什么是摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）？

隨著電子織物（e-textiles）等先進(jìn)技術(shù)逐步得到應(yīng)用，能量收集在其中扮演的角色日益關(guān)鍵，必將成長為極具前景的應(yīng)用市場。在這些應(yīng)用場景中，能量收集器件可以利用用戶的自身運(yùn)動(dòng)，為電子織物中的各種監(jiān)測設(shè)備持續(xù)供電。當(dāng)然，這還僅是其中一種用例，在可穿戴和柔性電子領(lǐng)域還有更多的想象空間。

隨著柔性和可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，以及無線傳感器節(jié)點(diǎn)和可植入設(shè)備的進(jìn)步，市場對能夠提供毫瓦/微瓦級能量輸出的能量收集器件提出了很大的需求。近年，各種能量收集技術(shù)層出不窮。

太陽能電池是目前規(guī)模最大也是最知名的能量收集技術(shù)之一。不過，對于上述這些新興應(yīng)用，太陽能電池并不是最理想的選擇。目前，業(yè)界正在開發(fā)更小、更適合的能量收集技術(shù)。其中，很多技術(shù)利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電能。例如，靜電駐極體、壓電發(fā)電、電磁發(fā)電和摩擦電發(fā)電等。近年來，基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)相結(jié)合的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator，TENG），因其具有體積小、能將運(yùn)動(dòng)等機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出的巨大潛力而備受青睞。

什么是摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）？

摩擦納米發(fā)電機(jī)作為一種能量產(chǎn)生單元，在其內(nèi)部的電路中，由于摩擦起電效應(yīng)，兩個(gè)摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而使得二者之間形成一個(gè)電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅(qū)動(dòng)下在兩個(gè)分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動(dòng)，從而來平衡這個(gè)電勢差。摩擦納米發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源既可以是已被人們認(rèn)識的風(fēng)力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動(dòng)、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環(huán)境隨機(jī)能源，還可以是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器的轟鳴等。

基于摩擦電的能量收集器——摩擦納米發(fā)電機(jī)的四種基本工作模式：（a）垂直接觸-分離模式；（b）水平滑動(dòng)模式；（c）單電極模式；（d）獨(dú)立層模式

TENG最初沒有內(nèi)部偏置，被視為一種使用外部電源進(jìn)行預(yù)偏置的可變電容器。但是，這種第一代TENG無法自給自足（當(dāng)他們整合于沒有外部電源的場景時(shí)，這會(huì)是一個(gè)問題）。因此開發(fā)了電偏置TENG，不過，這也帶來了一系列需要校正的問題。

許多TENG存在的問題

盡管內(nèi)部電偏置得到的TENG相對于其尺寸而言提供了高功率輸出，但是隨著時(shí)間的推移，它們很容易去極化。為此，研究人員開發(fā)出了一系列調(diào)理電路來控制隨時(shí)間變化的極化損失，但是，這些電路往往需要使用耗能的元件，從而影響了能量收集器件的功率輸出。近年，研究人員探索了一種利用開關(guān)來控制TENG的新穎方法。

這被認(rèn)為是一個(gè)很有前景的方向。盡管如此，迄今，這些開關(guān)必須在每次啟動(dòng)裝置后被激活（而且不能自我維持），而改變這種現(xiàn)狀，則還需要使用外部耗電組件，這使得它們無法用于許多應(yīng)用場景。因此，需要開發(fā)一種可以控制多個(gè)電壓閾值（高閾值和低閾值）的自驅(qū)動(dòng)開關(guān)。

MEMS技術(shù)挺身而出

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)的簡稱，多年來已經(jīng)發(fā)展成為一種火熱的新興技術(shù)，通常用于在尺寸更小的智能化設(shè)備中構(gòu)建復(fù)雜的微型化組件。該術(shù)語用于對所制造的微機(jī)電器件以及制造它們的工藝進(jìn)行分類，因此，它已經(jīng)成為一個(gè)材料和組件范圍廣泛且不斷擴(kuò)大的領(lǐng)域。在其最基本的形式中，MEMS器件是用微加工方法制造的微型機(jī)械和機(jī)電元件。

盡管稱為微機(jī)電系統(tǒng)，但是有些MEMS器件并沒有運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，這些器件仍然屬于MEMS，它們可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件（例如微型彈簧）。此外，MEMS器件還可以用來轉(zhuǎn)換光信號和電信號，因此它們展示了許多特性，使其可以用于TENG等小型化的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。

利用MEMS等離子體開關(guān)控制TENG

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國居斯塔夫·埃菲爾大學(xué)（Uni Gustave Eiffel）及其合作機(jī)構(gòu)提出了一種MEMS開關(guān)方案，利用MEMS開關(guān)的自我維持調(diào)理系統(tǒng)來克服一些TENG目前存在的問題。將MEMS開關(guān)應(yīng)用于TENG的目的是構(gòu)建一種完整的TENG系統(tǒng)，能夠在高壓下用于高能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用，不需要使用耗電的電子元件。

（左）由Kapton聚酰亞胺薄膜、聚四氟乙烯（PTFE）、鋁、導(dǎo)電聚氨酯泡沫（C-PUF）和紙構(gòu)成的TENG示意圖和運(yùn)行原理；（右）調(diào)理電路PCB板。

研究人員發(fā)明的這種開關(guān)裝置在2級電路中同時(shí)使用了MEMS等離子體開關(guān)和不穩(wěn)定的Bennet倍頻電荷泵。這種開關(guān)與TENG本身是分開的，這意味著它不需要直接集成就可以對TENG的性能產(chǎn)生積極影響。Bennet倍頻電荷泵通過構(gòu)建一個(gè)沒有飽和極限的指數(shù)充電過程，解決了一些TENG器件中的電壓限制問題，從而能夠產(chǎn)生大功率輸出。

另一方面，MEMS等離子體開關(guān)能夠控制緩沖器和器件內(nèi)部最終儲(chǔ)能器之間的能量轉(zhuǎn)移。因?yàn)樗哂歇M窄的磁滯回線，可以保持緩沖電容器上的電壓在不同電壓水平之間持續(xù)振蕩。因此，它提供了一種在低壓和高壓下控制器件的解決方案。這種開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)還包括不需要外部電源，也不需要任何電氣控制，因此無需外部組件來控制和改善TENG能量收集裝置的性能。

MEMS固定式等離子體開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖和掃描電鏡圖，及其電學(xué)特性。

MEMS可動(dòng)等離子體開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖和掃描電鏡圖，及其電學(xué)特性。

結(jié)論

與其它開關(guān)及非開關(guān)方案相比，居斯塔夫·埃菲爾大學(xué)所打造的這款器件提高了TENG的能量收集效率，并且這種開關(guān)為TENG裝置的自我可持續(xù)性和外部電源等許多問題提供了解決方案。由于它是一種分立的器件，不需要與TENG直接集成，因此它也可以用來解決其它小型化能源收集裝置的某些問題。

隨著柔性、可穿戴和植入式設(shè)備越來越普及，TENG預(yù)計(jì)將在未來幾年獲得更多的關(guān)注。目前正在進(jìn)行的基礎(chǔ)研究有望解決TENG裝置的關(guān)鍵問題，為未來電子織物和智能可穿戴設(shè)備中更高效的電子網(wǎng)絡(luò)和可自我維持的電子系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。