基于柔性基底的壓電能量收集器的設(shè)計(jì)

駱 懿,梅開煌

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,杭州 310018)

基于柔性基底的壓電能量收集器的設(shè)計(jì)

駱 懿*,梅開煌

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,杭州 310018)

以PDMS為柔性基底設(shè)計(jì)的PVDF壓電薄膜新型壓電能量收集器壓電性能良好,柔韌性強(qiáng),可適應(yīng)復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境,具有廣闊的應(yīng)用前景。首先設(shè)計(jì)了具有柔性基底的壓電能量收集器的結(jié)構(gòu);其次,用PVDF顆粒采用靜電紡絲法制備了PVDF壓電薄膜;最后,實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的壓電能量收集器在振動(dòng)頻率為25 Hz,振動(dòng)幅度為2 mm的激勵(lì)下,開路輸出峰值電壓為8.38 V,輸出功率密度為6.32 μW/cm2;經(jīng)Ansys有限元分析,發(fā)現(xiàn)增大激勵(lì)源的振動(dòng)幅度,可以提高壓電能量收集器的開路輸出電壓和輸出功率。

振動(dòng)能量收集;PVDF;壓電薄膜;柔性基底

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅猛發(fā)展,其能源的持久供應(yīng)問題成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。能量收集技術(shù)對發(fā)展智能化的自供能低功耗電子器件有著重要的推動(dòng)作用,因此它越來越受到各國科研人員以及各大半導(dǎo)體制造商的關(guān)注及研究[1]。能量收集技術(shù)能將環(huán)境中的風(fēng)能、潮汐能、振動(dòng)能,乃至人體肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能等轉(zhuǎn)化為電能[2]。鑒于環(huán)境中振動(dòng)能存在形式多樣,例如機(jī)械運(yùn)行、車輛行駛甚至人體步行時(shí)足部的運(yùn)動(dòng)都蘊(yùn)含豐富的振動(dòng)能。因此,科研人員設(shè)計(jì)了各種拾取振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能為低功耗電子器件供能的能量收集器。壓電材料制作的壓電能量收集器,憑借其較高的機(jī)電耦合性能與較大輸出功率密度等特性獲得了科研人員的青睞[3]。傳統(tǒng)的壓電能量收集器大多采用壓電陶瓷制成,張穎異[4]等人采用鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷設(shè)計(jì)了一種共質(zhì)量塊陣列結(jié)構(gòu)的懸臂梁振動(dòng)能量收集器,該能量收集器在2gn加速度,610 Hz的諧振頻率的激勵(lì)下,開路輸出峰值電壓為8.88 V,最大輸出功率為1 220 μW。受限于壓電陶瓷是脆性材料,在外力的作用下十分容易破裂的缺陷,因此它制作的能量收集器適用范圍較小,難以進(jìn)一步推廣[5]。

聚偏氟乙烯PVDF(Polyvinylidene Fluoride)是一種性能良好的壓電材料,具有壓電系數(shù)高、生物兼容性好、頻響寬、柔韌性高及易加工等優(yōu)點(diǎn)[6]。目前,各國科研人員在PVDF壓電薄膜的制備及應(yīng)用方面已經(jīng)開展相關(guān)研究并取得不少的有效成果,如劉廷[7]等人基于PVDF壓電薄膜設(shè)計(jì)了一種微力檢測傳感器。采用壓電聚合物PVDF制作的壓電發(fā)電機(jī),可以獲得比PZT壓電陶瓷更好的壓電效應(yīng),如管麗娟用PVDF壓電薄膜設(shè)計(jì)了一種類風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集裝置,該風(fēng)能收集裝置在風(fēng)速為5 m/s～10 m/s時(shí),最大輸出電壓為23.7 V,輸出功率約2 mW/cm3[8]。

實(shí)驗(yàn)中,以PVDF聚合物顆粒為材料,通過靜電紡絲法制備PVDF壓電薄膜;按照設(shè)計(jì)的壓電能量收集器的結(jié)構(gòu),組裝具有柔性基底的能量收集器。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其表面結(jié)構(gòu)表征其形態(tài)特征;通過測試壓電能量收集器的開路輸出電壓與輸出電流表征其電學(xué)特性,ansys有限元分析給出能量收集器的電壓分布結(jié)果。測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的壓電能量收集器的輸出功率密度為6.32 μW/cm2,該能量收集器能拾取外界復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)能,在結(jié)合能量收集管理電路模塊使用,能收集生物體振動(dòng)如人體膝蓋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。

1 柔性基底的壓電能量收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)外力作用于壓電材料使其表面發(fā)生形變時(shí),受壓電效應(yīng)作用,壓電材料上下表面將產(chǎn)生與應(yīng)力大小成正比的電荷量,且上下表面的電荷量數(shù)量相等、符號相反。當(dāng)外力撤去時(shí),壓電材料又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)[9]。實(shí)驗(yàn)中,基于PVDF壓電薄膜的壓電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,通過使用495膠水將柔性基底PDMS與PVDF壓電薄膜粘貼結(jié)合的方法,制作壓電能量收集器。柔性基底材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS(Polydimethylsiloxane),PDMS具有良好的生物兼容性與柔韌性、較強(qiáng)的黏附性,是制作柔性電子器件的常用材料之一[10]。

圖1 柔性基底的壓電能量收集器結(jié)構(gòu)截面圖

當(dāng)外力作用于PVDF壓電薄膜時(shí),為了能有效的提取壓電薄膜表面積累的電荷,需要將PVDF壓電薄膜上下表面均鍍上一層導(dǎo)電性能良好的銀漿,然后通過金屬電極將鍍銀層表面聚集的電荷引出;為了有效的保護(hù)PVDF壓電薄膜,除了在PVDF壓電薄膜的下表面粘貼上耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的PDMS柔性基底,上表面還需通過涂抹一層環(huán)氧膠水形成保護(hù)層?；谌嵝曰椎膲弘娔芰渴占鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面圖如圖1所示。

圖1中,從下往上依次是壓電能量收集器的柔性基底層、底鍍銀層、底鍍銀層表面的鋁銀合金電極、PVDF壓電薄膜層、頂鍍銀層、頂鍍銀層表面的鋁銀合金電極、環(huán)氧膠水封裝層。

2 柔性基底的壓電能量收集器的制備

2.1 PVDF壓電薄膜的制備

實(shí)驗(yàn)中采用靜電紡絲技術(shù)制備PVDF壓電薄膜。靜電紡絲技術(shù)是指聚合物溶液在高壓靜電場作用下形成納米級纖維的過程[11]。靜電紡絲技術(shù)以其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、工藝可控等優(yōu)點(diǎn),已成為材料科學(xué)領(lǐng)域有效制備納米纖維材料的主要技術(shù)之一[12]。靜電紡絲裝置通常由高壓電源、噴頭及液體供給裝置、纖維接收裝置三部分組成[13],實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的靜電紡絲裝置如圖2(a)所示。

圖2 靜電紡絲裝置圖和靜電紡絲制備的PVDF壓電薄膜

靜電紡絲時(shí),高壓直流電形成靜電場將極化噴頭噴射出的PVDF纖維,將纖維中不含壓電性能的順電相極化成帶壓電性的鐵電相。

靜電紡絲法制備PVDF壓電薄膜流程:

①將PVDF聚合物顆粒(美國Sigma-Aldrich公司)溶解于N,N二甲基甲酰胺(比利時(shí)Acros公司)溶劑中形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的溶液。為加快聚合物顆粒的溶解速度,將配置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%溶液置于混勻器中搖晃2 h,取出后靜置12 h消除搖晃時(shí)產(chǎn)生的氣泡。

②將步驟①中配置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的聚合物溶液裝入高精度微量注射泵中,設(shè)置注射泵推射速率為0.005 mL/min,噴頭距滾筒收集器距離為12 cm,高壓電源輸出直流電壓為20 000 V,靜電紡絲15 min。

③靜電紡絲結(jié)束后,用小刀取下滾筒收集器表面的錫箔紙,這時(shí)錫箔紙表面覆蓋著一層白色的薄膜,即靜電紡絲制備的PVDF壓電薄膜,如圖2(b)所示,測量發(fā)現(xiàn)該壓電薄膜平均厚度約為78 μm。

2.2 柔性基底的壓電能量收集器的制作

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的柔性基底的壓電能量收集器的制作方法主要步驟如下:

①制作PVDF壓電薄膜條:將2.1中靜電紡絲制備的PVDF壓電薄膜用剪刀剪切成長為2.5 cm,寬為1.5 cm的長條。

②制備PDMS柔性基底:將液態(tài)PDMS與固化劑按10∶1比例混勻,再置于抽真空裝置中抽真空1 h抽除氣泡,將抽真空后的PDMS溶液涂抹在光滑玻璃片上使其勻開,然后將玻璃片放入恒溫加熱板上40 ℃加熱3 h,即可制備固態(tài)的柔性PDMS基底,測量發(fā)現(xiàn)該柔性基底平均厚度約為120 μm。

③鍍銀形成電鍍層:將步驟①中剪切的PVDF壓電薄膜長條上表面均勻涂抹一層高濃度速干型導(dǎo)電銀漿,待銀漿固化后,再在PVDF壓電薄膜長條的下表面也均勻涂抹一層導(dǎo)電銀漿。

④安裝電極:將長為2.5 cm、前端部分寬約0.35 cm的鋁銀電極片的前端0.5 cm長部分,通過速干型導(dǎo)電膠水粘貼到步驟③中鍍銀的PVDF壓電薄膜的上表面靠近邊緣的左側(cè);待其固化后,用同樣的方法在壓電薄膜的下表面靠近邊緣的右側(cè)安裝另一片電極,兩片電極需安裝在壓電薄膜條的同一端。

⑤封裝:用剪刀將2中制備的PDMS基底剪切成長為3.5 cm,寬為2.5 cm的長條,通過495膠水將PDMS長條與經(jīng)步驟③、步驟④處理后的PVDF壓電薄膜的下表面粘貼在一起。待其固化后,再在PVDF壓電薄膜上表面涂抹一層環(huán)氧膠水,加固壓電薄膜與PDMS的粘貼并起到保護(hù)壓電薄膜的作用。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與討論

由于靜電紡絲技術(shù)制備的纖維結(jié)構(gòu)尺寸一般在納微米范圍,因此制備的纖維表面結(jié)構(gòu)特征需要借助掃描電子顯微鏡觀察,制備的PVDF壓電薄膜的SEM圖如圖3(a)所示。

圖3 靜電紡絲制備的PVDF壓電薄膜的SEM圖 和SEM圖纖維直徑分布統(tǒng)計(jì)圖

由圖3(a)知,實(shí)驗(yàn)制備的PVDF壓電薄膜是由一根根排列有序的納米線組成,這些納米纖維在形態(tài)上總體展現(xiàn)出陣列垂直排列的特征,這主要是靜電紡絲過程中采用了裹有錫箔紙的滾筒作為收集器,使噴頭噴射出的絲在滾筒的帶動(dòng)下形成取向有序的納米纖維。

圖3(b)是經(jīng)nano measurer軟件對SEM圖中纖維直徑分布計(jì)算得出的統(tǒng)計(jì)圖,該軟件計(jì)算出圖3(a)中纖維直徑最大為1.06 μm,最小直徑為0.07 μm,平均直徑為0.24μm,說明實(shí)驗(yàn)制備的PVDF壓電薄膜在纖維表面結(jié)構(gòu)上達(dá)到了微納米級別。

在設(shè)計(jì)的柔性基底壓電能量收集器的輸出電性測試過程中,將能量收集器通過絕緣黑膠帶固定在水平振動(dòng)混勻儀上部,設(shè)置振動(dòng)混勻儀的振動(dòng)頻率為25 Hz,水平振動(dòng)幅度為2 mm;同時(shí),通過導(dǎo)線連接能量收集器的上下電極與示波器(Agilent technologies DSO7054A)的輸入通道,具體測試如圖4(a)所示。

在開路輸出電壓測試時(shí),由于柔性基底底端緊緊的卡在水平振動(dòng)混勻儀的線槽中,所以開啟水平振動(dòng)混勻儀(最大振幅5 mm),將使壓電能量收集器處于周期性的沖擊運(yùn)動(dòng)中。

圖4 柔性基底壓電能量收集器施加機(jī)械周期作用 測試圖和開路輸出電壓

示波器探測開路輸出電壓信號如圖4(b)所示。從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在振動(dòng)頻率為25 Hz,振動(dòng)幅度為2 mm的激勵(lì)下,設(shè)計(jì)的柔性基底壓電能量收集器開路峰值電壓達(dá)到8.38 V。

圖5(a)是利用多物理層仿真軟件Ansys Multiphysics建立的物理模型,分析PVDF壓電薄膜在振動(dòng)過程中薄膜形變與薄膜表面產(chǎn)生的電壓分布云圖,可以發(fā)現(xiàn)PVDF壓電薄膜上下電極間電壓垂直于薄膜表面,與靜電紡絲過程中極化方向一致。在仿真過程中,發(fā)現(xiàn)增大作用于壓電薄膜表面的激勵(lì)的振幅大小,能有效增加壓電薄膜的形變程度,進(jìn)而能提高其開路輸出電壓。

將水平振動(dòng)混勻儀的振動(dòng)頻率設(shè)為25 Hz,振動(dòng)幅度依次設(shè)為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,柔性基底壓電能量收集器的開路輸出電壓如圖5(b)所示,發(fā)現(xiàn)增大激勵(lì)振幅,可以有效提高壓電薄膜的開路輸出電壓,這與仿真結(jié)果相符。

圖5 壓電薄膜形變與開路電壓分布和激勵(lì)振幅 與開路輸出電壓關(guān)系

測試短路輸出電流時(shí),將能量收集器和跨阻放大器連接后再與示波器相連。在振動(dòng)頻率為25 Hz,振動(dòng)幅度為2 mm的激勵(lì)下,能量收集器短路輸出電流的峰值約為2.73 μA。

短路輸出電流Isc表達(dá)式為[14]:

Isc=d31EγAE2πfε11

(1)式中:d31(28pC/N)是壓電系數(shù);E(2GPa～3GPa)是PVDF壓電薄膜的楊氏模量;γ(大小1.21,無量綱)是和靜電場極化相關(guān)的參數(shù);ε11是PVDF壓電薄膜沿電極方向的應(yīng)變;AE是PVDF壓電薄膜的有效工作面積大小;f是壓電薄膜的振動(dòng)頻率。

式(1)表明,增大壓電薄膜的應(yīng)變程度或者增加壓電薄膜的有效工作面積,都可以提高壓電薄膜的短路輸出電流。

對于給定的負(fù)載電阻RL,美國加州伯克利分校的Roundy[15]等人給出了壓電材料形變時(shí)的輸出功率為:

(2)

由式(2)知,當(dāng)壓電材料不變時(shí),改變激勵(lì)的振動(dòng)頻率與壓電材料的有效壓電層厚度不一定能有效地提高壓電材料的輸出功率,增大激勵(lì)的振幅能有效的提高壓電材料的輸出功率。

在振動(dòng)周期25Hz,振幅2mm的激勵(lì)下,制作的柔性基底壓電能量收集器的輸出功率密為6.32μW/cm2。

壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率一般由壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)與品質(zhì)因素共同決定的,機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的定義為[16]:

(3)

式中:Q為材料的品質(zhì)因數(shù),K為機(jī)電耦合系數(shù)。

式(3)表明,提高壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)與品質(zhì)因數(shù),能有效的提高壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。在振動(dòng)周期25Hz,振幅2mm的激勵(lì)下,設(shè)計(jì)的壓電能量收集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率約為11.7%。

為了測試設(shè)計(jì)的柔性基底壓電能量收集器的實(shí)際能量收集效果,將制作的柔性基底PVDF壓電能量收集器下半部分用膠帶固定在基座表面,540電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)雙葉槳拍打能量收集器上半部分(表面裹有一層黑色耐磨膠帶,起保護(hù)作用)使其形變發(fā)電,能量收集器的2片電極通過導(dǎo)線與后端處理電路相連,如圖6所示。后端處理電路由4個(gè)肖特基二極管構(gòu)成的整流橋、10μF儲能電容與6個(gè)串聯(lián)的紅色LED燈組成,電路如圖7所示。

圖6 柔性基底壓電能量收集器為LED燈供能

圖7 整流電路

在圖6中,540電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為2 V,雙葉槳與PVDF能量收集器接觸面積為0.48 cm2。當(dāng)540電機(jī)工作13 min后,用萬用表測量10 μF儲能電容兩端電壓為15.32 V,此時(shí)把圖6中黃色導(dǎo)線(相當(dāng)于開關(guān))接通,6個(gè)紅色LED燈被點(diǎn)亮約1.6 s,當(dāng)LED燈熄滅后,10 μF儲能電容兩端還剩2.17 V。

圖6中實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的柔性基底壓電能量收集器具有作為周期性工作的無線傳感節(jié)點(diǎn)供能系統(tǒng)的潛力。該能量收集器的基底是由柔性且生物兼容的PDMS材料制備的,因此結(jié)合相應(yīng)的能量收集電路模塊使用,該能量收集器還可以收集人體肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。

4 結(jié)論

通過靜電紡絲法成功制備了PVDF壓電薄膜,結(jié)合柔性電子器件制作方法,利用PVDF壓電薄膜,制作了一款柔性基底壓電能量收集器。通過測試壓電能量收集器的開路輸出電壓,發(fā)現(xiàn)靜電紡絲過程能有效地將PVDF的順電相轉(zhuǎn)化成壓電性能良好的鐵電相。柔性基底壓電能量收集器在周期性振動(dòng)過程中,PVDF壓電薄膜的電場分布垂直于膜表面。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),柔性基底壓電能量收集器具有較高的輸出電學(xué)特性,增大激勵(lì)源的振動(dòng)幅度,能有效的提高其電學(xué)輸出特性。設(shè)計(jì)的柔性基底壓電能量收集器不僅可以應(yīng)用于自供能智能電子器件,還可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、損傷檢測等領(lǐng)域。

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Design of Piezoelectric Energy Collector Based on Flexible Substrate

LUOYi*,MEIKaihuang

(School of Communication,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

PVDF piezoelectric thin films with PDMS as the flexible substrate have good piezoelectric properties and strong flexibility. It can be applied to the complicated vibration environment and thus have broad application prospects. In this paper,we firstly design the structure of piezoelectric energy collector which bears flexible substrate and using PVDF particles,the PVDF piezoelectric thin film was prepared by electrospinning. Then,the experimental results show that when the vibration frequency of piezoelectric energy collector is designed as 25 Hz and vibration amplitude of excitation as 2 mm,the open-circuit output peak voltage is 8.38 V and the output power density is 6.32 μW/cm2. Finally the ANSYS finite element analysis demonstrates that the greater the vibration amplitude of the excitation source,the higher the open-circuit output voltage and power of the piezoelectric energy collector.

vibration energy collection;PVDF;piezoelectric film;flexible substrate

駱 懿(1976-)，男，浙江杭州人，高級實(shí)驗(yàn)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī)與智能醫(yī)療儀器，luoyi@hdu．edu．cn；梅開煌(1992-)，男，安徽省宿松人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閴弘娔芰渴占?946272179@qq．com。

2016-12-15 修改日期:2017-04-01

O482.41

A

1004-1699(2017)08-1293-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.027