论柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用研究

论柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用研究

摘要：随着电子技术的不断发展，微电子元器件的集成度越来越高，这也促进

了新型微纳电源系统技术的开发，新型微纳电源系统技术的发展也必然会为微型

电源的发展提供强有力的技术支持。经过研发技术的不断深入，当前已经制备出

多种多样的氧化锌纳米发电机。但当前氧化锌纳米发电机存在一定的问题，主要

体现在输出信号普遍较小，而且输出功率较低，这两个缺点导致氧化锌纳米发电

机在应用方面受到严重的限制。基于此，本文就针对柔性复合压电纳米发电机的

性能优化与应用进行研究分析。

关键词：柔性复合；压电纳米；发电机；性能优化；应用研究

1压电纳米发电机的电流输出特性及表征原理分析

第一，利用有限元多物理场模拟软件COMSOL对复合压电纳米发电机性能进

行模拟。研巧基体和压电相的杨氏模量、泊松比等力学参数对复合压电纳米发电

机性能的影响规律。研巧压电电荷密度、基体介电常数、压电相介电常数等电学

参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。研究压电相在横向和垂直方向的分

布密度、结构单元串并联数目等结构参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。基于上规律，总结复合压电纳米发电机的优化途径。

第二，从增大压电相压电系数的角度，构建基于饥惨杂ZnO的压电纳米发电机。利用细菌纤维素天然的网络结构和高度亲水性，采用浸泡－反应两步法在细

菌纤维素内部原位合成饥渗杂ZnO，研究反应参数对饥惨杂ZnO／细菌纤维素复

合结构的影响。构建机慘杂ZnO／细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机，并探索

柔性发电机在自驱动传感器方面的应用。

第三，从优化复合压电结构的角度，构建基于BaTio3纳米颗粒的柔性压电纳

米发电机。设计插指电极结构发电机，探索指间距、复合压电层BaTio3含量、压电展厚度对器件性能的影响规律，研究插指电极结构对发电机性能优化的原理。

构建BaTio3纳米願粒／细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机，通过改善BaTio3

纳米颗粒的分布密度优化器件性能。探索两种器件在自驱动传感、机械能采集方

面的应用。

第四，研巧压电纳米发电机最大峰值电流的表征方法及影响因素。从压电本

构方程出发，推导描述压电纳米发电机最大峰值电流的理论公式，并设计实验方

法对最大峰值电流进行测量。系统研究纳米发电机的电容、测试过程所施加力等

因素对发电机最大峰值电流的影响规律。进一步丰富压电纳米发电机测量理论，

为解决实际应用中的阻抗匹配、机电转换效率优化等问题提供理论支持。

2柔性复合压电纳米发电机的性能优化分析

2.1压电纳米发电机结构设计

最初的压电材料性能检测是在显微镜下观察到的，尽管能够观察到将机械能

转换成电能的过程，但并不能形成独立的微纳器件。为进一步改善当前柔性复合

压电纳米发电机的性能优化与应用，需要对其结构设计进行优化。通过研究发现，使用银齿状电极，可以利用超声波引起纳米线列震动，通过与电极接触，实现了

直流发电的效果。为了提高集成度，为今后微电子技术的发展取得基础，开始在

纳米发电机中采用横卧的纳米线结构。具体需要将微纳线固定在柔性基底上，并

利用柔性基底的弯曲特性使微纳线发生拉伸或者压缩。研究发现，应变速率对发

电机的输出特性有重要影响，应变速率越快，产生的输出电压和电流越大。为提

高输出电压，需要将单根压电微纳线转换成多根横卧的微纳线并联结构，使输出

电压成倍增加。具体方式需要在柔性基底上制备平行电极阵列，通过控制生长条

件在电极一端沿平行于基底方向生长，大大提高了输出电压。阵列结构本身就是

压电纳米发电机的经典结构，并且这种结构具有较好的稳定性。

2.2 Zn O纳米发电机

2.2.1 Zn O纳米棒的制备

柔性复合压电纳米发电机的制备需要选择低温水热柔性PET-ITO 作为衬底，

在制备之前需要对衬底进行一定的处理，具体步骤应该按照甲苯、丙酮、乙醇溶液、去离子的步骤一次对衬底进行清洗。接下来利用磁控溅射法在衬底上堆积一

层氧化锌籽晶层。并将准备好的乙酸锌溶液和六亚甲基四胺的混合溶液作用于籽

晶层，生长出氧化锌纳米棒阵列结构。通过对生长过程的观察，生长结束后，使

用去离子水反复冲洗，并进行烘干处理，以备用。

2.2.2Zn O纳米发电机的制备

通常情况下纳米发电机的制备方式有两种：①首先需要使用真空镀膜机在一

块柔性衬底上蒸镀一层金膜，并将其作为电极，倒置于氧化锌纳米阵列的正上方，上部电极与纳米棒的顶端接触，形成一个三层结构，并使用环氧树脂材料完成封

装[3]。②同样适用镀膜机在另一块柔性衬底上蒸镀一层金膜，将镀有金膜的纳

米阵列作为上电极，同样倒置于氧化锌纳米阵列上方，并使用环氧树脂进行封装。这样就会形成两种不同的纳米压电发电器件。两种器件的结构示意图如图1所示。

图1 纳米发电机结构示意图

2.3柔性复合压电纳米发电机的应用

当前，柔性复合压电纳米发电机在微纳电子行业中已经体现出一定地应用性。但最重要

的应用是在动感传感方面的应用，通过实验分析，将发电机紧密贴于书页上，在书页进行正

向翻动时，会产生一个正的电流峰值和负的电流峰值。因为此在整个翻阅书页的过程中就产

生了一定的电流信号。这种应用可以用于小型元器件和设备的机械能向电能的转化过程。电

机的翻阅过程产生一定的信号，无需外界电源给出信号。

2.4 BaTi化纳米颗粒／PDMS复合柔性应电纳米发电机

由于无机纳米颗粒和有机聚合物之间的表面能差别很大，因此BaTio3纳米颗粒在PDMS

中极易形成团聚体。另外，PDMS固化过程中，团聚体由于重力作用会形成沉降，因此

BaTio3纳米颗粒／PDMS体系中压电相会集中分布在复合薄膜底部，这会造成压电相在垂直

方向上的分布密度降低，从而降低发电机输出性能。本节设计了插指电极结构纳米发电机，

将正负电极设计在复合薄膜底部，可对压电电势产生有效感应，提高了纳米发电机的输出性能。

纳米发电机的输出性能及原理。对于插指电极结构器件，极化电压在平行于压电层的方

向上施加。在电场的作用下，BaTio；中的铁电畴发生偏转产生横向极化。极化完成后，偶极

子横向排列保持不变。当器件发生向下（向上）弯曲时，由于PET基底的模量远高于PDMS，弯曲中性面位于ＰＥＴ薄膜内部，上表面的复合压电层会发生拉伸（压缩）变形，从而使BaTio3纳米颗粒受到横向的拉（压）应变。在这个过程中，施加应变的方向与产生的压电极

化方向平行，产生的极化电荷可表示为d33.Ｆ（ｄ33为压电系数）。对器件进行不同电压下

的极化，输出性能有明显变化。当器件没有经过极化时，输出电压几乎为零，这是由于BaTio；中的电偶极子处于无序排列的状态。当极化电压从50KV／ｃｍ增大至200KV／ｃｍ时，输出电压从0.2Ｖ左右逐渐升高至1.5Ｖ，输出电流也从4ｎＡ／ｃｍ２左右逐渐升高至23ｎ

Ａ／ｃｍ２，这是BaTio3的铁电性造成的。

3柔性压电纳米发电机研究进展

近年来，柔性电子器件在可穿戴、可植入电子器件等方面得到了广泛应用，作为一种将

机械能转化为电能的供能器件，压电纳米发电机需要对复杂机械能产生响应，满足在弯曲、

拉伸、扭转等复杂受力条件下的输出，适应不同形状的表面以满足可穿戴、可植入等要求，

因此发电机需要具备很好的柔性和稳定性。然而，以压电陶瓷为代表的绝大多数压电材料都