基于摩擦發電的自供電加速度傳感器實驗設計及應用

劉超然，王益哨，方靈星，董林璽，陳 龍，王高峰

（杭州電子科技大學 電子信息學院 教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018）

摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerator，TENG）是一種可以收集微小機械振動的能量采集器，在采集環境能量和自供電傳感器設計領域具有廣泛的應用前景[1-2]。隨著物聯網技術的快速發展，傳感器網絡節點數量急劇增加，網絡分布區域逐步擴大，對供能元件也提出了更高的要求。自供電傳感器通過采集環境中廣泛分布的微小能量，實現對自身系統供電，高效合理地解決了傳感器節點供電難題。已報道的傳統加速度傳感器一般可以分為電容式、壓阻式、壓電式3種[3]，其中只有壓電式傳感器具有自供電功能。基于壓電效應的自供電加速度傳感器具有結構簡單、體積小、線性度好等特點[4-5]，然而其輸出電信號強度低，導致器件靈敏度有限，也容易受環境噪聲影響，難以滿足實驗應用場景高精度振動檢測的應用需求。基于摩擦發電的自供電加速度傳感器因其制備簡單、瞬時功率大、成本低等優勢[6-9]而備受關注[10-12]。

截至目前，我校尚未開設摩擦納米發電機及自供電傳感器相關的理論、實驗課程，學生對高靈敏度自供電加速度傳感器這一前沿領域的認知相對匱乏。因此，迫切需要設計相關的實驗課程，實現前沿學科與基礎電學知識的有效融合，在提升學生專業知識運用能力同時，豐富學生在摩擦發電及自供電傳感器研究領域的認知。

本實驗通過引導學生設計、制備基于摩擦發電的自供電加速度傳感器，進一步幫助學生從機理、制備、測試、應用及傳感器性能等多個角度深入掌握摩擦納米發電機及自供電加速度傳感器的相關知識和前沿動態。傳感器制備過程，將基礎理論知識應用到實際中，可以鞏固學生對理論知識的應用技能，提升學生的科研素養、實踐能力和創新思維意識。

1 傳感器工作原理

本文設計的自供電加速度傳感器基于摩擦納米發電機的設計原理，是摩擦起電效應與靜電感應的耦合。摩擦發電層由兩層電序列差異性較大的電介質材料構成。當傳感器受到被測物體的振動作用時，質量塊在振動加速度的作用下，驅動傳感器的兩個摩擦層進行接觸、分離運動。兩電介質層多次接觸、分離后，分別帶上正電荷、負電荷，即摩擦起電效應，并形成等效電容。由于兩個摩擦層在接觸、分離過程中，會改變等效電容間的電場強度，進而驅動電極層的自由電荷發生定向移動，導致兩電極之間產生電勢差。基于摩擦發電的自供電加速度傳感器的輸出電壓可表示為[13]

式中，R為外接負載，Q為電極間電荷轉移量，σ為摩擦層電荷面密度，d0為等效厚度，ε0為真空介電常數，a為外界振動加速度，xmax為質量塊最大行程，S為摩擦層接觸面積。

2 實驗內容

2.1 傳感器結構設計

根據摩擦發電的工作機理，本文設計的自供電加速度傳感器由內部傳感系統和外殼組成，如圖1所示。內部傳感系統自下而上分別為：TENG、絕緣層和金屬質量塊，其中TENG包括上下摩擦層和上下電極層。為了提高振動檢測裝置輸出性能，選擇摩擦電序列差異性較大的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜（PET）和PET基底的蠶絲蛋白層（SF/PET）作為摩擦層。SF/PET薄膜采用操作簡單、成本低廉的噴涂工藝制備，可實現傳感器摩擦副的批量化制備。加速度傳感器通過金屬質量塊響應環境振動信號，驅動摩擦層進行接觸、分離的上下摩擦運動，并在摩擦副的兩電極端輸出電信號，從而實現對環境振動的檢測。

圖1 基于摩擦發電的高靈敏度自供電加速度傳感器結構模型

2.2 摩擦副材料制備與器件組裝

如圖2所示為TENG的制備流程圖。在制備傳感器摩擦副時，選取PET/氧化銦錫（ITO）為襯底層，并采用噴涂工藝[14]，將質量比為 2.5%的蠶絲蛋白（SF）溶液噴涂在尺寸為20 cm×30 cm的襯底層PET表面。通過高溫烘箱固化襯底表面的液滴，在PET一側形成蠶絲蛋白微顆粒結構，完成 SF/PET/ITO摩擦層薄膜的制備。將PET/ITO和SF/PET/ITO薄膜切割成面積為3.5 cm×6 cm的小片，兩種小片薄膜一一配對，兩側邊緣相互接觸且ITO面朝外并通過強力膠帶相互連接形成拱狀結構。在每個薄膜的ITO表面引出導線，即可制得拱形TENG。

圖2 TENG的制備流程圖

為了限制質量塊的振動幅度，依次將拱形TENG、絕緣層（2.5 cm×2 cm）和金屬質量塊（50 g）自下而上放置于塑料保護外殼（7.5 cm×5.5 cm×4.5 cm）內。如圖3所示，TENG的電極引線從外殼圓孔引出，即完成基于摩擦發電的自供電加速度傳感器制備。

圖3 基于摩擦發電的自供電加速度傳感器實物圖

2.3 實驗測試

為了表征自供電加速度傳感器輸出性能，搭建如圖4所示的實驗測試系統。主要的測試設備包括：信號發生器（RIGOL公司 DG1012）、功率放大器（SINOCERA公司YE5871A）、激振臺（B&K Vibro公司Type 480和Aishi公司Type JZK-5T）和示波器（Rohde & Schwarz公司Type RTM2032）。首先，信號發生器產生一個特定頻幅的振動波信號，此信號經功率放大器放大后，傳遞到激振臺使之振動。在激振臺的作用下，傳感器中金屬質量塊通過擠壓PET/ITO薄膜引起摩擦副的接觸、分離，最終實現電信號輸出，并通過示波器觀測和記錄。

圖4 實驗測試系統的實物圖

3 實驗結果與應用拓展

根據前述搭建的實驗測試系統，對本文研制的加速度傳感器輸出性能進行測試。在測試實驗中，100 MΩ的探頭連接傳感器電極兩端，采用示波器觀測并記錄傳感器輸出信號。圖5給出了測試結果，傳感器輸出電壓與振動加速度成正比。加速度傳感器在測量1~11 m/s2的振動加速度時，輸出信號強度在50 V以上，經線性擬合后，器件靈敏度高達20.4 V/(m·s–2)。具有優異的抗噪聲干擾能力和良好的線性度。

圖5 不同加速度下傳感器的峰值電壓

加速度傳感器是振動檢測裝置的關鍵部件，本文進一步探索和拓展所研制的加速度傳感器在實驗室的潛在應用。實驗室安全是研究人員人身安全的重要保障，若裝有有毒或強腐蝕性溶液的容器不慎翻倒或掉落不能被及時發現，將帶來難以想象的嚴重后果。因此，基于所研制傳感器的高靈敏度特性，首先探索加速度傳感器對實驗桌上物品翻倒或掉落的振動檢測應用。實驗過程中，為避免容器被摔碎，本文采用書本和螺絲刀替代液體容器分別模擬實驗桌上物體的翻倒和掉落（見圖6）。圖6(a)為該傳感器對書本翻倒時引起桌面振動的檢測。如圖 6(b)所示，當書本從直立狀態翻倒在實驗桌上時，放置在桌上的加速度傳感器檢測到桌面振動強度約為4.42 m/s2。另外，圖6(c)為物品掉落振動檢測，考慮到實驗室桌子的高度一般為0.75 m，選擇此距離為物品的下落高度。如圖6(d)所示，當物品掉落在桌上時，產生振動強度為3.78 m/s2。

除了上述應用拓展之外，本文還探索了加速度傳感器在人體可穿戴設備方面的潛在應用。隨著年齡的增長，老人在摔倒時會容易受傷，甚至骨折。另外，由于身體機能的老化，大多數老人在摔倒時難以自行站起，若不能及時發現可能危及生命。因此，本文將振動檢測裝置作為一個可穿戴的報警設備，固定在人體的肩膀上，并與10個商用LED燈泡連接，當人體摔倒時，該傳感器會產生光學報警。如圖 7(a)所示，當人摔倒的瞬間（摔在椅子上）所有的LED燈泡被同時點亮，并且傳感器檢測到加速度大小為6.07 m/s2的振動信號，如圖7(b)所示。

上述的實驗結果表明，基于摩擦發電的高靈敏度自供電加速度傳感器實現了自供電高精度振動檢測，為實驗室的振動檢測和可穿戴報警設備的設計提供了新思路。

圖6 傳感器檢測物品翻倒或掉落引起的桌面振動強度

圖7 自供電加速度傳感器檢測人體倒在椅子上的振動強度

4 結語

本文根據摩擦發電效應，研制了一種高靈敏度自供電加速度傳感器。金屬質量塊通過響應環境中各種振動，驅動摩擦發電機的兩個摩擦層接觸、分離，以實現摩擦副電極兩端輸出與環境振動強度等比例的電壓信號。測試結果表明，該傳感器靈敏度高達20.4 V/(m·s–2)，可以廣泛應用于實驗室物品掉落、傾倒及人體摔倒等振動檢測。通過傳感器工作機理分析、結構設計、制備與性能測試，豐富了學生在摩擦發電及自供電傳感器研究領域的認知，使其深入了解到這一前沿科研的動態。啟發式實驗內容的設置，進一步提升了學生分析解決問題的能力和科研素養。