自给电PVDF薄膜键盘设计及探究_伍东玲
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２０１２年１１月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｒｅｅｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 第１１期
自给电 ＰＶＤＦ 薄膜键盘设计及探究
伍东玲，张喜桐，徐校鹏，王 侠，丁洪波
（中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３）
图 ６ 使 用 键 盘 １ｈ 的 数 据 统 计 情 况
４ 实 验 结 论 及 前 景 分 析
本文设计 的 自 给 电 无 线 键 盘 ，利 用 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜将敲击键盘时产生的机械能通过整流电路 、超级电容 器、电源管理芯片、可 充 电 式 锂 电 池 转 化 为 可 供 无 线 键 盘正常工作的电能 。该设计结 构 简 单，ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 的布置也不影响无线键盘信号的正常发射 ，实现了键盘 的自给电。同时，本设计成功地将新型有机材料与电 子 产品结合在了一起 ，提出了具有良好发展前景的新产品 设计思路。
由于本文能量转换分析所调查的数据是基于普通电 脑使用者的使用情况，故对于一些工作中使用电脑频率更 高的工作者，如 软 件 工 程 师，公 司 打 字 员，超 市 收 银 员，银 行柜员等，其键盘产能效率会大幅度提高至５０％以上。
同 时 ，由 于 该 设 计 可 在 一 定 程 度 上 减 少 一 次 性 干 电 池的使用，其环保 作 用 也 不 可 忽 视。 所 以，如 果 在 本 设 计基础上能够做进一步的优化改进 ，并在相似产品中 进 行横向及 纵 向 推 广，如 利 用 于 ＡＴＭ 自 动 存 取 款 机 按 键，各类密码器或工 业 某 流 水 生 产 环 节 中 ，那 么 定 会 在 节能减排方面显著提高经济效益及社会效益。
摘要：利用聚偏氟 乙 烯 （ＰＶＤＦ）压 电 材 料 研 究 并 设 计 一 种 自 给 电 无 线 薄 膜 键 盘。 此 键 盘 能 量 是 通 过 以
ＰＶＤＦ 压电薄膜为主要组成部分的能量转换装置，把 振 动 机 械 能 转 换 成 可 供 键 盘 正 常 工 作 的 电 能。 同 时，
利用一种由整流电路、超级电容、单节锂电池充电管理芯片 及 锂 电 池 组 成 的 电 能 储 存 装 置 来 保 证 所 产 生 电
图 ４ 能 量 收 集 技 术 流 程
其中，试验采用上海如韵公 司 生 产 的 ＣＮ３０６３ 作 为 主控芯 片 对 锂 电 池 进 行 充 电 。ＣＮ３０６３ 可 直 接 从 外 部 电池获取４．３５～６Ｖ 电压，它 内 置 的 温 度 控 制 回 路 及 再 充电 电 压 检 测 ，可 将 一 节 锂 电 池 恒 流 充 电 达 ５００ｍＡ［８］。 试 验 中 ，从 压 电 片 得 到 的 交 流 电 经 全 波 整 流 后 的 直 流 电 压为 ４Ｖ 左 右，但 由 于 电 流 太 小，不 足 以 直 接 启 动 后 续 的充电芯片，所以必 须 先 将 电 能 储 存 在 超 级 电 容 上 ，当
能持续、稳定地为键盘供电。根据理 论 计 算 及 实 验 结 果，对 优 化 自 发 电 键 盘 的 方 法 进 行 了 探 究，指 出 了 该
种 键 盘 代 表 着 一 类 新 型 电 子 产 品 开 发 思 路 ，具 有 良 好 的 发 展 前 景 。
关 键 词 ：聚 偏 氟 乙 烯 （ＰＶＤＦ）薄 膜 ；电 能 储 存 装 置 ；无 线 薄 膜 键 盘 ；自 给 电 装 置 ；超 级 电 容
ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 常 数 包 括 ｄ３１、ｄ３２、ｄ３３、ｄ１５、ｄ２４ （ｄｉｊ 为压电系数，表示由ｉ方向 检 出 在ｊ 方 向 作 用 的 应 力）。 其 压 电 方 程 为 ［５］ ：
图１ ＰＶＤＦ 的坐标系示意
烄Ｔ１烌
烄Ｄ１烌 烄０ ０ ０ ０ ｄ１５ ０烌 Ｄ２ ＝ ０ ０ ０ ｄ２４ ０ ０
中 图 分 类 号 ：ＴＭ２１５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１６７４－９９４４（２０１２）１１－０２５４－０３
１ 引 言
ＰＶＤＦ 压电薄膜作为一种新型有 机 压 电 材 料 ，是 目 前可实现批量生产的压电性能最好的压电材料之一。 与传统有机压电材 料 相 比 ，其 力 电 转 换 灵 敏 度 高，材 质 柔韧，厚度薄，质量轻，电容小，耐腐蚀，动态范围大等 特 点尤为突出。
图 ２ 本 实 验 所 选 择 的 键 盘 区 域
图３ ＰＶＤＦ 压电薄膜键盘结构
由图３ 可 见，此 项 目 设 计 的 键 盘 结 构 只 有 基 座、 ＰＶＤＦ 压电薄膜、保护层３层及最后 加 装 的 键 盘 按 键 层 组 成 ，其 结 构 简 单 ，易 于 实 现 。 ２．３ 能 量 收 集 电 路 的 设 计
感器的工作模式与 粘 贴 结 构 有 关 ，为 柔 性 结 构 时，为 增
大 ＰＶＤＦ 压电 薄 膜 产 生 的 电 荷 量 ，薄 膜 应 工 作 在 拉 伸
模式。如图１所示，Ｔ３＝０。 本 文 选 择 将 键 盘 按 键 的 下 方 设 计 为 中 空 结 构 。 ［４］ 键 盘 基 座 由 带 有 拇 指 大 小 凹 槽
Ｄ３ ＝ｄ３１Ｔ１ ＋ｄ３２Ｔ２ ＋ｄ３３Ｔ３
（２）
２．２ 按 键 设 计
本文选用锦州电 子 科 技 有 限 公 司 生 产 的 ＰＶＤＦ 压
电薄膜为实验材料 ，从改造无线键盘的小键盘区数字 键
及 ＥＮＴＥＲ 键开始，如图２所示。
由于键盘 与 薄 膜 的 接 触 为 柔 性 结 构 ，而 ＰＶＤＦ 传
通常，收集压电发 电 产 生 的 能 量 主 要 有 ３ 种 方 式： 负 载 直 接 供 能 、电 容 储 能 、电 池 储 能 。 ［６］
由于本文针对的是无线键盘 ，故为使键盘中压电产 生的能量更加持续 、稳定、有效地为键盘供能 ，现选定 电 池储能方式解决这一问题。
试验中，由 于 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 受 激 励 产 生 的 电 荷 是瞬间和交替的 ，是以不规则的随机突发形式提供能量 的，而且在电能提取 过 程 中 具 有 阻 尼 效 应 ，因 此 必 须 用 一个超级电容器积累足够的能量 ，然后通过转换电路将 能量 储 存 于 电 池 中 。 ［７］ 本 文 采 用 的 压 电 振 动 能 量 收 集 技术流程如图４所示。
２５４
伍东玲，等：自给电 ＰＶＤＦ 薄膜键盘设计及探究 工程技术
超级电容电压达到 ＣＮ３０６３的充 电 控 制 端 输 入 电 压 ３Ｖ 要求时，电路开始工 作，充 电 器 采 用 恒 流 模 式 对 电 池 充 电，电池充完电供给键盘使用 ，从而实现自给电的过 程 。 能量收集技术基本设计电路如图５所示。
在压电材料及 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 的 应 用 上，美 国、日 本等很多国家已经取得了一些较可观的成果 ，但国内压 电发 电 技 术 仍 处 在 起 步 阶 段 。 ［１］ 其 中 ，对“压 电 发 电 鞋” 的研究各种报道较多 ，压电发电鞋原理就是把压电材料 发电装置置入鞋底 ，通过走路时脚对鞋底的冲击使压电 材料变形而产生电量［２］，达到保暖效果 。１９７６年 ，Ｈｉｒｏ－ ｊｉ Ｏｈｉｇａｓｈｉ 等 将 ＰＶＤＦ 薄 膜 作 为 力 传 感 器 发 明 了 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 按 键［３］，该 按 键 采 用 机 械 式 弹 簧 加 载 装 置，具有高 的 稳 定 性 和 信 噪 比 。２０１１ 年 靳 亚 静 等 提 出 了 单 层 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 作 为 敏 感 层 的 键 盘 设 计 方 案 。 ［４］ 该设 计 利 用 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 产 生 的 压 力 信 号 实 现 键 盘 的接触响 应。 本 文 利 用 单 层 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜，提 出 一 种可自发电的无线键盘设计方案 ，该设计可在一定程度 上减少无线键盘对电池的依赖。
的 ＰＣＢ 板 制 成，ＰＣＢ 板 上 边 面 电 极 作 为 ＰＶＤＦ 压 电 薄
膜的下电 极，使 基 座 与 下 电 极 一 体 化 。 将 ＰＶＤＦ 薄 膜
黏贴在基 座 上，表 面 涂 覆 一 层 很 薄 的 硅 橡 胶 作 为 保 护
层。ＰＶＤＦ 薄膜键盘结构如图３所示。
收 稿 日 期 ：２０１２－１０－２９ 作 者 简 介 ：伍 东 玲 （１９９０— ），女 ，湖 南 常 德 人 ，土 家 族 ，中 南 大 学 能 源 科 学 与 工 程 学 院 大 学 生 。
图 ５ 能 量 收 集 器 设 计 电 路
３ 能 量 转 换 效 率 分 析
在 ＰＶＤＦ 压电 薄 膜 两 种 工 作 模 式 中 ，本 文 采 用 的 是可使发电量最 大 的 拉 伸 工 作 模 式 ，根 据 式 （１）和 （２）， 此时其表面产生的电位移为：
Ｄ＇３＝ｄ３１Ｆ／Ａ２＋ｄ３２Ｔ２ Ｆ／Ａ３。 本文采用的 ＰＶＤＦ压电薄膜其压电应变常数分别为： ｄ３１：１７±１ＰＣ／Ｎ； ｄ３２：５～６ＰＣ／Ｎ； ｄ３３：２１±１ＰＣ／Ｎ。 试验中，采用一款可计数一定时间内按键次数的 软 件 ＫｅｙＣｏｕｎｔｅｒ， 根据其统计情况 ，如图６所示，普通电脑用 户 １ｄ约 敲 击 键 盘 １００００ 次 。 一次按键产 生 的 能 量 约 为 ３３．６～４４ＰＣ，则 １ 人 １ｄ 在敲击键盘时平均可产生电量： Ｑ总／天 ＝ （３３．６～４４）ＰＣ ×１００００ 次 ＝０．３３６～ ０．４４Ｃ。 普通无线 键 盘 正 常 工 作 需 要 二 节 ５ 号 电 池，据 调 查，每节新 电 池 容 量 约 为 ９００ｍＡｈ，每 为 无 线 键 盘 更 新 一 次 电 池 ，电 池 可 使 用 约 ６ 个 月 的 时 间 。 则键盘在正常工作条件下 ，平均每天约耗电 ： Ｑ天 ＝９００ｍＡｈ×２／１８０ｄ＝１０ｍＡｈ／ｄ＝３６Ｃ／ｄ。 所以，根据此方案 设 计 的 自 发 电 无 线 键 盘 ，其 自 发 电电量约占键盘正常工作时的电荷量是非常有限的 ，但
Ｔ２ Ｔ３
烆Ｄ３烎 烆ｄ３１ ｄ３２ ｄ３３ ０
Ｔ４ ０ ０烎
Ｔ５
（１）
烆Ｔ６烎
式中：Ｄｉ为ｉ 方向的电位移，ｉ＝１、２、３分别表示 ｘ、
ｙ、ｚ 方向；Ｔｊ 为ｊ 方 向 的 应 力，ｊ＝１，２，…，６，１～３ 为 正 应 力 ，４～６ 为 剪 应 力 。
由于 ＰＶＤＦ压电薄膜厚度通常为３０～５００μｍ（本试验 所采 用 的 厚 度 是１００μｍ），无 法 从 侧 面 引 出 电 极 ，只 能 从 其 ｚ轴（或３方向）取电荷。此时压电方程可简化为：
使用多层薄膜，或将薄膜进行多部分拆分 。 （３）优 化 电 极 连 接 方 式 ，减 少 电 荷 损 失。 由 于
ＰＶＤＦ 压电薄膜材料的特殊性 ，本试验 采 用 的 是 铆 接 的 方பைடு நூலகம்连接薄膜及键盘。
（４）优 化 键 盘 键 帽 结 构，增 大 压 电 薄 膜 接 触 应 力。 本试验采用的键盘键帽为常见的火山口结构 ，其附属的 硅胶碗能够吸收部分按键时产生的机械能 ，从而减小了 压电材料可直接利用的应力。
２５５
２０１２年１１月 绿 色 科 技 第１１期
随着材料科学的进步而产生的新的压电薄膜 ，超级电容 以及芯片的发展而形成的新的能量存储技术的进步必 然能使这种模式的自给电无线键盘成为一种可能。
太阳能结合于此自给电无线键盘中。 （２）考虑将 ＰＶＤＦ 薄 膜 进 行 更 多 种 组 合 的 布 置 ，如
２ 键 盘 设 计 方 案
２．１ ＰＶＤＦ 压电薄膜的压电方程 ＰＶＤＦ 压电 薄 膜 的 压 电 方 程 遵 循 一 般 压 电 原 理 。
其 坐标系示意图如图１所示，当 ＰＶＤＦ 压电薄膜受到外 力作用时，将在ｚ 方 向 上 的 上、下 两 表 面 产 生 等 量 异 种 电 荷。图中极化方向 Ｐ 为ｚ 轴（或３方向）的正方向，并 规定垂直 于 ｚ 轴 的 两 个 方 向 分 别 为ｘ 轴 （１ 方 向 ）和 ｙ 轴 （２ 方 向 ）。
自给电 ＰＶＤＦ 薄膜键盘设计及探究
伍东玲，张喜桐，徐校鹏，王 侠，丁洪波
（中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３）
图 ６ 使 用 键 盘 １ｈ 的 数 据 统 计 情 况
４ 实 验 结 论 及 前 景 分 析
本文设计 的 自 给 电 无 线 键 盘 ，利 用 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜将敲击键盘时产生的机械能通过整流电路 、超级电容 器、电源管理芯片、可 充 电 式 锂 电 池 转 化 为 可 供 无 线 键 盘正常工作的电能 。该设计结 构 简 单，ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 的布置也不影响无线键盘信号的正常发射 ，实现了键盘 的自给电。同时，本设计成功地将新型有机材料与电 子 产品结合在了一起 ，提出了具有良好发展前景的新产品 设计思路。
由于本文能量转换分析所调查的数据是基于普通电 脑使用者的使用情况，故对于一些工作中使用电脑频率更 高的工作者，如 软 件 工 程 师，公 司 打 字 员，超 市 收 银 员，银 行柜员等，其键盘产能效率会大幅度提高至５０％以上。
同 时 ，由 于 该 设 计 可 在 一 定 程 度 上 减 少 一 次 性 干 电 池的使用，其环保 作 用 也 不 可 忽 视。 所 以，如 果 在 本 设 计基础上能够做进一步的优化改进 ，并在相似产品中 进 行横向及 纵 向 推 广，如 利 用 于 ＡＴＭ 自 动 存 取 款 机 按 键，各类密码器或工 业 某 流 水 生 产 环 节 中 ，那 么 定 会 在 节能减排方面显著提高经济效益及社会效益。
摘要：利用聚偏氟 乙 烯 （ＰＶＤＦ）压 电 材 料 研 究 并 设 计 一 种 自 给 电 无 线 薄 膜 键 盘。 此 键 盘 能 量 是 通 过 以
ＰＶＤＦ 压电薄膜为主要组成部分的能量转换装置，把 振 动 机 械 能 转 换 成 可 供 键 盘 正 常 工 作 的 电 能。 同 时，
利用一种由整流电路、超级电容、单节锂电池充电管理芯片 及 锂 电 池 组 成 的 电 能 储 存 装 置 来 保 证 所 产 生 电
图 ４ 能 量 收 集 技 术 流 程
其中，试验采用上海如韵公 司 生 产 的 ＣＮ３０６３ 作 为 主控芯 片 对 锂 电 池 进 行 充 电 。ＣＮ３０６３ 可 直 接 从 外 部 电池获取４．３５～６Ｖ 电压，它 内 置 的 温 度 控 制 回 路 及 再 充电 电 压 检 测 ，可 将 一 节 锂 电 池 恒 流 充 电 达 ５００ｍＡ［８］。 试 验 中 ，从 压 电 片 得 到 的 交 流 电 经 全 波 整 流 后 的 直 流 电 压为 ４Ｖ 左 右，但 由 于 电 流 太 小，不 足 以 直 接 启 动 后 续 的充电芯片，所以必 须 先 将 电 能 储 存 在 超 级 电 容 上 ，当
能持续、稳定地为键盘供电。根据理 论 计 算 及 实 验 结 果，对 优 化 自 发 电 键 盘 的 方 法 进 行 了 探 究，指 出 了 该
种 键 盘 代 表 着 一 类 新 型 电 子 产 品 开 发 思 路 ，具 有 良 好 的 发 展 前 景 。
关 键 词 ：聚 偏 氟 乙 烯 （ＰＶＤＦ）薄 膜 ；电 能 储 存 装 置 ；无 线 薄 膜 键 盘 ；自 给 电 装 置 ；超 级 电 容
ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 常 数 包 括 ｄ３１、ｄ３２、ｄ３３、ｄ１５、ｄ２４ （ｄｉｊ 为压电系数，表示由ｉ方向 检 出 在ｊ 方 向 作 用 的 应 力）。 其 压 电 方 程 为 ［５］ ：
图１ ＰＶＤＦ 的坐标系示意
烄Ｔ１烌
烄Ｄ１烌 烄０ ０ ０ ０ ｄ１５ ０烌 Ｄ２ ＝ ０ ０ ０ ｄ２４ ０ ０
中 图 分 类 号 ：ＴＭ２１５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１６７４－９９４４（２０１２）１１－０２５４－０３
１ 引 言
ＰＶＤＦ 压电薄膜作为一种新型有 机 压 电 材 料 ，是 目 前可实现批量生产的压电性能最好的压电材料之一。 与传统有机压电材 料 相 比 ，其 力 电 转 换 灵 敏 度 高，材 质 柔韧，厚度薄，质量轻，电容小，耐腐蚀，动态范围大等 特 点尤为突出。
图 ２ 本 实 验 所 选 择 的 键 盘 区 域
图３ ＰＶＤＦ 压电薄膜键盘结构
由图３ 可 见，此 项 目 设 计 的 键 盘 结 构 只 有 基 座、 ＰＶＤＦ 压电薄膜、保护层３层及最后 加 装 的 键 盘 按 键 层 组 成 ，其 结 构 简 单 ，易 于 实 现 。 ２．３ 能 量 收 集 电 路 的 设 计
感器的工作模式与 粘 贴 结 构 有 关 ，为 柔 性 结 构 时，为 增
大 ＰＶＤＦ 压电 薄 膜 产 生 的 电 荷 量 ，薄 膜 应 工 作 在 拉 伸
模式。如图１所示，Ｔ３＝０。 本 文 选 择 将 键 盘 按 键 的 下 方 设 计 为 中 空 结 构 。 ［４］ 键 盘 基 座 由 带 有 拇 指 大 小 凹 槽
Ｄ３ ＝ｄ３１Ｔ１ ＋ｄ３２Ｔ２ ＋ｄ３３Ｔ３
（２）
２．２ 按 键 设 计
本文选用锦州电 子 科 技 有 限 公 司 生 产 的 ＰＶＤＦ 压
电薄膜为实验材料 ，从改造无线键盘的小键盘区数字 键
及 ＥＮＴＥＲ 键开始，如图２所示。
由于键盘 与 薄 膜 的 接 触 为 柔 性 结 构 ，而 ＰＶＤＦ 传
通常，收集压电发 电 产 生 的 能 量 主 要 有 ３ 种 方 式： 负 载 直 接 供 能 、电 容 储 能 、电 池 储 能 。 ［６］
由于本文针对的是无线键盘 ，故为使键盘中压电产 生的能量更加持续 、稳定、有效地为键盘供能 ，现选定 电 池储能方式解决这一问题。
试验中，由 于 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 受 激 励 产 生 的 电 荷 是瞬间和交替的 ，是以不规则的随机突发形式提供能量 的，而且在电能提取 过 程 中 具 有 阻 尼 效 应 ，因 此 必 须 用 一个超级电容器积累足够的能量 ，然后通过转换电路将 能量 储 存 于 电 池 中 。 ［７］ 本 文 采 用 的 压 电 振 动 能 量 收 集 技术流程如图４所示。
２５４
伍东玲，等：自给电 ＰＶＤＦ 薄膜键盘设计及探究 工程技术
超级电容电压达到 ＣＮ３０６３的充 电 控 制 端 输 入 电 压 ３Ｖ 要求时，电路开始工 作，充 电 器 采 用 恒 流 模 式 对 电 池 充 电，电池充完电供给键盘使用 ，从而实现自给电的过 程 。 能量收集技术基本设计电路如图５所示。
在压电材料及 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 的 应 用 上，美 国、日 本等很多国家已经取得了一些较可观的成果 ，但国内压 电发 电 技 术 仍 处 在 起 步 阶 段 。 ［１］ 其 中 ，对“压 电 发 电 鞋” 的研究各种报道较多 ，压电发电鞋原理就是把压电材料 发电装置置入鞋底 ，通过走路时脚对鞋底的冲击使压电 材料变形而产生电量［２］，达到保暖效果 。１９７６年 ，Ｈｉｒｏ－ ｊｉ Ｏｈｉｇａｓｈｉ 等 将 ＰＶＤＦ 薄 膜 作 为 力 传 感 器 发 明 了 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 按 键［３］，该 按 键 采 用 机 械 式 弹 簧 加 载 装 置，具有高 的 稳 定 性 和 信 噪 比 。２０１１ 年 靳 亚 静 等 提 出 了 单 层 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 作 为 敏 感 层 的 键 盘 设 计 方 案 。 ［４］ 该设 计 利 用 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜 产 生 的 压 力 信 号 实 现 键 盘 的接触响 应。 本 文 利 用 单 层 ＰＶＤＦ 压 电 薄 膜，提 出 一 种可自发电的无线键盘设计方案 ，该设计可在一定程度 上减少无线键盘对电池的依赖。
的 ＰＣＢ 板 制 成，ＰＣＢ 板 上 边 面 电 极 作 为 ＰＶＤＦ 压 电 薄
膜的下电 极，使 基 座 与 下 电 极 一 体 化 。 将 ＰＶＤＦ 薄 膜
黏贴在基 座 上，表 面 涂 覆 一 层 很 薄 的 硅 橡 胶 作 为 保 护
层。ＰＶＤＦ 薄膜键盘结构如图３所示。
收 稿 日 期 ：２０１２－１０－２９ 作 者 简 介 ：伍 东 玲 （１９９０— ），女 ，湖 南 常 德 人 ，土 家 族 ，中 南 大 学 能 源 科 学 与 工 程 学 院 大 学 生 。
图 ５ 能 量 收 集 器 设 计 电 路
３ 能 量 转 换 效 率 分 析
在 ＰＶＤＦ 压电 薄 膜 两 种 工 作 模 式 中 ，本 文 采 用 的 是可使发电量最 大 的 拉 伸 工 作 模 式 ，根 据 式 （１）和 （２）， 此时其表面产生的电位移为：
Ｄ＇３＝ｄ３１Ｆ／Ａ２＋ｄ３２Ｔ２ Ｆ／Ａ３。 本文采用的 ＰＶＤＦ压电薄膜其压电应变常数分别为： ｄ３１：１７±１ＰＣ／Ｎ； ｄ３２：５～６ＰＣ／Ｎ； ｄ３３：２１±１ＰＣ／Ｎ。 试验中，采用一款可计数一定时间内按键次数的 软 件 ＫｅｙＣｏｕｎｔｅｒ， 根据其统计情况 ，如图６所示，普通电脑用 户 １ｄ约 敲 击 键 盘 １００００ 次 。 一次按键产 生 的 能 量 约 为 ３３．６～４４ＰＣ，则 １ 人 １ｄ 在敲击键盘时平均可产生电量： Ｑ总／天 ＝ （３３．６～４４）ＰＣ ×１００００ 次 ＝０．３３６～ ０．４４Ｃ。 普通无线 键 盘 正 常 工 作 需 要 二 节 ５ 号 电 池，据 调 查，每节新 电 池 容 量 约 为 ９００ｍＡｈ，每 为 无 线 键 盘 更 新 一 次 电 池 ，电 池 可 使 用 约 ６ 个 月 的 时 间 。 则键盘在正常工作条件下 ，平均每天约耗电 ： Ｑ天 ＝９００ｍＡｈ×２／１８０ｄ＝１０ｍＡｈ／ｄ＝３６Ｃ／ｄ。 所以，根据此方案 设 计 的 自 发 电 无 线 键 盘 ，其 自 发 电电量约占键盘正常工作时的电荷量是非常有限的 ，但
Ｔ２ Ｔ３
烆Ｄ３烎 烆ｄ３１ ｄ３２ ｄ３３ ０
Ｔ４ ０ ０烎
Ｔ５
（１）
烆Ｔ６烎
式中：Ｄｉ为ｉ 方向的电位移，ｉ＝１、２、３分别表示 ｘ、
ｙ、ｚ 方向；Ｔｊ 为ｊ 方 向 的 应 力，ｊ＝１，２，…，６，１～３ 为 正 应 力 ，４～６ 为 剪 应 力 。
由于 ＰＶＤＦ压电薄膜厚度通常为３０～５００μｍ（本试验 所采 用 的 厚 度 是１００μｍ），无 法 从 侧 面 引 出 电 极 ，只 能 从 其 ｚ轴（或３方向）取电荷。此时压电方程可简化为：
使用多层薄膜，或将薄膜进行多部分拆分 。 （３）优 化 电 极 连 接 方 式 ，减 少 电 荷 损 失。 由 于
ＰＶＤＦ 压电薄膜材料的特殊性 ，本试验 采 用 的 是 铆 接 的 方பைடு நூலகம்连接薄膜及键盘。
（４）优 化 键 盘 键 帽 结 构，增 大 压 电 薄 膜 接 触 应 力。 本试验采用的键盘键帽为常见的火山口结构 ，其附属的 硅胶碗能够吸收部分按键时产生的机械能 ，从而减小了 压电材料可直接利用的应力。
２５５
２０１２年１１月 绿 色 科 技 第１１期
随着材料科学的进步而产生的新的压电薄膜 ，超级电容 以及芯片的发展而形成的新的能量存储技术的进步必 然能使这种模式的自给电无线键盘成为一种可能。
太阳能结合于此自给电无线键盘中。 （２）考虑将 ＰＶＤＦ 薄 膜 进 行 更 多 种 组 合 的 布 置 ，如
２ 键 盘 设 计 方 案
２．１ ＰＶＤＦ 压电薄膜的压电方程 ＰＶＤＦ 压电 薄 膜 的 压 电 方 程 遵 循 一 般 压 电 原 理 。
其 坐标系示意图如图１所示，当 ＰＶＤＦ 压电薄膜受到外 力作用时，将在ｚ 方 向 上 的 上、下 两 表 面 产 生 等 量 异 种 电 荷。图中极化方向 Ｐ 为ｚ 轴（或３方向）的正方向，并 规定垂直 于 ｚ 轴 的 两 个 方 向 分 别 为ｘ 轴 （１ 方 向 ）和 ｙ 轴 （２ 方 向 ）。