双拱形式柔性PVDF与体感交互控制下的发电装置

吴文鑫 罗成剑 吴佳瑶 张梦泽

摘要：本文利用压电效应与换能技术设计了一种可穿戴式发电装置，通过采用高输出性能和高导电性能的柔性PVDF压电薄膜并以双拱形阵列结构搭建，使得穿戴者可以通过体感交互进行机械能一电能转化并对电能加以利用。该装置实现了人体机械能的高效率采集及对手机等外部设备进行供电的功能，对于能量的二次利用具有深远意义。

关键词：PVDF;压电效应;发电装置

1、应用领域

柔性PVDF与体感交互控制下的压电装置属于一种小型便携式发电装置的服务范围。随着便携式智能设备的适用范围越来越广，续航能力缺失的問题也逐渐显露出来。如今，便携式智能设备续航能力的弥补成为最大潜在市场机会，而本项目正好符合市场的需求。

本团队设计的柔性压电装置可以在平时多场合佩戴，例如在办公室、家、健身房等场合。它的使用形式也分为多种形式，既做到了能源的收集，也可以作为装饰品。通过时刻与身体的交互，实现将人体运动产生的机械能经柔性压电装置转化为电能储存在后续的超级电容中，其产生的电能可以为手机、小型音响等设备进行供电。

2、压电效应概述

本项目核心技术为压电效应，其原理为：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力卸载，又会恢复不带电的状态。

正压电效应如图1所示，压电材料在机械力作用下会发生形变，内部产生极化现象，在材料体表面出现异性电荷，电荷密度与力的大小成正比，使“力”产生“电”。

3、产品简介

本作品为一种可穿戴式PVDF发电装置，穿戴在身上时可采集并转化人运动的机械能为电能，最终加以利用。如图2所示为本产品的装置简图。

其核心优势为：

1、利用压电效应实现机械能和电能之间的转换，通过压电薄膜极化效应分离电子，产生电动势;

2、综合人机交互考虑，使用柔性体附着在表面，确保人体舒适度的同时，加快压电效应转换速率。

3、以柔性PVDF压电薄膜为电介质并搭建双拱形阵列结构，发电效率提升27.44%

4、柔性PVDF薄膜标定

选择PVDF作为压电材料主要是因为其稳定性，即在使用时，电阻不应起伏变化，因为它会引入电噪声源。而PVDF材料的小断面特性很好地解决了这个问题。

由于它的上、下焊片相互错开并彼此相对，使得有效面积（重叠电极）被精确定义，对于材料的标定以及电路系统的稳定性都具有特殊意义。

同时由于柔性PVDF材料直接转换的电能较微弱（1.4V/g），普通方式难以正确采集也不稳定，所以需要外加电荷放大模块，本方案使用的放大模块型号为ICA10X，在PVDF标定时选定Piezo放大器。放大模块可以将被测量的电信号放大20倍，形成实时自供电的电路系统。

5、PVDF选型

PVDF材料主要存在a、B和y三种晶型，其中B晶型具有显著的压电活性，利用PVDF材料制备的压电薄膜具有柔性、对温湿度和化学物质高度稳定性、耐冲击性强、失真小等优点。在本项目中通过选取0.3mm厚的PDMS薄膜作为支撑层，将0.2mm厚的PVDF薄膜设计成拱形结构柔性压电发电装置来收集环境振动机械能。

6、双拱形柔性压电发电装置

本项目提出了一种基于双拱形结构的增强型柔性压电发电装置，能够作为自供电传感器监测环境振动机械能，其中，上拱形是根据装置结构特征设计的PVDF压电薄膜，下拱形是带有均匀梯形体微结构的PDMS薄膜。

上下拱形结构利用并联方式连接，通过中间共享电极提升压电单元的电荷密度。由于独特的拱形结构设计，PVDF薄膜具有显著的压电势能，在按压和释放的过程中，压电层能够产生平稳的高输出电能。将双拱形结构的压电层作为传感器的敏感单元，在6mm的振动幅值下，其灵敏度为2.12V/g，线性误差为5.91%。

7、功能总结

本作品设计了一种可穿戴式PVDF发电装置，穿戴在身上时可采集并转化人运动的机械能为电能，最终加以利用。并采用高导电性能的电路对其外接设备进行供电，减少传输到储存电能的电能损失，设计外部连接设备，对PVDF材料的压电装置产生的电能进行储存，对于能量的二次利用具有深远意义。