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科学通报 2019年第10期64卷 1094-1102页

作者：李超陈钢进陈许敏张庆贺朱煊杭州电子科技大学驻极体及其应用实验室杭州310018

为实现物联网的自驱动供电,本研究提出一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器,驻极体材料为三明治型双极性复合驻极体膜.其基本结构单元为驻极体薄膜被放置在由微型弹簧支撑的两个振动电极中间所形成的双气隙结构.这种双气... 详细信息

为实现物联网的自驱动供电,本研究提出一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器,驻极体材料为三明治型双极性复合驻极体膜.其基本结构单元为驻极体薄膜被放置在由微型弹簧支撑的两个振动电极中间所形成的双气隙结构.这种双气隙结构等同于两个对称的可变电容.利用驻极体所产生的静电场在电容中产生原始电势差,在振动激励下使电势差发生变化,实现电荷的流动,将振动能转变成电能.对能量采集器性能的测试结果表明,在振动频域30～180Hz范围内存在一个谐振频率和最大输出功率.最大输出功率与振动强度、气隙数、驻极体膜的面积和电场强度呈正相关.当振动强度为0.5N时,在负载电阻为55MΩ时,四气隙结构能量采集器在谐振频率97Hz处的最大输出功率达到了59.12μW.

关键词：自驱动供电微振动能量采集器驻极体多气隙结构

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基于三明治结构驻极体薄膜的微振动能量采集器研究

基于三明治结构驻极体薄膜的微振动能量采集器研究

引用

中国物理学会2018年秋季学术会议

作者：陈许敏 Xunlin Qiu 陈钢进张庆贺朱煊杭州电子科技大学驻极体及其应用实验室杭州310018 Institute for Print and Media Technology Chemnitz University of TechnologyReichenhainer Str.700912

针对现有的驻极体微型振动能量采集器结构复杂、稳定性差、输出功率低等问题，我们从以下两个方面展开研究：驻极体薄膜材料和微振动能量采集器的结构。首先，我们制备了一种在恶劣环境下具有准永久电场的新型柔性驻极体薄膜。将具有优... 详细信息

针对现有的驻极体微型振动能量采集器结构复杂、稳定性差、输出功率低等问题，我们从以下两个方面展开研究：驻极体薄膜材料和微振动能量采集器的结构。首先，我们制备了一种在恶劣环境下具有准永久电场的新型柔性驻极体薄膜。将具有优异空间电荷存储性能的PTFE 或FEP 薄膜与具有偶极电荷的THV 复合;利用“电晕+热+电晕”的复合极化充电方法，提升表面电位分布的均匀性;采用酒精擦拭手段，模拟研究极端恶劣条件下的电荷存储稳定性问题。

关键词：驻极体薄膜恶劣环境微振动能量采集器

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一种驻极体基振动能量采集器的新结构及其性能研究

一种驻极体基振动能量采集器的新结构及其性能研究

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作者：张庆贺杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着电子器件微型化,微机电系统(MEMS)得到了进一步的发展,功能器件的相对功耗得到进一步降低。通过环境能量采集器捕获、采集到的能量将足以支持电子器件完成功能任务,而不需要在传感器系统中嵌入常规电源。当前微型能量采集器的市场... 详细信息

随着电子器件微型化,微机电系统(MEMS)得到了进一步的发展,功能器件的相对功耗得到进一步降低。通过环境能量采集器捕获、采集到的能量将足以支持电子器件完成功能任务,而不需要在传感器系统中嵌入常规电源。当前微型能量采集器的市场包括交通运输基础设施、共享单车供电、无线医疗设备、轮胎压力检测等。其中楼宇自动化市场是当前器件应用的最大的市场。就楼宇自动化而言,能量采集器可与传感器、温度自动调节器和光开关等传感器件组成自供电系统,从而降低常规电源使用电缆布线所带来的生产成本,提高安装的便利性,降低日常运维费用。驻极体微型能量采集器因其与MEMS具有良好的兼容性得到了广泛的研究。驻极体材料因其自带稳定静电场,基于静电感应原理将环境中的振动能转换为电能。当前驻极体微型能量采集器的应用也存在一些问题,如常用驻极体能量采集器在驻极体材料与感应电极间的介质为空气或者驻极体与感应电极直接接触,直接接触的结构影响驻极体带电荷的稳定性,而使用空气作为柱极体与电极之间的介质使得等效平板电容具有电容量小,器件容抗大,输出电流小的特点。此外经过研究对比常见的基于驻极体的振动能量采集器的振动能拾取结构,如弹簧或悬臂梁等,我们发现这些器件的弹性恢复结构并不理想。同时作为一种微型能量采集器其输出参数相对于用电器件(如传感器等)所需要的条件参数还有一定的差距,即能量采集器采集到的能量因其输出电压大、电流小等限制条件不能直接给传感器供电。因此需要采用电源管理芯片以实现对收集到的电荷进行存储管理,以达到用电器件对电源功率的要求,同时实现降压、稳压提升电流等操作。针对以上问题,经过分析为提高器件的输出功率和增加器件结构的稳定性,我们提出提高能量采集器输出功率的一种器件结构改进的方法以及设计出新的器件结构提高器件的输出功率。基于PDMS材料良好的弹性和介电常数,我们选择其作为可变电容中驻极体与电极之间的弹性层。本论文具体工作内容如下:(1)详细分析驻极体能量采集器的平板电容器理论模型,并对其静电式电容结构对比分析。由此得出结论:影响能量采集器输出功率的关键因素为电极与驻极体之间的介质层。由于介质层的介电常数不同导致电容结构的初始电容不同,从而影响了输出功率。基于此我们提出了使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质层来替换空气层。(2)设计并且制作出基于PDMS作为弹性层的四气隙能量采集器,并对输出数据分析。分析表明相对于以空气作为能量采集器中间介质的器件,器件的输出功率提高了接近3倍,输出电流提高了2.3倍左右。器件的容抗降低了一半。与此同时测得器件输出功率与PDMS的厚度是负相关,现有实验结果表明PDMS厚度在50μm时可得最大输出功率,当厚度25μm时器件的输出功率骤降,分析原因是厚度过小,使得弹性不足。(3)验证器件的容抗理论分析影响因素与实验结果。理论分析表明容抗与输出功率之间存在反比关系。通过实验表明使用PDMS材料后器件的容抗降低为空气介质器件的1/2,实验结果与理论分析吻合良好。(4)为提高器件输出功率设计出阵列分布式能量采集器结构,通过将各能量采集器整流桥并联的设计结构可以有效的提高输出功率。实验结果表明阵列式结构实现了器件的输出电流叠加和功率的倍增。(5)能量采集器的输出电压随振动频率的差异在20-100V之间波动,输出电流在微安级别使得器件的应用受到了很大限制,为此使用了LTC3588电源管理芯片对电荷存储,调控输出电压、电流,使得输出电压稳定在1.8-2.5V之间,输出电流到毫安级别。经过电源管理后的器件输出参数可以应用于无线发射模块供电和点亮LED灯珠的实验。以上实验及结果表明新的器件结构设计提高了能量采集器的输出功率,增加了能量采集器的收集效率,为该器件广泛应用于无线传感器件奠定基础。

关键词：微振动能量采集器驻极体多气息结构聚二甲基硅氧烷(PDMS) 阵列式分布结构容抗

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THV组成基元的组分比对其驻极体性能的影响及应用研究

THV组成基元的组分比对其驻极体性能的影响及应用研究

引用

作者：陈智杭州电子科技大学

学位级别：硕士

驻极体(electret)又名“永电体”,是一种能够长期储存空间电荷与偶极电荷的电介质材料。近年来,驻极体薄膜材料在传感器应用方面,取得了令人瞩目的发展。由聚合物驻极体材料制备的微振动能量采集器可以有效地将环境中的振动能转化为电能... 详细信息

驻极体(electret)又名“永电体”,是一种能够长期储存空间电荷与偶极电荷的电介质材料。近年来,驻极体薄膜材料在传感器应用方面,取得了令人瞩目的发展。由聚合物驻极体材料制备的微振动能量采集器可以有效地将环境中的振动能转化为电能,进而为微型化、便携化和集成化的自驱动系统供能而成为微能源领域研究的热点。但是由于驻极体材料中的电荷存储性能还不够理想,在自然工作环境下电荷将发生衰减,限制了其实用化的进程。研制出电荷存储稳定性能佳、空间电荷和偶极电荷密度高、能抗恶劣环境的驻极体材料已成为当务之急。本文在总结现有聚合物驻极体研究成果的基础上,探索四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)和偏氟乙烯(VDF)单体组分比不同的三元共聚物THV材料的驻极体性能,研究了THV220(单体比例为45.8wt%TFE,18.5wt%HFP,35.7wt%VDF)、THV500(单体比例为59wt%TFE,19wt%HFP,22wt%VDF)和THV815(单体比例为76.1wt%TFE,10.9wt%HFP,13wt%VDF)三种驻极体膜内部的电荷行为。在此基础上,制备了三明治型PTFE/THV/PTFE复合驻极体膜,提出了一种基于PTFE/THV/PTFE驻极体膜的微振动能量采集器,并研究了此能量采集器的输出性能。取得的主要成果如下:(1)采用高温熔融热压技术,通过合理控制成膜温度,制备得到了THV220、THV500及THV815三种不同TFE-HFP-VDF单体组分比的三元共聚物薄膜。采用X射线衍射技术测定了薄膜的XRD图谱和结晶度。对结晶度的分析表明,结晶度随THV220、THV500、THV815的次序增大,极化后THV薄膜的结晶度变大。对三种三元共聚物薄膜的介电性能测试表明,THV220的介电常数和介质损耗都大于THV500和THV815。聚合物的介电常数和介质损耗都与其极性大小有关,材料的极性增加,其介电常数增大。THV220中极性基团VDF的含量最高,因而介电常数也就越大,介质损耗也越大。(2)采用热极化方法对THV220、THV500及THV815三种薄膜进行注极,采用表面电位测试方法,研究了在110℃和155℃两种注极温度下获得的驻极体膜在自然存储条件下的静电场稳定性。结果表明,样品的表面电位随注极电场的增加而增大,注极后表面电位衰减速率随THV220、THV500、THV815的次序减少。在110℃注极温度下,THV220驻极体膜表面电位很快就衰减到零,而THV815驻极体膜可稳定在275V左右。在155℃、高注极电场作用下,THV815表面产生异号电荷,即表面电位与注极电场极性相反情况。单面镀电极与未镀电极THV驻极体材料表面电位稳定性比较研究表明,单面镀电极可以提高驻极体电荷储存稳定性。(3)热刺激放电图谱分析得到,三种THV驻极体体内既有偶极电荷又有陷阱电荷。THV220、THV500和THV815在40℃左右都有个与晶体结构有关的偶极子峰。对于由空间电荷引起的峰温和空间电荷峰与坐标轴围成的面积,THV815最大,THV500次之,THV220最小。厚度为320μm样品的空间电荷脱阱放电峰位于高于110μm样品,表明320μm样品具有较多的深阱电荷。(4)采用高温熔融热压技术,将非极性材料PTFE与THV220复合,制备得到了三明治型PTFE/THV/PTFE复合膜材料,通过热极化法对单面镀电极复合膜进行注极,制备得到了PTFE/THV/PTFE复合驻极体膜。采用热刺激表面电位衰减方法,研究了表面经酒精擦拭和未擦拭的复合驻极体样品的电荷存储热稳定性,结果表明,两种样品均呈现表面电位先增加后降低的现象,表面电位最大值度都在125℃处。但酒精擦拭样品的表面电位增加值是初始表面电位的5倍,而未擦拭样品的增加幅度很小。基于此现象,提出了复合膜的电荷存储模型,解释了其电荷存储机制,得出了PTFE/THV/PTFE驻极体膜的静电效应的热稳定性与THV220聚合物层的熔化温度和VDF极性基团有关的结论。(5)设计制备了基于PTFE/THV/PTFE驻极体膜的微振动能量采集器。对其输出性能的测试研究表明,微振动能量采集器在5Hz按压频率下输出功率可以达到2.8μW。超过2000次的实验和100天的测试后微振动能量采集器的输出特性依然保持恒定。进一步证明了PTFE/THV/PTFE复合驻极体膜具有极好的电荷存储稳定性。

关键词： THV 驻极体组分比电荷储存微振动能量采集器

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介质层对驻极体基能量采集器输出性能的影响

引用

杭州电子科技大学学报（自然科学版） 2019年第4期39卷 78-82页

作者：张庆贺陈钢进李长胜王奇杭州电子科技大学驻极体及其应用实验室

设计了一种以聚二甲基硅氧烷作为电容介质并同时用作弹性层的驻极体基微振动能量采集器。对双电容结构器件的测试结果表明:当振动强度为0.5 N、驻极体膜的表面电位为1 500 V、外接负载电阻为55 MΩ时,采集器的输出功率为29.1μW,是以空... 详细信息

设计了一种以聚二甲基硅氧烷作为电容介质并同时用作弹性层的驻极体基微振动能量采集器。对双电容结构器件的测试结果表明:当振动强度为0.5 N、驻极体膜的表面电位为1 500 V、外接负载电阻为55 MΩ时,采集器的输出功率为29.1μW,是以空气为介质层时的2.7倍。采用LTC3588-1能量管理芯片,使用所制备的能量采集器,成功地实现了给无线发射模块的供电。

关键词：微振动能量采集器驻极体聚二甲基硅氧烷

来源：评论

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