駐極體發(fā)電機(jī)的研究進(jìn)展

查 勇

（浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華 321004）

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，被視作物聯(lián)網(wǎng)信息收集節(jié)點(diǎn)的傳感器也得到了極大的發(fā)展，傳感器需要電池來維持自身長時間的工作，然而電池周期性的更換和充電極大地限制了傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的海量應(yīng)用，因此，將傳感器所處的周圍環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化成電能為傳感器供能成為了近幾年的研究熱點(diǎn)。能夠?qū)⑼獠繖C(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電機(jī)可以大致分為電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)、摩擦電式發(fā)電機(jī)與靜電發(fā)電機(jī)。駐極體發(fā)電機(jī)作為靜電發(fā)電機(jī)的一種，基本結(jié)構(gòu)和平行板電容器類似，其發(fā)電原理是靜電感應(yīng)，可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。

1 駐極體材料的研究及其制備方法

1.1 駐極體材料的發(fā)現(xiàn)以及分類

駐極體材料是駐極體發(fā)電機(jī)最關(guān)鍵的部分，它扮演著為駐極體發(fā)電機(jī)提供電荷的角色，駐極體的概念在19世紀(jì)被提出，1919年日本物理學(xué)家通過對巴西棕櫚蠟進(jìn)行熱極化處理成功制備了世界上第一塊人工駐極體，許多學(xué)者在駐極體材料制備、理論模型建立和實際應(yīng)用等領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。

過去駐極體都是用棕櫚蠟類似的材料通過各種方法處理得到，而現(xiàn)代駐極體材料可分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。有機(jī)駐極體材料主要分為含氟聚合物和非氟聚合物，無機(jī)駐極體主要包括硅基氧化物和氧化鋁等。由于無機(jī)駐極體材料和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加工工藝相兼容，故在器件制備的微型化、集成化等方面具備較大的優(yōu)勢。雖然無機(jī)駐極體材料可以薄膜化并依托于柔性襯底可以具備一定的柔性和延展性，但由于無機(jī)材料本身不具備柔性，因此在柔性電子器件方面相較于有機(jī)駐材料不具有優(yōu)勢。

1.2 駐極體的制備

如今，已經(jīng)有多種處理方法將電介質(zhì)材料極化制成駐極體：最常見的是電荷注入法，這是實驗室常用的制備駐極體的方法，其他方法還包括熱極化法、光極化法、壓力極化法、磁場極化法。

2 駐極體發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀

駐極體發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，駐極體發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和電容器結(jié)構(gòu)類似，駐極體夾在兩個電極間，距離駐極體較近的電極是基電極，距離較遠(yuǎn)的電極是對電極。駐極體發(fā)電機(jī)的基本原理是靜電感應(yīng)，因為駐極體表現(xiàn)出的持久極化特性，基電極和對電極感應(yīng)出不同數(shù)量的電荷，將基電極和對電極連接，電子在電極之間流動從而產(chǎn)生電能。

圖1 駐極體發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

按照駐極體發(fā)電機(jī)的發(fā)電方式，主要可以分為變面積式駐極體發(fā)電機(jī)和變間距式駐極體發(fā)電機(jī)，通過改變電極與駐極體之間的正對面積或距離，來改變電極內(nèi)部感應(yīng)電荷的數(shù)量，使電荷在電極之間移動。

2.1 變面積式

Tsutsumino在2006年提出的一種變面積式駐極體發(fā)電機(jī)模型，如圖2所示。該模型由駐極板(駐極體和基電極)和對極板組成，對電極固定在對極板上，對極板固定在電磁振動床上，電磁振動床可以帶動對極板在水平方向上做正弦振蕩運(yùn)動。利用表面電荷密度較高的含氟聚合物薄膜作為駐極體，在駐體表面電位為600 V、20 Hz的頻率和1 mm的振幅下該模型的輸出功率為6.4 μW。

圖2 變面積式駐極體發(fā)電機(jī)

2.2 收集低頻機(jī)械能的駐極體發(fā)電機(jī)

大多數(shù)基于駐極體的振動能量收集器都是在高頻范圍（＞20 Hz）內(nèi)共振，因此無法在人體運(yùn)動等超低頻的場景中應(yīng)用，2019年Kean Aw提出了一種利用軟磁敏彈性體懸臂梁的收集低頻機(jī)械能的駐極體發(fā)電機(jī)，如圖3所示。在低頻激勵下，軟磁敏彈性體懸臂梁與端部止動塊發(fā)生碰撞并誘發(fā)其高頻振動，駐極體能量收集器的對電極連接在端部止動塊上，基底電極和駐極體連接在固定的基底上，隨著端部止動塊帶動對電極振動，基底電極因此會產(chǎn)生電能，實驗表明在4.0～8.2 Hz的工作頻率范圍內(nèi)獲得了40.23 μW的工作頻率。

圖3 收集低頻機(jī)械能的駐極體發(fā)電機(jī)

2.3 超高工作頻率帶寬的駐極體發(fā)電機(jī)

傳統(tǒng)的收集振動機(jī)械能的發(fā)電機(jī)具有一個問題，那就是機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換僅僅在唯一的共振窄帶寬上有效，而通常環(huán)境中的振動分布在較寬的頻率帶上。為了解決這一局限性，Kai Tao提出了一種由基于能量收集的主系統(tǒng)和頻率調(diào)諧的輔助子系統(tǒng)組成的駐極體發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)了高的工作帶寬，如圖4所示。主系統(tǒng)是由兩個平行硅板、塞子、墊片和駐極體膜組成，上電極位于上硅板，駐極體膜和對電極被安裝在下硅板保持固定。子系統(tǒng)是三個彼此平行的螺旋硅彈簧，懸掛在上硅板并與上電極相連接。因為螺旋硅彈簧的沖擊作用，驅(qū)動該能量收集系統(tǒng)第一共振峰向第二共振峰移動。實驗結(jié)果顯示，第一個頻率峰值的3-dB帶寬擴(kuò)大到了60.4 Hz，這種結(jié)合多模態(tài)結(jié)構(gòu)和沖擊機(jī)制的駐極體發(fā)電機(jī)為實現(xiàn)高的工作頻率帶寬提供了方向。

圖4 超高工作頻率帶寬的駐極體發(fā)電機(jī)

2.4 收集多方向機(jī)械能的駐極體發(fā)電機(jī)

以上基于一維單方向機(jī)械能的采集模式受到環(huán)境限制，因為現(xiàn)實中不具有長時間單一方向的外部激勵。2010年Yang設(shè)計了可以收集平面內(nèi)各個方向機(jī)械能的微型駐極體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖5為其部分結(jié)構(gòu)。該器件是在硅晶片中采用深硅刻蝕技術(shù)制備的，該結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)時收集電能，實驗結(jié)果表明在110 Hz和2.5 g的條件下，輸出功率為0.35 μW。為了減少空氣阻尼效應(yīng)，樣機(jī)通過有金屬帽的方式進(jìn)行包裝后測試結(jié)果表明，諧振頻率從110 Hz下降到63 Hz，在0.25 g加速度條件下的最大輸出功率由0.35 μW變成0.39 μW。

圖5 收集多方向機(jī)械能的駐極體發(fā)電機(jī)

2.5 基于雙極性駐極體的駐極體發(fā)電機(jī)

上述結(jié)構(gòu)都是只利用單極性的駐極體薄膜來達(dá)到發(fā)電的目的，在2017年Chen提出一種利用雙極性駐極體的駐極體發(fā)電機(jī)模型，如圖6所示。通過熱壓法和熱電暈極化技術(shù)制備的柔性FEP/THV/FEP膜，這種膜可以呈現(xiàn)雙極現(xiàn)象，即薄膜頂部和底部具有相反的極性。在此基礎(chǔ)上，研制了一種獨(dú)特的收集微振動機(jī)械能的雙氣隙振蕩結(jié)構(gòu)駐極體發(fā)電機(jī)，它的雙氣隙振蕩結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于兩個可變電容器串聯(lián)。當(dāng)振蕩引起駐極體薄膜和電極間的相對位移時，上電極和下電極上的電荷被重組，因此產(chǎn)生交流電，并將微振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在頻率為86 Hz的情況下，該駐極體發(fā)電機(jī)輸出功率為14.14 μW。

圖6 基于雙極性駐極體的駐極體發(fā)電機(jī)

2.6 混合發(fā)電機(jī)

James E. West在2021年提出了一種壓電和駐極體發(fā)電相結(jié)合的混合發(fā)電機(jī)如圖7所示，將由PDMS、鈦酸鋇和碳納米管組成的壓電納米復(fù)合材料作為壓電層，F(xiàn)EP進(jìn)行極化處理后具有負(fù)極性并作為駐極體材料，鋁電極層為駐極體和壓電層所共用。當(dāng)力施加在裝置的頂部按壓時，壓電層在金和鋁電極層之間被壓縮，壓電層的壓電響應(yīng)在兩個電極之間產(chǎn)生電位差，導(dǎo)致電子從金電極流向鋁電極；聚苯乙烯泡沫塑料也被壓縮，F(xiàn)EP駐極體更靠近銅電極，由于靜電感應(yīng)，鋁電極從銅電極接收電子。當(dāng)壓力釋放時，電子又從鋁電極流向金電極和銅電極。實驗結(jié)果表明，該混合發(fā)電機(jī)獲得了8.8 μW cm-3的功率密度。

圖7 壓電與駐極體的混合發(fā)電機(jī)

3 結(jié)論與展望

駐極體是長期帶電荷的電介質(zhì)材料，可以在周圍空間激發(fā)持久穩(wěn)定的電場，以駐極體為核心建立的駐極體發(fā)電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)為電容器結(jié)構(gòu)，一對距離駐極體不同距離的電極以及駐極體材料組成，發(fā)電原理為靜電感應(yīng)原理，駐極體發(fā)電機(jī)的兩種基本發(fā)電機(jī)理為變面積式和變間距式。由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和傳感器的廣泛應(yīng)用，駐極體發(fā)電機(jī)在收集周圍環(huán)境能量給傳感器供電有著很大的前景。

為了收集周圍存在的環(huán)境能量，科研人員通過結(jié)構(gòu)設(shè)計利用駐極體發(fā)電機(jī)收集低頻機(jī)械能，讓發(fā)電機(jī)在較寬的頻率帶范圍內(nèi)能較為有效地收集機(jī)械能；通過加工制造讓駐極體發(fā)電機(jī)收集多方向的能量；還有一些基于駐極體發(fā)電機(jī)的拓展應(yīng)用，利用雙極性駐極體來構(gòu)建駐極體發(fā)電機(jī)，還利用駐極體發(fā)電和其他發(fā)電機(jī)制相結(jié)合制備出復(fù)合發(fā)電機(jī)，拓寬了駐極體發(fā)電機(jī)的應(yīng)用。

駐極體發(fā)電機(jī)還有一些局限性，現(xiàn)有駐極體材料的表面電荷密度無法進(jìn)一步提高，導(dǎo)致駐極體發(fā)電機(jī)的輸出功率無法提升；在高溫潮濕環(huán)境中，駐極體表面電荷易流失。