【導(dǎo)讀】振動是生活中常見的一種機(jī)械運(yùn)動形式，包括樹枝晃動、橋梁振動、海浪運(yùn)動等，它蘊(yùn)含著豐富的機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為電能輸出，為廣泛分布的小型電子設(shè)備或傳感器供電。
摩擦式能量采集器和電磁式能量采集器因其各自的材料優(yōu)勢和輸出特點(diǎn)在振動機(jī)械能采集方面具有廣泛的應(yīng)用。然而生活中的振動多具有隨機(jī)無序、方向多變的特點(diǎn)，采集某一特定方向的機(jī)械能會使器件沿其他方向振動時效率大大降低，因此，開發(fā)一款可有效采集多個方向振動機(jī)械能的能量采集器在建立自供能系統(tǒng)方面具有重要意義。
近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院張海霞教授課題組提出了一種可采集平面內(nèi)任意方向振動機(jī)械能的電磁摩擦復(fù)合式能量采集器。相關(guān)研究成果以“Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor”為題，發(fā)表于納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陳學(xué)先為論文第一作者。該復(fù)合式能量采集器采用彈簧固定的懸浮磁體作為滑塊，并利用FPCB工藝制作了薄膜式具有八瓣結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)電極和電磁線圈，其中任意相對的兩個電極構(gòu)成一個freestanding結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)，因此使器件沿任意方向滑動時均可同時產(chǎn)生電磁和摩擦信號輸出，提高機(jī)械能利用效率。此外，彈簧和磁體構(gòu)成面內(nèi)諧振系統(tǒng)，使器件在10Hz的低頻振動范圍內(nèi)均可有效的產(chǎn)生電信號輸出。得益于電磁發(fā)電機(jī)輸出電流大和摩擦發(fā)電機(jī)輸出電壓高的特點(diǎn)，在復(fù)合充電條件下，器件可在200s內(nèi)快速將20μF電容充電至7V。通過將器件固定到人體小腿或者自行車車輪上，該復(fù)合式能量采集器可有效采集人體跑步時或自行車剎車時機(jī)械能并點(diǎn)亮40個LED，因此可作為自供能夜跑燈或自行車剎車燈的能量采集裝置。此外，通過對4個freestanding結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)上的輸出信號的進(jìn)一步分析，器件還可做為主動式方向傳感器，對正弦式或脈沖式振動的方向進(jìn)行識別，在環(huán)境監(jiān)測、自驅(qū)動傳感系統(tǒng)和人機(jī)交互等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
圖一：電磁摩擦復(fù)合發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)概覽
(a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；
(b) 滑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
(c) 摩擦發(fā)電機(jī)八瓣電極結(jié)構(gòu)；
(d) 器件結(jié)構(gòu)照片；
(e) 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。
圖二：復(fù)合發(fā)電機(jī)工作原理及仿真分析
(a) 器件工作原理；
(b,c)器件沿11’方向和11’、44’之間方向滑動時摩擦電極上仿真電勢分布；
(d,e)器件沿11’方向和11’、44’之間方向滑動時四個freestanding結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)的輸出；
(f)電磁發(fā)電機(jī)的仿真磁場強(qiáng)度分布；
(g)當(dāng)磁體從器件一端滑向另一端時電磁線圈中的磁通量變化。
圖三：復(fù)合發(fā)電機(jī)在正弦信號激勵下的輸出性能
(a) 正弦信號激勵下滑塊運(yùn)動示意圖；
(b,c) E11’摩擦發(fā)電機(jī)在正弦信號激勵下的電壓和電流輸出；
(d-g) 四個摩擦發(fā)電機(jī)在器件沿四個方向振動時的輸出對比；
(h,i) 電磁發(fā)電機(jī)在在正弦信號激勵下的電壓和電流輸出；
(j) 電磁發(fā)電機(jī)在器件沿四個方向振動時的輸出對比。
圖四：復(fù)合式發(fā)電機(jī)的輸出功率及充電能力
（a-b） 摩擦發(fā)電部分和電磁發(fā)電部分在不同負(fù)載下的輸出功率；
（c-d） 復(fù)合發(fā)電機(jī)為電容充電時的電路框圖和充電曲線。
圖五：復(fù)合式發(fā)電機(jī)對脈沖振動信號的方向識別
（a）脈沖振動下滑塊的運(yùn)動示意圖；
（b）11’方向的脈沖振動下E11’電極的輸出信號；
(c-f)器件沿8個方向振動時四個摩擦發(fā)電機(jī)的輸出信號；
(g,h)差值法對振動方向進(jìn)行判斷。
圖六：復(fù)合式發(fā)電機(jī)作為自驅(qū)動振動方向傳感器和能量采集器的應(yīng)用展示
（a-b）利用器件作為振動方向傳感器實(shí)現(xiàn)打地鼠游戲；
（c-f）當(dāng)腳向8個方向移動時器件摩擦部分的電壓輸出信號；
(h，i)將器件固定到人體小腿采集跑步機(jī)械能；
(j)將器件固定到自行車車輪實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動剎車燈。
針對生活中的機(jī)械能隨機(jī)無序、方向多變的特點(diǎn)，利用彈簧和磁體構(gòu)成諧振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可采集平面內(nèi)任意方向振動機(jī)械能的電磁摩擦復(fù)合式能量采集器，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使器件的諧振頻率降低，時器件在低振動頻率下有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，結(jié)合電磁發(fā)電極輸出電流大和摩擦發(fā)電機(jī)輸出電壓高的特點(diǎn)，使器件的充電能力大大提升。此外，得益于摩擦發(fā)電部分特殊的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件可對8個方向的脈沖振動進(jìn)行識別，因此可作為自驅(qū)動振動方向傳感器，展現(xiàn)了在環(huán)境監(jiān)測、自驅(qū)動傳感系統(tǒng)、人機(jī)交互等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力。
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