摩擦式能量采集器和電磁式能量采集器因其各自的材料優(yōu)勢(shì)和輸出特點(diǎn)在振動(dòng)機(jī)械能采集方面具有廣泛的應(yīng)用。然而生活中的振動(dòng)多具有隨機(jī)無(wú)序、方向多變的特點(diǎn)，采集某一特定方向的機(jī)械能會(huì)使器件沿其他方向振動(dòng)時(shí)效率大大降低，因此，開(kāi)發(fā)一款可有效采集多個(gè)方向振動(dòng)機(jī)械能的能量采集器在建立自供能系統(tǒng)方面具有重要意義。

近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院張海霞教授課題組提出了一種可采集平面內(nèi)任意方向振動(dòng)機(jī)械能的電磁摩擦復(fù)合式能量采集器。相關(guān)研究成果以“Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor”為題，發(fā)表于納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陳學(xué)先為論文第一作者。該復(fù)合式能量采集器采用彈簧固定的懸浮磁體作為滑塊，并利用FPCB工藝制作了薄膜式具有八瓣結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)電極和電磁線圈，其中任意相對(duì)的兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)freestanding結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)，因此使器件沿任意方向滑動(dòng)時(shí)均可同時(shí)產(chǎn)生電磁和摩擦信號(hào)輸出，提高機(jī)械能利用效率。此外，彈簧和磁體構(gòu)成面內(nèi)諧振系統(tǒng)，使器件在10Hz的低頻振動(dòng)范圍內(nèi)均可有效的產(chǎn)生電信號(hào)輸出。得益于電磁發(fā)電機(jī)輸出電流大和摩擦發(fā)電機(jī)輸出電壓高的特點(diǎn)，在復(fù)合充電條件下，器件可在200s內(nèi)快速將20μF電容充電至7V。通過(guò)將器件固定到人體小腿或者自行車車輪上，該復(fù)合式能量采集器可有效采集人體跑步時(shí)或自行車剎車時(shí)機(jī)械能并點(diǎn)亮40個(gè)LED，因此可作為自供能夜跑燈或自行車剎車燈的能量采集裝置。此外，通過(guò)對(duì)4個(gè)freestanding結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)上的輸出信號(hào)的進(jìn)一步分析，器件還可做為主動(dòng)式方向傳感器，對(duì)正弦式或脈沖式振動(dòng)的方向進(jìn)行識(shí)別，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)和人機(jī)交互等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

圖一：電磁摩擦復(fù)合發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)概覽

(a) 器件結(jié)構(gòu)示意圖;

(b) 滑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖;

(c) 摩擦發(fā)電機(jī)八瓣電極結(jié)構(gòu);

(d) 器件結(jié)構(gòu)照片;

(e) 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。

圖二：復(fù)合發(fā)電機(jī)工作原理及仿真分析

(a) 器件工作原理;

(b，c)器件沿11’方向和11’、44’之間方向滑動(dòng)時(shí)摩擦電極上仿真電勢(shì)分布;

(d，e)器件沿11’方向和11’、44’之間方向滑動(dòng)時(shí)四個(gè)freestanding結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)的輸出;

(f)電磁發(fā)電機(jī)的仿真磁場(chǎng)強(qiáng)度分布;

(g)當(dāng)磁體從器件一端滑向另一端時(shí)電磁線圈中的磁通量變化。

圖三：復(fù)合發(fā)電機(jī)在正弦信號(hào)激勵(lì)下的輸出性能

(a) 正弦信號(hào)激勵(lì)下滑塊運(yùn)動(dòng)示意圖;

(b，c) E11’摩擦發(fā)電機(jī)在正弦信號(hào)激勵(lì)下的電壓和電流輸出;

(d-g) 四個(gè)摩擦發(fā)電機(jī)在器件沿四個(gè)方向振動(dòng)時(shí)的輸出對(duì)比;

(h，i) 電磁發(fā)電機(jī)在在正弦信號(hào)激勵(lì)下的電壓和電流輸出;

(j) 電磁發(fā)電機(jī)在器件沿四個(gè)方向振動(dòng)時(shí)的輸出對(duì)比。

圖四：復(fù)合式發(fā)電機(jī)的輸出功率及充電能力

(a-b) 摩擦發(fā)電部分和電磁發(fā)電部分在不同負(fù)載下的輸出功率;

(c-d) 復(fù)合發(fā)電機(jī)為電容充電時(shí)的電路框圖和充電曲線。

圖五：復(fù)合式發(fā)電機(jī)對(duì)脈沖振動(dòng)信號(hào)的方向識(shí)別

(a)脈沖振動(dòng)下滑塊的運(yùn)動(dòng)示意圖;

(b)11’方向的脈沖振動(dòng)下E11’電極的輸出信號(hào);

(c-f)器件沿8個(gè)方向振動(dòng)時(shí)四個(gè)摩擦發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào);

(g，h)差值法對(duì)振動(dòng)方向進(jìn)行判斷。

圖六：復(fù)合式發(fā)電機(jī)作為自驅(qū)動(dòng)振動(dòng)方向傳感器和能量采集器的應(yīng)用展示

(a-b)利用器件作為振動(dòng)方向傳感器實(shí)現(xiàn)打地鼠游戲;

(c-f)當(dāng)腳向8個(gè)方向移動(dòng)時(shí)器件摩擦部分的電壓輸出信號(hào);

(h，i)將器件固定到人體小腿采集跑步機(jī)械能;

(j)將器件固定到自行車車輪實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)剎車燈。

針對(duì)生活中的機(jī)械能隨機(jī)無(wú)序、方向多變的特點(diǎn)，利用彈簧和磁體構(gòu)成諧振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可采集平面內(nèi)任意方向振動(dòng)機(jī)械能的電磁摩擦復(fù)合式能量采集器，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使器件的諧振頻率降低，時(shí)器件在低振動(dòng)頻率下有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，結(jié)合電磁發(fā)電極輸出電流大和摩擦發(fā)電機(jī)輸出電壓高的特點(diǎn)，使器件的充電能力大大提升。此外，得益于摩擦發(fā)電部分特殊的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件可對(duì)8個(gè)方向的脈沖振動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，因此可作為自驅(qū)動(dòng)振動(dòng)方向傳感器，展現(xiàn)了在環(huán)境監(jiān)測(cè)、自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)、人機(jī)交互等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力。