在《纳米能源》(Nano Energy)一篇题为“Flexible and biocompatible polypropylene ferroelectret nanogenerator (FENG): On the path toward wearable devices powered by human motion”(柔性和生物相容性聚丙烯铁电驻极体纳米发电机(FENG):走在由人体运动供电的可穿戴设备的道路上)的论文中,来自密歇根州立大学的研究人员分享了一种创新的基于聚合物的铁电驻极体,它完全去掉了磁体和铁电材料。

研究人员通过生成一种便宜的聚丙烯泡沫制造出一种薄的聚丙烯铁电极(PPFE),它通过微等离子体放电(通过对PP膜施加大电场)对聚丙烯泡沫的空隙充电。然后,泡沫中大小从1μm到100μm的人造空隙在80μm厚的膜上形成具有高度取向性的巨偶极子。溅射在PPFE膜表面上的两个导电银层完成了器件,使其变成夹层状“金属、绝缘体、金属(MIM)”结构。

研究人员用有限元法(FEM)分析支持了其实际实验,并解释说,随着带电空隙改变其厚度,从而改变它们在机械应力(例如压缩)下的偶极矩,偶极矩的变化能够驱动电子从带负电荷的电极移动到带正电荷的电极,从而在开路条件下产生电压或在短路条件下产生电流(从一个电极到另一个电极的电荷流动)。他们还强调PPFE膜的压电系数(d33~400pC/N)明显大于典型的压电聚合物,如PVDF(d33~15pC/N)或聚对二甲苯C(d33~2pC/N)。

20170121A02 图1:分解视图说明封装的FENG由堆叠的“金属、PPFE、金属”结构组成,没有移动部件或微制造特征。

这种看起来非常容易制造的聚丙烯铁电驻极体的有趣特性是,它不仅坚固且可容易扩展面积。另外,若欲堆叠几个PPFE以增加电压或电流输出就像折叠单个单元本身一样简单。实际上,对称折叠过程在电气连接中使表面保持相同极性,类似于并联单层PPFE的电气连接。

研究人员的实验有效表明,开路电压(Voc)和短路电流(Isc)随着沿对称轴的每次折叠而加倍(相当于使展开状态的压电系数d33加倍)。

20170121A03 图2:输出电压和电流信号随每次沿对称轴的折叠动作而放大。性能表现遵循2n特性,其中n是折叠次数。

应用触摸压力,非折叠的35mm×25mm PPFE膜在开路时将输出约1V电压,或在短路时产生约0.1μA的电流。当释放压力时,产生相反的电荷变化和信号,该材料表现出非常对称的特性。

电荷可以累积到附近的用于储能的电容器(通过肖特基桥式整流电路连接PPFE)或用于为小型电子设备供电。

为了证明新型PPFE膜的能量采集功能,研究人员研制了一个2cm×2cm的FENG,由7个PPFE膜层堆叠组成。手每按下一次,该400mm2器件可足够点亮约3V工作电压的20个串联商用LED(在该配置中,Voc和Isc分别高于50V和5μA)。

20170121A04 图3:堆叠的FENG、约4 0 0mm2,其公共电触点在交替的金属层上制成。

在另一个演示中,研究人员创建了一个可折叠的基于PPFE的自供电键盘(键上有贴纸)。这里,PPFE的顶部和底部表面均匀地涂覆有导电涂料(通过简单的棒涂法)。键击足以为相应字符的单个信号轨迹供电以发送到附近设备,这使得可卷曲和可折叠键盘成为当今电池供电刚性设计的有趣替代物。

密歇根州立大学机械工程副教授和相关作者Nelson Sepulveda 设想,新的FENG可用于许多能量采集应用,将人体运动转换为电能,以便为可穿戴设备甚或可植入电子设备供电(这种设备可涂覆与生物相容的聚酰亚胺)。

本文中展示的另一个尝试性应用是使用PPFE膜来实现自供电触摸屏,其中触摸功能将由实际触摸动作本身供电。

研究人员将他们的FENG与4位LCD屏集成,轻轻敲击足以驱动LCD显示字符(此例是单词PLAY),无需任何整流器或充电电路。研究人员在论文中写道,“这种集成可通过从用户的常规触摸中汲取能量来提高智能手机和可穿戴设备的能量效率,从而减少需外部能源对电池充电的频率。”

《电子技术设计》2017年2月刊版权所有,谢绝转载。 20160630000123