基于挠电性介电薄膜的褶皱与俘能

发布时间：2020-06-16 05:31

【摘要】：微型电子器件通常作为传感节点,来构成庞大的数据采集网络,并承担信息监测、数据反馈工作。对这些传感节点稳定地供能,是一个极具挑战的技术难点问题。为解决这一问题,可从电子器件的服役环境中直接获得电能的俘能技术受到了人们越来越多的重视。而传统的俘能器大多基于压电效应,但压电效应会随着材料尺度下降而大大减弱。因此,基于挠电效应的俘能技术成为了新的探索方向。对此,本文基于Euler-Bernoulli梁理论,对外电场作用下纳米薄膜/基底结构的褶皱行为进行理论分析和数值计算,着重研究挠电效应对结构力电耦合特性的作用机理,并探讨基底预应变、电压、厚度比等参数对于褶皱发生和褶皱变形的影响。然后,基于可控褶皱变形结构提出新型挠电俘能器模型,并采用电极重构方法进一步提高挠电俘能器的能量转化效率,再通过参数分析来探讨挠电俘能器的俘能潜力。最后,将本文提出挠电俘能器的俘能效率与文献的结果进行综合对比,凸显了当前挠电俘能器的性能。结果表明,对于纳米薄膜/基底结构,挠电效应对褶皱的发生会起到轻微的促进作用,但总是趋向于减小褶皱幅值,特别是在小尺度范围以下。挠电俘能器的俘能效率也具有强烈的尺度依赖效应,当尺度进一步缩小时,其俘能效率会显著增强。对于挠电俘能器,电极重构技术有助于提高其俘能效率,而且采用较小的电阻将有效增大其输出功率,但需要更大的加载频率来激发出最大输出功率。本文中褶皱型挠电俘能器的功率密度比其他振动型挠电俘能器的功率密度至少高1个数量级。当结构尺寸缩小到0.1μm以下时,褶皱型挠电俘能器的功率密度可高达10~4 W m~3,这比目前大部分低频振动型俘能器的功率密度高了2~5个数量级。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN03;TB383.2
【图文】：

环境能量

程、生物医学等重要领域[1]。这些电子元器件通常作为传感节点，来构成庞大的数据采集网络，并承担信息监测、数据反馈工作。对这些传感节点稳定地供能，是一个极具挑战的技术难点问题。一方面，有线供能无法适用于高度分散的网络节点；另一方面，电池供电方式的维护成本十分高昂，特别对于在恶劣环境中进行更换电池的作业，往往是不切实际的。因此，实时的俘能技术越来越受到人们的关注[1-4]。实时的俘能技术是从电子器件的服役环境中获得电能的技术，其优势在于依托环境进行能量供给，不需要消耗任何燃料或物质，是一种绿色环保的供能技术；同时，由于实现了电子器件能量的长期自给自足，在很大程度上提升了电子器件在服役过程中的稳定性和可靠性。环境中可供转化为电能的能量有很多，如机械运动能、振动能、人体动能、波浪能、风能等。图 1 - 1 较为全面地概括了各种可供转化的环境能量的范围，其中机械能由于来源极其广泛，因此成为主要的能量俘获对象。人们常利用一些具有力电耦合效应的特殊材料，将环境机械能转换为电能，并供给微型电子元器件使用。

压电效应

electricity）和挠电性（flexoelectricity），两者作用机理各异。压电性的材料通常被称为压电材料，常为离子非中心对称的晶体。压两种效应：外力使材料电极化称为正压电效应，而外电场使材料发生效应。正压电效应将机械能转化为电能，从而实现俘能。如图 1 - 2缩荷载作用下，材料的表面将出现异号电荷。若荷载为交变的循环互出现的电荷，从而输出交流电，并供给电子器件使用。材料具有许多优点，例如较高的输出电压，简单的机理和较长的寿电陶瓷材料亦存在一些缺点。首先，压电效应仅仅存在于几类具有特材料中，如常见的压电陶瓷。另外，压电材料需要在高温高压环境中能显现压电性，且随着时间的推移，存在退极化和老化现象。除此着材料尺度下降而大大减弱，尤其是在小尺度以下[7]。这些问题都造料选择和应用方面均具有一定的局限性。

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