駐極體發電機的研究進展

查 勇

（浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004）

隨著物聯網時代的到來，被視作物聯網信息收集節點的傳感器也得到了極大的發展，傳感器需要電池來維持自身長時間的工作，然而電池周期性的更換和充電極大地限制了傳感器在物聯網領域的海量應用，因此，將傳感器所處的周圍環境的能量轉化成電能為傳感器供能成為了近幾年的研究熱點。能夠將外部機械能轉化成電能的發電機可以大致分為電磁發電機、壓電發電機、摩擦電式發電機與靜電發電機。駐極體發電機作為靜電發電機的一種，基本結構和平行板電容器類似，其發電原理是靜電感應，可以將機械能轉化成電能。

1 駐極體材料的研究及其制備方法

1.1 駐極體材料的發現以及分類

駐極體材料是駐極體發電機最關鍵的部分，它扮演著為駐極體發電機提供電荷的角色，駐極體的概念在19世紀被提出，1919年日本物理學家通過對巴西棕櫚蠟進行熱極化處理成功制備了世界上第一塊人工駐極體，許多學者在駐極體材料制備、理論模型建立和實際應用等領域進行了大量研究。

過去駐極體都是用棕櫚蠟類似的材料通過各種方法處理得到，而現代駐極體材料可分為有機材料和無機材料兩大類。有機駐極體材料主要分為含氟聚合物和非氟聚合物，無機駐極體主要包括硅基氧化物和氧化鋁等。由于無機駐極體材料和微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加工工藝相兼容，故在器件制備的微型化、集成化等方面具備較大的優勢。雖然無機駐極體材料可以薄膜化并依托于柔性襯底可以具備一定的柔性和延展性，但由于無機材料本身不具備柔性，因此在柔性電子器件方面相較于有機駐材料不具有優勢。

1.2 駐極體的制備

如今，已經有多種處理方法將電介質材料極化制成駐極體：最常見的是電荷注入法，這是實驗室常用的制備駐極體的方法，其他方法還包括熱極化法、光極化法、壓力極化法、磁場極化法。

2 駐極體發電機的研究現狀

駐極體發電機的基本結構如圖1所示，駐極體發電機的基本結構和電容器結構類似，駐極體夾在兩個電極間，距離駐極體較近的電極是基電極，距離較遠的電極是對電極。駐極體發電機的基本原理是靜電感應，因為駐極體表現出的持久極化特性，基電極和對電極感應出不同數量的電荷，將基電極和對電極連接，電子在電極之間流動從而產生電能。

圖1 駐極體發電機的基本結構

按照駐極體發電機的發電方式，主要可以分為變面積式駐極體發電機和變間距式駐極體發電機，通過改變電極與駐極體之間的正對面積或距離，來改變電極內部感應電荷的數量，使電荷在電極之間移動。

2.1 變面積式

Tsutsumino在2006年提出的一種變面積式駐極體發電機模型，如圖2所示。該模型由駐極板(駐極體和基電極)和對極板組成，對電極固定在對極板上，對極板固定在電磁振動床上，電磁振動床可以帶動對極板在水平方向上做正弦振蕩運動。利用表面電荷密度較高的含氟聚合物薄膜作為駐極體，在駐體表面電位為600 V、20 Hz的頻率和1 mm的振幅下該模型的輸出功率為6.4 μW。

圖2 變面積式駐極體發電機

2.2 收集低頻機械能的駐極體發電機

大多數基于駐極體的振動能量收集器都是在高頻范圍（＞20 Hz）內共振，因此無法在人體運動等超低頻的場景中應用，2019年Kean Aw提出了一種利用軟磁敏彈性體懸臂梁的收集低頻機械能的駐極體發電機，如圖3所示。在低頻激勵下，軟磁敏彈性體懸臂梁與端部止動塊發生碰撞并誘發其高頻振動，駐極體能量收集器的對電極連接在端部止動塊上，基底電極和駐極體連接在固定的基底上，隨著端部止動塊帶動對電極振動，基底電極因此會產生電能，實驗表明在4.0～8.2 Hz的工作頻率范圍內獲得了40.23 μW的工作頻率。

圖3 收集低頻機械能的駐極體發電機

2.3 超高工作頻率帶寬的駐極體發電機

傳統的收集振動機械能的發電機具有一個問題，那就是機械能向電能的轉換僅僅在唯一的共振窄帶寬上有效，而通常環境中的振動分布在較寬的頻率帶上。為了解決這一局限性，Kai Tao提出了一種由基于能量收集的主系統和頻率調諧的輔助子系統組成的駐極體發電機，實現了高的工作帶寬，如圖4所示。主系統是由兩個平行硅板、塞子、墊片和駐極體膜組成，上電極位于上硅板，駐極體膜和對電極被安裝在下硅板保持固定。子系統是三個彼此平行的螺旋硅彈簧，懸掛在上硅板并與上電極相連接。因為螺旋硅彈簧的沖擊作用，驅動該能量收集系統第一共振峰向第二共振峰移動。實驗結果顯示，第一個頻率峰值的3-dB帶寬擴大到了60.4 Hz，這種結合多模態結構和沖擊機制的駐極體發電機為實現高的工作頻率帶寬提供了方向。

圖4 超高工作頻率帶寬的駐極體發電機

2.4 收集多方向機械能的駐極體發電機

以上基于一維單方向機械能的采集模式受到環境限制，因為現實中不具有長時間單一方向的外部激勵。2010年Yang設計了可以收集平面內各個方向機械能的微型駐極體發電機結構，圖5為其部分結構。該器件是在硅晶片中采用深硅刻蝕技術制備的，該結構在旋轉時收集電能，實驗結果表明在110 Hz和2.5 g的條件下，輸出功率為0.35 μW。為了減少空氣阻尼效應，樣機通過有金屬帽的方式進行包裝后測試結果表明，諧振頻率從110 Hz下降到63 Hz，在0.25 g加速度條件下的最大輸出功率由0.35 μW變成0.39 μW。

圖5 收集多方向機械能的駐極體發電機

2.5 基于雙極性駐極體的駐極體發電機

上述結構都是只利用單極性的駐極體薄膜來達到發電的目的，在2017年Chen提出一種利用雙極性駐極體的駐極體發電機模型，如圖6所示。通過熱壓法和熱電暈極化技術制備的柔性FEP/THV/FEP膜，這種膜可以呈現雙極現象，即薄膜頂部和底部具有相反的極性。在此基礎上，研制了一種獨特的收集微振動機械能的雙氣隙振蕩結構駐極體發電機，它的雙氣隙振蕩結構，相當于兩個可變電容器串聯。當振蕩引起駐極體薄膜和電極間的相對位移時，上電極和下電極上的電荷被重組，因此產生交流電，并將微振動機械能轉化為電能，在頻率為86 Hz的情況下，該駐極體發電機輸出功率為14.14 μW。

圖6 基于雙極性駐極體的駐極體發電機

2.6 混合發電機

James E. West在2021年提出了一種壓電和駐極體發電相結合的混合發電機如圖7所示，將由PDMS、鈦酸鋇和碳納米管組成的壓電納米復合材料作為壓電層，FEP進行極化處理后具有負極性并作為駐極體材料，鋁電極層為駐極體和壓電層所共用。當力施加在裝置的頂部按壓時，壓電層在金和鋁電極層之間被壓縮，壓電層的壓電響應在兩個電極之間產生電位差，導致電子從金電極流向鋁電極；聚苯乙烯泡沫塑料也被壓縮，FEP駐極體更靠近銅電極，由于靜電感應，鋁電極從銅電極接收電子。當壓力釋放時，電子又從鋁電極流向金電極和銅電極。實驗結果表明，該混合發電機獲得了8.8 μW cm-3的功率密度。

圖7 壓電與駐極體的混合發電機

3 結論與展望

駐極體是長期帶電荷的電介質材料，可以在周圍空間激發持久穩定的電場，以駐極體為核心建立的駐極體發電機，其基本結構為電容器結構，一對距離駐極體不同距離的電極以及駐極體材料組成，發電原理為靜電感應原理，駐極體發電機的兩種基本發電機理為變面積式和變間距式。由于物聯網的發展和傳感器的廣泛應用，駐極體發電機在收集周圍環境能量給傳感器供電有著很大的前景。

為了收集周圍存在的環境能量，科研人員通過結構設計利用駐極體發電機收集低頻機械能，讓發電機在較寬的頻率帶范圍內能較為有效地收集機械能；通過加工制造讓駐極體發電機收集多方向的能量；還有一些基于駐極體發電機的拓展應用，利用雙極性駐極體來構建駐極體發電機，還利用駐極體發電和其他發電機制相結合制備出復合發電機，拓寬了駐極體發電機的應用。

駐極體發電機還有一些局限性，現有駐極體材料的表面電荷密度無法進一步提高，導致駐極體發電機的輸出功率無法提升；在高溫潮濕環境中，駐極體表面電荷易流失。