一種基于PVDF的微型熱釋電發(fā)電機研究

趙江銘，邱國林,，張海霞

(1.鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001； 2.北京大學 微電子學研究院，北京 100871)

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一種基于PVDF的微型熱釋電發(fā)電機研究

趙江銘1，邱國林1,2，張海霞2

(1.鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001； 2.北京大學 微電子學研究院，北京 100871)

依據(jù)聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜的熱釋電效應(yīng)，設(shè)計了一種新型的微型熱釋電發(fā)電機.介紹了該發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，完成了該發(fā)電機的相關(guān)實驗，并采用有限元方法對該發(fā)電機在不同溫度差下的輸出特性進行了分析.實驗結(jié)果表明，該發(fā)電機的輸出電壓隨匹配電阻的增大而增大，而輸出電流反之，并且在20 ℃和40 ℃溫差下最大瞬時輸出功率分別為208 μW和475 μW.仿真結(jié)果表明，隨溫差的增大，溫度隨時間的變化率也會增大，并且在20 ℃和40 ℃溫差下相應(yīng)的開路電壓為689 V和1 380 V，通過實驗論證了該發(fā)電機可以作為能量采集的有效手段.

聚偏氟乙烯(PVDF)；熱釋電效應(yīng)；微型發(fā)電機

0 引言

早在2 400多年前，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電氣石的熱釋電效應(yīng)[1].但是直到19世紀末，關(guān)于熱釋電效應(yīng)定量和理論的研究才開始增多[2].例如，Bowen等[3]對用于能量采集的熱釋電材料和器件進行了系統(tǒng)分析.而在熱釋電效應(yīng)的研究當中，對聚偏氟乙烯(PVDF)的研究也得到了廣泛關(guān)注.例如，張華等[4]就對PVDF的制備及其應(yīng)用進行了深入分析.目前，關(guān)于PVDF的研究當中，對其壓電性能的研究居多，但對其熱釋電特性卻鮮有相關(guān)研究.例如，辛毅等[5]設(shè)計了一種基于PVDF的觸滑覺傳感器，通過PVDF的壓電性將運動信號轉(zhuǎn)化成電信號.而劉廷等[6]設(shè)計了一種基于PVDF的微力傳感器，通過電荷放大器將PVDF所受到的微力放大并得到電信號.程啟華[7]對PVDF壓電傳感器的溫度特性研究證實PVDF的熱釋電效應(yīng)較強，對傳感器精度會產(chǎn)生影響.王芳等[8]提出了基于熱釋電效應(yīng)的能量采集系統(tǒng)的設(shè)計，證實了采用熱釋電效應(yīng)進行能量采集和存儲的可行性.Leng等[9]首次提出了一種基于PVDF的微型熱釋電發(fā)電機并用于水能量采集，但是該發(fā)電機的輸出性能仍有繼續(xù)提升的空間，此外對微型熱釋電發(fā)電機的原理還需進行深入探究.

筆者基于 PVDF 薄膜的熱釋電效應(yīng)設(shè)計了一種新型微熱釋電發(fā)電機.通過測試實驗分析了該器件在溫度差為20 ℃和40 ℃時的輸出特性，并通過有限元分析對該發(fā)電機在溫度差為20 ℃和40 ℃的溫度及電場變化進行了深入研究.

1 原理分析

熱釋電效應(yīng)是指某些晶體在受熱時晶體的自發(fā)極化隨溫度的變化而發(fā)生改變，從而導(dǎo)致晶體的表面束縛電荷發(fā)生改變的一種現(xiàn)象[8].熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的熱釋電電流可以通過下式來確定[9].

(1)

式中：I代表熱釋電電流；p代表熱釋電系數(shù)；A代表器件的有效面積； dT/dt代表溫度隨時間的變化率.

圖1給出了熱釋電效應(yīng)的原理簡圖，圖中箭頭代表熱量的傳遞方向.當dT/dt=0時，即溫度不隨時間產(chǎn)生變化，那么晶體的自發(fā)極化的強度不會發(fā)生改變，因而也就沒有熱釋電電流的產(chǎn)生，也就是I=0，如圖1(a)所示. 而一旦溫度升高，即dT/dt>0時，那么晶體的自發(fā)極化的強度會減小，這時如果將外電路用導(dǎo)線連接，那么電路中將會有熱釋電電流產(chǎn)生，如圖1(b)所示.而當溫度升高并最終達到平衡時，由于溫度不會繼續(xù)發(fā)生變化，則熱釋電晶體的自發(fā)極化將也不會發(fā)生變化，因而相應(yīng)的就沒有熱釋電電流的產(chǎn)生，如圖1(c)所示.而如果此時晶體所受到的溫度改變，例如將晶體降溫，那么晶體的自發(fā)極化的強度將會變大，相應(yīng)的在外電路中也會有熱釋電電流的產(chǎn)生，直到達到新的平衡，如圖1(d)所示.

圖1 微型熱釋電發(fā)電機的工作原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于熱釋電效應(yīng)的產(chǎn)生是基于溫度隨時間的變化，而自然環(huán)境具有恒定的溫度梯度，并不會隨時間而改變.因此，筆者采用兩個盛水的燒杯，而水的溫度不同，讓器件交替浸入這兩個熱源，從而實現(xiàn)溫度隨時間變化[10].圖2是微型熱釋電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡圖.該發(fā)電機主要有 PVDF薄膜和上下兩層聚酰亞胺(PI)組成.首先選取一塊大小為2 cm × 6 cm的PVDF薄膜，隨后在薄膜的兩面分別粘貼上銅導(dǎo)線并用銅導(dǎo)電膠帶固定，最后用PI 膠帶將整個器件封裝，并用環(huán)氧樹脂進行密封.PI 膠帶的作用是讓器件和水進行隔離，避免器件和水接觸而無法正常工作.

圖2 微型熱釋電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖

3 實驗結(jié)果討論

該發(fā)電機在20 ℃和40 ℃溫差下，匹配電阻為100 MΩ時的輸出電壓如圖3所示.由實驗結(jié)果可知，當t=0.3 s左右時電壓達到最大，相應(yīng)的輸出電壓分別為129 V和195 V，而熱釋電電壓的輸出周期大約為2 s.圖4給出了不同阻值的匹配電阻下，該發(fā)電機的瞬時輸出的最大電壓和電流.由圖4可知，該電機輸出電壓隨著匹配電阻的增大而增大，而輸出電流的變化趨勢相反.圖5給出了該發(fā)電機在不同阻值的匹配電阻下的最大瞬時輸出功率.由實驗結(jié)果可知，當匹配電阻為80 MΩ時，瞬時輸出功率有一個最大值，在20 ℃和40 ℃溫度差下的最大瞬時輸出功率分別為208 μW和475 μW.

圖3 不同溫差下的輸出電壓

圖4 不同溫度差下的輸出電壓、電流與匹配電阻的關(guān)系

圖5 不同溫度差下的輸出功率

4 仿真結(jié)果討論

通過有限元仿真分析了該發(fā)電機在20 ℃和40 ℃溫度差下的溫度變化及電壓變化.由公式(1)可以推出器件表面束縛電荷的面密度變化為:

(2)

而沿PVDF薄膜厚度方向的上下電極間的電壓可以表示為:

(3)式中：ΔT代表溫度差；E代表電場強度；d代表PVDF薄膜的厚度；εr和ε0分別代表相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)[9].仿真時將器件的上電極接地，同時選擇PVDF的表面和中平面作為參考平面.PVDF的熱釋電系數(shù)p取為4 nC·cm-2·K-1[11].

圖6顯示的是在仿真時間t=0.3 s，溫度差分別為20 ℃和40 ℃時熱釋電發(fā)電機的溫度分布圖.從圖6可以看出，溫度的變化是層狀分布的.圖7顯示的是仿真時間從0 s到1 s變化時，在20 ℃和40 ℃溫差下的器件表面和中平面的溫度變化曲線.圖7顯示溫度隨時間的變化式非線性的.同時也發(fā)現(xiàn)，器件中平面的溫度變化要低于表面，但是發(fā)現(xiàn)兩者的差別不大.分析圖7的結(jié)果可知，當仿真時間t=0.3 s時，整個器件的最大溫度變化分別為14 ℃和28 ℃.由這兩個數(shù)據(jù)及公式(2)和(3)，通過仿真可得圖8的結(jié)果.由圖8可知，20 ℃和40 ℃溫差下器件的最大開路電壓分別為689 V和1 380 V.通過有限元分析可以更加清晰地了解該發(fā)電機的工作原理和輸出特性.

圖6 不同溫度差下的溫度分布圖

圖7 不同溫度差下的溫度變化曲線

圖8 不同溫度差下的電勢分布圖

5 結(jié)論

(1)實驗結(jié)果表明，該發(fā)電機的輸出電壓隨匹配電阻的增大而增大；輸出電流反之，瞬時輸出功率在匹配電阻為80 MΩ時達到最大.

(2)仿真結(jié)果表明，溫度的變化是非線性的，高溫下的溫度隨時間的變化率要更高，因此其輸出電壓也要高.

(3)輸出電壓的有限元仿真結(jié)果與實驗結(jié)果在具體數(shù)值上存在一定的差距，其原因主要有兩個方面：實際的熱傳導(dǎo)影響；實驗溫度差要低于理論仿真結(jié)果.因此該研究仍有可以提升的空間.

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A Micro Pyroelectric Generator Based on PVDF

ZHAO Jiangming1, QIU Guolin1,2, ZHANG Haixia2

(1.School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China； 2.Institute of Microelectronics, Peking University, Beijing 100871, China)

Based on the pyroelectric effect of polyvinylidene fluoride (PVDF) film, a new micro pyroelectric generator was designed. The basic structure and working principle of the generator were introduced, corresponding experiments were completed and output characteristics of the generator under different temperature differences were analyzed through finite element method. The experimental results showed that the output voltage increased with the increase of the matched resistance and the output current was vice versa. The maximum instantaneous output power under 20 ℃ and 40 ℃ temperature difference was 208 μW and 475 μW, respectively. The simulation results show that with the increase of the temperature difference, the changing rate of temperature with time increased. The respective open-circuit voltage under 20 ℃ and 40 ℃ temperature difference was 689 V and 1380 V. The simulation and experiment proved that the generator could be used as an effective means of energy harvesting, which would give guidance for further research in the future.

PVDF; pyroelectric effect; micro generator

2016-05-10；

2016-08-09

國家自然科學基金資助項目 (61176103, 91323304, 51475436)；國家“863”計劃資助項目(2013AA041102)；北京市自然基金資助項目(4141002)

趙江銘(1972—)，男，河南新鄭人，鄭州大學講師，博士，主要從事微機電系統(tǒng)(MEMS)及其控制技術(shù)研究，E-mail:zhaojiangming@126.com．

1671-6833(2016)06-0034-04

TN384

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.015