摘 要

通常，人们在生活中都是尽量避免由摩擦产生的静电现象。然而，摩擦生电效应和静电平衡的耦合作用却被王中林教授用来首次制作了摩擦纳米发电机，这种形式的发电机能够将生活中多种形式的能量转换为电能，这对于当今物联网的快速发展、可穿戴移动设备电源问题的解决是至关重要的，所以，系统地研究摩擦纳米发电机的工作原理和提高输出性能是对其研究的首要任务和挑战。

在本论文中，深入研究了纳米发电机的工作机理，运用有限元软件Comsol Multiphysics对设计的摩擦发电机进行模拟仿真，并通过实验制备了PDMS（聚二甲基硅氧烷），通过砂纸倒模形成微结构并且添加屏蔽层以提高其输出性能，通过磁控溅射在PDMS和PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）上面制作了金电极，最后装配起来制成了基于摩擦发电和静电感应原理的柔性纳米发电机，并且标定其发电性能，将其应用为压力传感器，制成计步器，完成对人体运动的测量。

关键字：柔性纳米发电机；摩擦发电；压力传感器；计步器

Abstract

Usually, people in their lives try to avoid the static phenomenon caused by friction. However, the coupling effect of the triboelectric effect and the electrostatic equilibrium was used by Professor Wang Zhonglin to make the first friction nanogenerator. This form of generator can convert various forms of energy into electricity in life. The rapid development and resolution of the problem of power supply for wearable mobile devices is crucial. Therefore, systematically studying the working principle of friction nano-generators and improving output performance are the primary tasks and challenges for their research.

In this paper, the working mechanism of nano-generators is studied in depth. The finite element software Comsol Multiphysics is used to simulate the designed friction generator, and PDMS (polydimethylsiloxane) is prepared through experiments. The mold is microstructured and a shielding layer is added to improve its output performance. Gold electrodes are fabricated on PDMS and PET(Polyethylene terephthalate) by magnetron sputtering, and finally assembled to form a flexible nanogenerator based on the principle of friction generation and electrostatic induction, and calibrated The power generation performance is applied as a pressure sensor to make a pedometer to measure the movement of the human body.

Key Words: flexible nano-generator; friction generation; pressure transducer; pedometer

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 摩擦纳米发电机研究现状 2

1.2.1 摩擦纳米发电机的国内外研究现状 2

1.2.2基于 TENG 的自供能柔性传感器国内外研究现状 3

1.3 论文的主要研究内容 5

1.4论文的组织结构 5

第2章 基于摩擦纳米发电机的柔性传感器设计 7

2.1 摩擦发电机工作原理和工作模式 7

2.2工作模式和材料的选用 8

2.2 柔性传感器的设计及工作原理 9

第3章 基于Comsol Multiphysics的数值仿真研究 11

3.1 Comsol Multiphysics简介 11

3.2基于Comsol Multiphysics的摩擦发电仿真 12

3.3 仿真结果分析 15

第4章 基于摩擦发电原理的压力传感器的制作 16

4.1 聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的制作 16

4.2 薄膜微结构的制作 18

4.3 基于磁控溅射的金电极制作 18

4.4 电连接的制作 20

4.5 屏蔽层的制作 20

第5章 基于压力传感器的人体运动的测量 21

5.1 电性能的分析 21

5.1.1 电压与压缩距离的关系 23

5.1.2 电荷量与压缩距离的关系 23

5.1.3微结构对电性能的影响 24

5.1.4屏蔽层对电性能的影响 24

5.2 人体运动方案分析与测量 25

第6章 环境影响及经济性分析 27

6.1 环境影响 27

6.2 经济性分析 27

第7章 全文总结与展望 29

7.1 总结 29

7.2 后期工作展望 30

参考文献 31

致谢 33

绪论

课题研究的目的和意义

能源对于现代社会来说至关重要，其对于科技的发展以及人类的生活来说必不可少。从工业革命开始，人们对于石油、天然气、煤炭等化石能源的消耗越来越多，这些资源也在迅速减少，科学家和经济学家表示21世纪中期的石油资源将耗尽。如果传统化石能源耗尽，新能源系统尚未建成，那么能源问题将进一步凸显出来，甚至成为人类的危机。所以，能源问题亟待解决，刻不容缓。

近年来，随着物联网技术的迅速发展，我们的日常生活中慢慢出现越来越多的便携式无线电子产品，各种无线传感器网络得到了广泛的应用，并在社会各个领域发挥着重要作用。今天，随着国民经济的发展，人们对自身健康的要求也越来越高。移动大数据保健和智能可穿戴电子设备发展迅速，计步器就是其中之一。计步器是通过测量步数，速度，时间，距离和其他数据以及计算卡路里或热量消耗来控制人体运动的工具。目前，最常用的计步器主要是基于加速度传感器。越来越多的电子产品被用于可穿戴领域，但当这些电子产品为人们的生活带来便利时，它们的缺点正变得越来越突出-耐用性不足。虽然这些电子设备不需要太多的能量，但是目前的电源很难使它们长时间连续工作，因此在传感中开发一种功耗低甚至没有功耗的传感器非常重要^[1]。目前，这些便携式的小型电子设备大多采用充电或者更换电池的方式来进行供电，但是，这样的方式给消费者带来了很大的问题，使用起来很不方便。因为，更换电池对于使用者来说需要经常备用，经常更换，而且更换下来的电池不便于处理，还会造成环境的污染；对于充电式的电子设备，需要定期的充电，如果外部环境不支持的话，也会产生诸多不便。所以这一问题亟待解决，那能不能开发出能量消耗低甚至不需供能自己吸收能量的设备呢？自然界中存在着很多形式的能量，问题就在于如何将这些能量进行转化，成为需要的能量形式。

近年来，王中林研究小组提出的摩擦纳米发电机^[2]（TENG）为这一问题提供了新的解决方案。它可以收集和转换各种形式的能量，并且可以在没有电源的情况下直接感测压力，并且它接收的电信号与其接收的压力和压力的变化率直接相关。该特性使得可以收集和转换各种形式的能量。它可以用作主动压力传感器，解决这类电子设备的能量问题。摩擦式纳米发电机在其他自供电和压力传感器中有许多应用。目前，摩擦式纳米发电机在很多领域都有其身影，它能够从人类活动、自然界中等多个方面获取能量，对于可穿戴产品、环境监测以及医药学等方面都有很多的应用。然而，它在各个方面的应用仍处于相对初步的阶段，特别是在人类活动的能量应用方面。

综合以上问题，本文设计制作了一种基于TENG原理的压力传感器，用来采集与记录人体运动信号。这样设计的压力传感器既解决了各式小型电子设备的能源供应问题，又能够通过自身信号的变化感应出外界信号的变化，实现其作为传感器的功能。此研究对于探索摩擦纳米发电机的应用和对于各种小型设备供电问题的解决有着非凡的重要性。

1.2 摩擦纳米发电机研究现状

现在距离摩擦纳米发电机被发明已经有七年的时间了，由于其特殊的能量采集方式和成本较低等优势，已经成为国内外的研究热点，许多的研究成果也备受关注，接下来对这些研究现状和成果做一些基本的说明和介绍。

1.2.1 摩擦纳米发电机的国内外研究现状

随着物联网技术和可穿戴设备的迅速发展，越来越多的电子产品和传感网络的供电问题急需解决，传统的供电方式有诸多缺陷，已经不能满足日益增长的供电需求，所以，有必要继续深入研究，探索出一种自供能设备，从环境中汲取能量，自给自足。

2012年，Feng-Ru Fan等人提出了最早的摩擦纳米发电机原型，用PET和Kapton材料作为两个摩擦层，并且以金薄膜为电极，装置的尺寸为4.5cm×1.2cm，装置的短边用胶带密封以保证良好接触。该结构的摩擦纳米发电机输出的最大开路电压达到3.3V、最大输出功率密度达到10.4mW/cm³，足以点亮一盏商用的LED灯。

2012年，Guang Zhu等人使用Kapton和PMMA作为两个摩擦层，并且通过垫片结构实现接触分离式摩擦纳米发电机^[4]。在两个摩擦层之间，还有Kapton的纳米线以提高发电性能，通过周围边缘的垫圈使得该结构很好的实现接触与分离。这个装置的最大输出开路电压为110V，短路电流达到6μA，最大输出功率密度达到31.2mW/cm³。

2013年，Guang Zhu等人设计了一种借助弹簧接触分离的摩擦发电机^[6]，弹簧由上下两块亚克力板固定，其尺寸为 8cm×8cm，其中PDMS作为器件的一个摩擦层，金薄膜作为电极和另一个摩擦层，这样可以大大简化摩擦发电机结构。这个摩擦发电机的峰值短路电流达到2.0mA,瞬时输出功率1.2W，并且功率密度为313W/m²， 开路电压达到大约1200V， 运用此种形式的摩擦发电机，600盏LED灯可以瞬时被点亮。

2013年，S.Wang等人设计了一种侧滑型的摩擦发电机^[7]，其采用侧滑的方式改变正对面积，从而改变电压的大小，改变了传统的接触分离式的结构，使得器件结构更加简单，并且不需要额外添加外部的恢复力，使得结构多样化。此器件的尺寸为7.1cm×5.0cm，它的开路电压达到1300V，峰值短路电流密度为4.1mA/m²并且峰值功率密度为5.3W/m²，能同时点亮数百盏商用LED灯。

2013年，Peng Bai等人演示了基于滑动电能的圆柱转动摩擦纳米发电机，用于从旋转运动中获取机械能。以具有不同摩擦电材料制成的芯壳结构为基础的旋转TENG，在表面上具有不同的替代带状结构。电荷转移通过在表面形成聚合物纳米颗粒来加强。在同轴旋转过程中，接触诱导电性，并且在该区域的接触面之间存在相对滑动。“平面内”横向极化的结果是，它驱动外部负载的电流。功率密度为36.9W/m²（短路电流为90μA，电路电压为410V），通过8个条带单元以1.33m/s（转速为1000r/min）的线性转速旋转TENG实现。通过集成更多的条带单元和/或提供较大的线性误差，可以进一步提高输出。这种旋转长度可以用作驱动等电性的直接电源，例如LED灯泡。这项研究证明了通过旋转运动来获取机械能的可能性，证明了收集空气或水的流动能量的潜力，如自力式环境传感器和野生动物跟踪装置。

2014年，Xiaonan Wen等人发明了一种摩擦电纳米发电机，它是基于一种波纹结构的Cu-Kapton-Cu薄膜，夹在两层纳米结构之间，利用摩擦电效应进行机械振动/冲击/压缩，以提高能量。这种结构设计使得TENG可以在冲击后自行恢复，而无需使用额外的弹簧，并将直接冲击转化为横向滑动，这被证明是一种更有效的能量收集摩擦模式。利用电容器模型和有限元模拟对其工作机理进行了阐述。已经获得了5到500赫兹的振动能量，在100赫兹半最大值时，发电机的共振频率被确定为全宽～100赫兹，产生的环形电压高达72V，短路电流高达32μA，峰值功率密度为0.4W/m²。最重要的是，TENG的波浪结构可以很容易地包装，以收集水波的冲击能量，清楚地确立了海浪能量收集的原则。

2015年，Jun Chen等人报告了一个由摩擦纳米发电机组成的网络设计，用于大规模收集动能。依赖于传统聚合物和极薄金属层之间的表面充电效应，作为每个TENG的电极，自然漂浮在水面上的TENG网络将缓慢、随机和振荡波能量转换为电能。根据测得的输出完成情况，TENG预计在1平方公里的表面积上输出1.15米的平均功率。鉴于其综合特性，如重量轻、效率极高、环境友好、易于实现和能够适应水面的浮动，发电机提供了一种创新和有效的方法，从海洋中采集的大规模蓝色能量。

2016年，Lei Zhang等人提出了一个灵活和透明的TENG从自然风在任意风向采集能量。依赖于垂直独立的聚合物条带，包括氧化铟锡（ITO）涂层聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，TENG阵列为带状结构，当自然风经过时，每个条带可以独立摇摆，造成接触分离。条带尺寸为10×2 cm，在27 m/s的气流速度下，两条屋顶面积为2×0.7 cm的相邻条带可分别提供高达98 V、16.3μA和2.76 W/m²的开路电压、短路电流和功率密度。产生的电能瞬间点亮广告牌。此外，还开发了一个由60个条带组成的TENG阵列，以从自然风中获取能量。将装置安装到屋顶上后，产生的屋顶功率密度高达2.37 W/m²，其电力能够同时点亮60个串联的发光二极管（LED）灯泡。

由此可见，在过去的几年里，摩擦发电机不断的发展，其性能不断优化，发电效率大大提升，其可应用的场景也越来越多，其有望于收集各种形式的能量，并将其转化为电能，最后应用于人体穿戴设备、健康检测、国防军工、医药学等各个领域。

1.2.2基于 TENG 的自供能柔性传感器国内外研究现状

在过去的几十年中，信息技术在促进社会进步方面发挥了重要作用。在获取信息方面，传感器是必不可少的，而基于TENG的传感器在近几年也被不断研究，从而取得了很多的成果，其主要应用于对压力、振动、触觉等的测量，其对于人类自然活动、工业生产均有着较大的影响。

2012 年，F. Fan 等人通过使用透明聚合物材料展示了一种新的高输出，柔韧和透明的纳米发电机^[12]。制造了三种常规和均匀的聚合物图案阵列（线，立方和金字塔），以提高纳米发电机的效率。金字塔特征器件的发电量远远超过非结构化薄膜的发电量，在电流密度为〜0.13μA/ cm²时输出电压高达18 V. 此外，所制备的纳米发电机可用作自供电压力传感器，用于检测水滴（接触压力为8 mg，〜3.6 Pa）和落羽（接触压力为20 mg，〜0.4 Pa）， 低端检测限为~13 mPa。

2013 年，L. Lin 等人报告了一种基于摩擦电子技术的创新^[13]，大面积和自供电压力测绘方法，该方法将机械刺激转换为电输出信号。依赖于开路电压和短路电流的独特压力响应特性，在一个时间内将单一的静电和动态压力传递给单个装置。进行了一系列综合研究，以表征TEAS的性能，实现了高灵敏度（0.31kPa^-1），超快响应时间（lt;5ms），长期稳定性（30000次循环）以及低检测限（2.1 Pa）。 TEAS的压力测量范围是可调节的，可以通过对多个TEAS单元进行集成，通过对多个TEAS单元进行集成，可以对装置上应用的局部压力分布进行监测和映射，具有可区分的空间特征。该工程提出了强大的技术，并且可以实现对发电机的实用性，为实现工艺提供了潜在的解决方案。

2014 年，H. L. Zhang 等人设计了具有单个电极的球形三维摩擦纳米发电机^[14]（3D-TENG），其由外透明壳和内聚氟烷氧基（PFA）球组成。这个3D-TENG可以通过在接触分离模式和滑动模式的混合下有效地清除整个空间中的环境振动能量，从而导致电子转移。铝电极和地面。通过系统地研究在不同频率和不同方向上振动的器件的输出性能，TENG可以提供57 V的最大输出电压，其最大输出电流为2.3μA，相应的输出功率为128μW负载为100MΩ。这个3D-TENG也可以用作自供电的加速度传感器，灵敏度较高，效果较好。

2014 年，J. Yang 等人开发了一种基于摩擦电极的薄型自供能声学纳米发电机^[15]，用于从周围环境中采集声能。其声压灵敏度为9.54 V /Pa，压力范围为70~110dB，干燥强度为52，然后产生最大电功率密度为60.2 mW/m²，直接点亮17个商用发光二极管（LED）。此外，发电机还可以自动检测动力源，自动检测到距离声源7米以上的声源。另外，设备具有不同的谐振频率，从低频宽度到10到1700Hz，提供了适用于从周围环境中收获声能的适应性，移动性和成本技术，应用于基础设施监测，传感器网络，军事监视和环境噪声降低。

2015 年，Y. K. Pang 等人提出了基于TENG的新型自供电加速度传感器^[16]，它由外透明壳体和内质量-弹簧-阻尼器机械系统组成。由于轴向上的加速，质量表面上的PTFE膜可以在内壁上的两个铝电极之间滑动。在摩擦电和静电效应耦合的基础上，两个铝电极之间的电位差与质量位移成比例，可用于表征轴方向的加速度，检测范围为约13.0-40.0m/s²，灵敏度为0.289 V·s²/m。通过在三个轴上集成加速度传感器，开发了一种自供电3D加速度传感器，用于任何方向的矢量加速度测量。自供电3D加速度传感器在稳定性测试中具有优异的性能，4000次循环后输出电压略有下降~6％。此外，自供电加速度传感器可用于测量高碰撞加速度，这在汽车安全系统中具有潜在的实用性。

2016 年，R. Zhu等人通过利用三聚氰胺的强电负性特性，开发了基于新发明的摩擦纳米发电机（TENG）的自供电三聚氰胺检测方法^[17]。此外，三聚氰胺可以通过与其他摩擦电材料配对来增强TENG的电输出信号。因此，基于聚四氟乙烯（PTFE）TENG设计了高灵敏度三聚氰胺传感器; 随着三聚氰胺的加入，TENG的输出电流增加，导致三聚氰胺的检测极限大大提高0.5ppb，线性增加范围为1至500ppb。本研究不仅为TENG开发了一种新型材料，而且还展示了一种创新，便捷的Mel和其他生物材料检测方法。

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