集进行了辐射实验分析，他们使用PZT-5A作为热电材料，利用红外加热装置产生不同温度变化频率的热源，使用全波整流桥作为能量采集电路，并将能量储存在电容中。分析了电路阻抗、电容和温度变化频率对能量收集的影响，在最优配置下可得到62.89μJ的能量[10]。Wang研究了对湿度敏感的PEDOT:PSS/PVDF膜，由于PEDOT:PSS材料的特殊性质，相对湿度由23%变为86%时，复合膜的弯曲曲率由-191°变为225°。复合材料的形变使得PVDF成分产生电荷。进一步地，他们设计了仿生蜻蜓和三
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压静电纺丝工艺制备PVDF-ZnO/GR共聚物膜的压电性能研究[J]. 骆懿,于洋,廖家明,金雨鑫,李俊锋,叶敏超. 传感技术学报. 2019(06)
[2]典型压电俘能器的发展现状与俘能机理分析[J]. 王爽,吕宝占. 电子元件与材料. 2018(11)
[3]微弱能量收集电路技术的研究现状与发展趋势[J]. 荣训,陈志敏,曹广忠. 传感器与微系统. 2015(09)
[4]自供电式并联电感同步开关压电能量收集电路实现方法研究[J]. 张淼,孟庆丰,王宏金. 振动与冲击. 2015(09)
[5]振动能量收集电源电路设计[J]. 王忠民,张延波,郭林鑫,徐文青. 微型机与应用. 2015(05)
[6]基于低频驱动的微压电能量收集器的结构研究[J]. 李如春,征琦,林宇俊. 压电与声光. 2014(05)
[7]电子显微镜的现状与展望[J]. 姚骏恩. 电子显微学报. 1998(06)
博士论文
[1]低频压电俘能器研究[D]. 胡洪平.华中科技大学 2006
硕士论文
[1]基于无线传感器网络的天文望远镜环境监测系统设计与优化[D]. 杨永刚.北京交通大学 2018
[2]PVDF电纺纤维膜的成型及其性能研究[D]. 李春艳.华南理工大学 2014
[3]基于移动终端的复合梁结构压电发电技术研究[D]. 王大宇.电子科技大学 2014
[4]振动校准装置测控系统的开发与研究[D]. 潘良明.浙江大学 2006
本文编号：3429252
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁式俘能器运动测试图
第一章绪论2磁致伸缩效应和压电效应[6]。Cheng等基于电磁感应原理，设计了一种旋转摆结构用于收集超低频的振动能量，该俘能器用于人体运动俘能的实验测试如图1.1所示，最大能量密度可达到79.9W/m2。另外，该研究还完成了给湖泊中移动浮标供电的实验，显示了在低频、低振幅的振动激励下优异的俘能表现，在人体振动能量收集和海洋能收集方面有很大的前景[7]。图1.1电磁式俘能器运动测试图Naruse等设计了一种静电式俘能器，包含两个带有集电极的玻璃基板、移动体和硅基底，其中硅基底含有条纹覆盖的驻极体结构，该结构在窄电极条件下具有足够高的表面电势。静电式俘能器结构如图1.2所示。该俘能器在2Hz的低频激励下可以达到40μW的输出功率。然而，静电式俘能器需要外接电源，结构复杂，有机械约束，在应用中受到很大的限制[8]。图1.2静电式俘能器结构示意图
第一章绪论3刘成龙等提出一种超磁致伸缩式振动俘能装置，设计了一种棒式振动能量回收结构，输出电动势峰-峰值为136.4mV。能量收集原理如图1.3所示。但磁致伸缩俘能装置需采集线圈和偏置磁场，结构较为复杂，不适合与微系统集成[9]。图1.3磁致伸缩式振动俘能原理图压电能量收集技术作为最简单的收集能量的方法，无需外加电源，结构简单，具有可观的输出电压，并且易与微机电系统集成。压电俘能器俘能流程如图1.4所示。压电俘能技术可以有效地收集上肢运动、自然呼吸、步行等人体各项运动所能产生的低频机械能，适合用于给可穿戴设备提供稳定的能量供应[6]。图1.4压电俘能器俘能流程图值得注意的是，热能、湿度和风能等也可以参与压电能量转换，由于压电效应与振动和压力相关，且结构相对简单，所以这几种常见的能量转换方式可以与压电材料相结合。Erturun等人于2013年对热电能量收集进行了辐射实验分析，他们使用PZT-5A作为热电材料，利用红外加热装置产生不同温度变化频率的热源，使用全波整流桥作为能量采集电路，并将能量储存在电容中。分析了电路阻抗、电容和温度变化频率对能量收集的影响，在最优配置下可得到62.89μJ的能量[10]。Wang研究了对湿度敏感的PEDOT:PSS/PVDF膜，由于PEDOT:PSS材料的特殊性质，相对湿度由23%变为86%时，复合膜的弯曲曲率由-191°变为225°。复合材料的形变使得PVDF成分产生电荷。进一步地，他们设计了仿生蜻蜓和三
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压静电纺丝工艺制备PVDF-ZnO/GR共聚物膜的压电性能研究[J]. 骆懿,于洋,廖家明,金雨鑫,李俊锋,叶敏超. 传感技术学报. 2019(06)
[2]典型压电俘能器的发展现状与俘能机理分析[J]. 王爽,吕宝占. 电子元件与材料. 2018(11)
[3]微弱能量收集电路技术的研究现状与发展趋势[J]. 荣训,陈志敏,曹广忠. 传感器与微系统. 2015(09)
[4]自供电式并联电感同步开关压电能量收集电路实现方法研究[J]. 张淼,孟庆丰,王宏金. 振动与冲击. 2015(09)
[5]振动能量收集电源电路设计[J]. 王忠民,张延波,郭林鑫,徐文青. 微型机与应用. 2015(05)
[6]基于低频驱动的微压电能量收集器的结构研究[J]. 李如春,征琦,林宇俊. 压电与声光. 2014(05)
[7]电子显微镜的现状与展望[J]. 姚骏恩. 电子显微学报. 1998(06)
博士论文
[1]低频压电俘能器研究[D]. 胡洪平.华中科技大学 2006
硕士论文
[1]基于无线传感器网络的天文望远镜环境监测系统设计与优化[D]. 杨永刚.北京交通大学 2018
[2]PVDF电纺纤维膜的成型及其性能研究[D]. 李春艳.华南理工大学 2014
[3]基于移动终端的复合梁结构压电发电技术研究[D]. 王大宇.电子科技大学 2014
[4]振动校准装置测控系统的开发与研究[D]. 潘良明.浙江大学 2006
本文编号：3429252
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