重慶大學余華教授Nano Energy：一種適用于智能自供電無線傳感系統的兼具能量收集和信號傳感功能的摩擦納米發電機

【引言】?

?眾所周知，以物聯網（IoT）為代表的無線傳感網絡，近年來得到了迅速的發展。通過廣泛分布的傳感器，人們可以使物理世界的數字和信息更加容易獲取。其中，無線傳感器網絡包含了數十億個分散的傳感器，可以幫助人們實時監測周圍環境和人體狀況。然而，隨著無線傳感器節點數量的迅速增加，傳感器的電力供應面臨著日益嚴峻的挑戰，對合適的可持續能源的需求不斷增加。由于傳統電池的使用壽命短，其長期使用性受到限制，大大降低了網絡節點的可維護性。因此，從環境中收集能量為無線傳感器節點供電已被認為是一種有希望且可持續的解決方案，這種方案可用于輔助供電或者直接取代電池。在各種能量收集方法中，基于麥克斯韋位移電流的摩擦納米發電機（TENG）被認為是在自然環境中收集各種類型的機械能的有效方法，其優勢在于易于制造，成本低，重量輕，構成材料和結構的選擇豐富以及在低頻范圍內具有更高的能量轉換效率等。在現有的一些報道中，TENG可以從人類運動、風力、水力中收集能量，并可用于供應一系列電子設備。同時在另一些報道中，TENG被用作主動傳感器，可以將如加速，聲音，氣體類型，生物監測等外部信息轉換為電信號。但尚未見報道單個TENG器件可以在同一個感測系統中同時收集能量和傳感信息。

近日，重慶大學余華教授（通訊作者）提出了一種解耦和提取信號以及能量的新方法，在單個TENG器件中，通過從旋轉摩擦納米發電機（R-TENG）中同時提取能量和捕獲信號來實現能量收集和信號傳感，從而實現了一個真正的自供電傳感系統。根據摩擦原理，設計的R-TENG發電組件由兩種極性相反的不同摩擦材料組成。其中，R-TENG是基于標準工業印刷電路板（PCB）技術制造的，可以將旋轉的機械能或風能轉化為電能，輸出與轉速正相關的電信號以監測轉速或風速。同時建立了由電源管理系統、信號處理系統、定時器、微控制器和無線發射器件組成的電路系統。此外，對R-TENG的能量收集輸出性能進行了評估，并詳細研究了該系統的傳感性能，驗證了該測量系統的可行性。作為一種潛在的應用，報告的自供電傳感系統展示了能夠無需外接電源監控風速的功能。相關研究成果以“Simultaneous Energy Harvesting and Signal Sensing From a Single Triboelectric Nanogenerator for Intelligent Self-Powered Wireless Sensing Systems”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖一、在單個TENG裝置中實現能量收集和信號傳感

（a）TENG作為能量收集和傳感器的系統框架；

（b）TENG整流電路中各端口的電壓；

（c）帶有風扇的R-TENG用來從風中獲取能量和測試風速。

圖二、R-TENG的結構和工作原理

（a）R-TENG的結構示意圖；

（b）R-TENG的工作原理示意圖；

（c）使用COMSOL多物理場仿真分析軟件模擬的R-TENG摩擦電勢差變化；

（d）R-TENG運行期間的電壓波形；

（e）R-TENG電壓波形細節；

圖三、R-TENG電學測量結果

（a）轉速為300 rpm-1800 rpm的開路電壓(V_OC)；

（b-d）轉速為300 rpm-1800 rpm時，R-TENG的平均電流、平均電壓和平均功率；

（e）R-TENG在不同的轉速下通過全橋整流給一個100 μF電容器充電到5V；

（f）不同轉速下峰值V_OC和峰值I_SC；

（g）R-TENG在不同轉速下輸出的信號頻率（50rpm-2000rpm）。

圖四、同時從單個R-TENG中收集能量和信號的電路原理框圖和實驗結果

（a）電源管理系統結合信號處理電路的結構框圖；

（b）系統工作狀態圖；

（c）電源管理系統的電能從C_temp循環傳遞到C_out的實驗結果；

（d）信號處理的實驗結果。

圖五、以R-TENG為能量收集和傳感器的自供電風速測量演示系統的設計與測試

（a，b）自動風速測量系統框圖和照片；

（c）R-TENG采集風能和感應風速信號的電路PCB照片；

（d）顯示接收板接收無線測量節點傳輸的信號并顯示轉速和風速的照片；

（e）隨著風速的變化R-TENG的輸出電壓；

（f）R-TENG在不同風速下的輸出信號頻率。

【小結】

總之，本文提出了一種能夠從單一R-TENG器件中同時收集能量和提取信號的方法，并且實驗演示了在一個TENG器件中實現了能量和傳感信號的收集功能。這種新方法使利用單一的R-TENG器件將旋轉產生的機械能轉化為電能進一步為整個傳感系統供電并同時傳感轉速信號的方案成為可能，并且測量系統達到了較高的線性度、實現了低成本、免于外部供電。此外，R-TENG是基于工業PCB技術設計和制造的，這一點使得器件可以與電源管理電路集成在一起來進一步簡化工藝。制作的R-TENG器件具有很高的輸出功率，在300 rpm下平均功率值為44.4?μW。在經過優化的電路設計后，成功地演示了基于R-TENG的自供能轉速測量無線傳感節點和風速測試無線傳感節點，該節點可以采集旋轉能量并監控轉速/風速，然后將其發送到無線接收器用于顯示和分析。

文獻鏈接：“Simultaneous Energy Harvesting and Signal Sensing From a Single Triboelectric Nanogenerator for Intelligent Self-Powered Wireless Sensing Systems”(Nano Energy，2020，10.1016/j.nanoen.2020.104813)

本文由CYM編譯供稿。

作者中文名：盧山，高玲肖，陳鑫，童大橋，雷文騫，袁鵬飛，牟笑靜，余華?

• 團隊介紹

余華教授課題組所在實驗室為新型微納器件與系統技術GF重點學科實驗室、微納系統與新材料技術國家級國際聯合研究中心、儀器儀表傳感器與測量系統國家地方聯合工程研究中心、重慶市微光機電工程技術研究中心，實驗室屬于光學、機械、電子、信息工程、生物化學等多學科的綜合性交叉研究中心，是國內涉足微機電系統（MEMS）研究領域最早的單位之一，也是重慶大學“211”和“985”工程重點學科建設平臺之一。余華教授課題組現有老師、博士生、碩士生20余人，主要研究領域：MEMS、納米能源、物聯網與大數據、新型光電子器件、專用集成電路(ASIC)設計等領域。

• 團隊在該領域工作匯總

近年來先后主持完成了國家重點研發計劃課題、ZF預研重點基金項目、國家支撐計劃項目、ZF預研基金項目、國家自然科學基金面上項目、重慶市重點產業研發重大專項項目、重慶市自然科學基金面上項目及多項企業合作課題，作為主研人員完成了“973”項目、國家自然科學基金重點項目等。在Advanced Energy Material、Nano Energy、電子學報等刊物上公開發表論文70余篇，獲權發明專利5項，出版著作2本，獲重慶市教學成果一等獎1項。

（3）近年來相關領域主要文獻

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[3] L. Gao, S. Lu, W. Xie, X. Chen, L. Wu, T. Wang, A. Wang, C. Yue, D. Tong, W. Lei, H. Yu, X. He, X. Mu, Z.L. Wang, Y. Yang, A self-powered and self-functional tracking system based on triboelectric-electromagnetic hybridized blue energy harvesting module. Nano Energy. 72 ((2020) 104684. 10.1016/j.nanoen.2020.104684

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[8] S. Shi, Q. Yue, Z. Zhang, J. Yuan, J. Zhou, X. Zhang, S. Lu, X. Luo, C. Shi, H. Yu, A self-powered engine health monitoring system based on l-shaped wideband piezoelectric energy harvester. Micromachines (Basel). 9 (12) (2018). 10.3390/mi9120629

[9] Y. Hu, Q. Yue, S. Lu, D. Yang, S. Shi, X. Zhang, H. Yu, An adaptable interface conditioning circuit based on triboelectric nanogenerators for self-powered sensors. Micromachines-Basel. 9 (3) (2018) 105. 10.3390/mi9030105

[10] C. Shi, J. Yuan, X. Luo, S. Shi, S. Lu, P. Yuan, W. Xu, Z. Chen, H. Yu, Transmission characteristics of multi-structure bandgap for lithium niobate integrated photonic crystal and waveguide. Opt. Commun. (2020) 125222. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.125222

[11] H. Yu, J. Zhou, X. Yi, H. Wu, W. Wang, A hybrid micro vibration energy harvester with power management circuit. Microelectron. Eng. 131 ((2015) 36-42. 10.1016/j.mee.2014.10.008