基于PDMS的柔性阵列式摩擦纳米发电机的研究

刘想 张震 黄成滢

摘要：设计并制作了柔性阵列式摩擦纳米发电机。测试了其输出性能，探究了其工作原理，并曲面压力传感测试以满足应用于可穿戴式健康监测系统的要求。最后测试了设备的空间分辨率。整体实验结果良好。期望为高分辨率电子的设计提供新的思路。

关键词：摩擦纳米发电机；PDMS；自驱动传感器

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0246-03

1 设计背景

2000年来，电子设备的蒸蒸日上是当代科学技术繁荣兴盛的主要象征之一。经过长足的发展，电子设备以其技术先进、功能强大、种类繁多的特点彻底的融入了人们的日常生活中。当然，电子设备仍有极大的发展空间等着我们去探索。在实际应用中，小型便携式电子设备主要依靠外部电源供能。在电子设备庞大的基础数量下，其使用的电池数目也极其庞大。电池不仅成本高昂、调换繁琐，处理不当还会污染环境，弊端较多。摩擦纳米发电机（TENG）的出现，很大程度上解决了这个难题。TENG能收集环境中的机械能，它原理浅显、输出效能高且其收集的能量可供给自身，常应用于自驱动传感器中。自驱动传感器能自给自足，节能高效。或将成为未来物联网时代的基础设备，在物联网脉络中发挥不可忽视的作用。

2 材料选择

依据摩擦纳米发电机的工作原理，即摩擦起电（electrification by friction）效应和静电感应（Electrostatic induction）效应，需使用两个摩擦电系数差异大、具备微结构的聚合物原料上下堆叠，并在组合结构的两端接入金属电极构成。在设备内部，摩擦起电产生的感应电势差驱使电子在电路中流动，产生电信号。要形成并放大上述两种效应，就需要摩擦面能够产生更多的感应电荷，即摩擦电系数差异要大。表1是部分原料的摩擦电系数比较。这里我们采用了柔韧性强的PDMS和综合性能优异的碳纤维。PDMS（polydimethylsiloxane），聚二甲基硅氧烷。PDMS常态为无色或浅黄色液体，无味，透明度高，加热固化后具有生理惰性、良好的化学稳定性。电绝缘性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，可在-50℃～200℃下长期使用，具有优良的物理特性。被广泛应用于微流控等领域。

3 整体制备流程

将常态PDMS与固化剂以10比1的质量比混合均匀，置入离心机内离心20分钟，完全去除气泡，得到液态的固化原料。

将液态的固化原料旋涂在干净的玻璃衬底上，90摄氏度加热4分钟，得到未完全固化的粘性薄膜。

在光学显微镜下，使用机械探针每隔相同的距离平行放置碳纤维棒，直至铺满整个薄膜。90度加热35分钟，将这部分PDMS薄膜完全固化。

在此基础上旋涂等量固化原料，90度加热4分钟。碳纤维垂直上一批次方向再次铺满整个薄膜。90度加热35分钟固化此部分薄膜。

再次旋涂等量固化原料并完全固化。将其揭下即得阵列式纳米发电机。至此，将其接入外电路即可工作。

4 阵列式摩擦纳米发电机的输出测试

利用实验室设备控制钢针做简谐运动，周期性触碰阵列式摩擦纳米发电机，触碰压力约35000帕斯卡。钢针的触碰导致阵列式摩擦纳米发电机出现周期性的机械形变，设备受到压缩后，两种原料表面紧密接触并发生摩擦，致使电荷转移，两种原料表面带上了相反的电荷。这就是摩擦电效应。当形变释放，即压力消失时两个带相反电荷的表面分开，相反的电荷自发的在电荷之间产生电场，电场的出现带来了电势差（电压）。这就是静电感应效应。

图1a可以看出，设备不仅出现了正向电流，还出现了负向电流。这是因为PDMS是绝缘体。在工作中，感应电势差变为零后，摩擦电荷没有流走，而是留存在绝缘材料上。这样，在钢针做周期（简谐）运动下，摩擦电荷就能在电路中引发交变电流。

图1c可见，设备引发摩擦电荷进而产生感应电动势的时间是68毫秒。图1d可见，当压力在28千帕到42千帕之间时，压力与设备释放的电流成正比例。图1可见，保持工作状态近3小时后设备的性能始终保持原状，说明设备工作穩定。

5 阵列式摩擦纳米发电机的曲面压力传感测试

阵列式摩擦纳米发电机在收集环境信息时不需要另外提供电源，不过为了应用于可穿戴式健康监测系统，我们要求它能在弯曲状态下稳定工作。在大量的实验数据中，我们选用一个具有代表性意义的典型特征结果以展开进一步分析。取适当大小的阵列式摩擦纳米发电机，分别贴合在指尖的指纹处和指甲处，配合钢针测试阵列式摩擦纳米发电机的工作状态。图2a是贴合在指尖的指纹处的电信号图示。由图可见阵列式摩擦纳米发电机输出的正向电流最大值比负向电流最大值要小许多，且电流波形反复震荡。由于指尖指纹处比较柔软且弹性较大，施加压力时缓冲强，所以施加压力的时间要比释放压力的时间长。图2b是贴合在指尖的指甲处的电信号图示。易得指甲处硬度大、缓冲弱，施加与释放压力时间近似相同，于是图示波形中最大值差距较小。该实验说明阵列式摩擦纳米发电机能够在弯曲状态下稳定工作，符合应用于可穿戴式健康监测系统的柔性要求。

6 阵列式摩擦纳米发电机的高分辨率压力传感测试

作为压力传感器，空间分辨率是评价阵列式摩擦纳米发电机性能和遥感信息的重要指标之一，也是识别信息的重要依据。空间分辨率所表示的尺寸、大小，在图像上是离散的、独立的，它反映了图像的空间详细程度。空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。

图3a是阵列式摩擦纳米发电机的像素分布示意图。由制备流程可知组成方格的直线就是原料中的碳纤维。任意指定某行某列即可建立坐标系，定义每个点的坐标值。当某坐标被施加压力，该坐标所在的行和列就会同时出现感应电流。通过分析电流信号即可锁定受力位置，实现压力传感。为了更好地测试阵列式摩擦纳米发电机的性能，分别制作了数种不同分辨率的设备进行实验。一系列可靠实验的结果表明阵列式摩擦纳米发电机的最高分辨率可以达到人体皮肤感受器的十倍以上。

此外，一般要提高设备的空间分辨率可以提高单位面积内点阵的密度，点阵越密集，分辨率越高。即在PDMS内置入更多碳纤维，碳纤维之间的距离更小。但随着碳纤维即电极与电极的距离越小，电极与电极的信号干扰现象也会越发明显，或将导致空间分辨率因为干扰而大幅降低。为了规避这一现象，我们通过比较相邻两电极电流的比值来探究信号干扰的影响。图4可见，两电极间距从0.6毫米逐渐变为0.2毫米后，信号干扰现象越发明显。当测试最小为0.2毫米时，比值约为9，数值依然较大。

7 结束语

经过简单的实验我们初步了解了阵列式摩擦纳米发电机，但要想完全发掘阵列式摩擦纳米发电机的潜力，我们仍需在未来开展大量的工作进行更深入的研究。

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