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【Nature Communications】超低頻機械激勵下的摩擦電微馬達
發表日期: 2019-05-24 文章來源:
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  微納機電系統(MEMS/NEMS)通常需要依賴外部電源驅動,但隨著其功耗的不斷降低,開發出直接由環境供能的微納機電系統成為了可能。靜電馬達作為微納機電系統中的典型執行器,其利用靜電力和慣性實現轉動,具有結構簡單、能耗低、轉速高等優點,在物聯網、航空航天、機器人等領域得到了廣泛的應用。然而,其驅動力矩小,啟動困難,具體表現為實現靜電驅動所需的電壓較高,而且伴隨著高頻的電壓信號,往往需要復雜的電路設備提供,導致其維護成本較高且使用壽命有限。近年來,王中林院士團隊以麥克斯韋位移電流第二分量為理論根基提出了摩擦納米發電機(TENG),能有效地將環境機械能和人體運動轉化為電能,具有結構簡單、成本低廉、環境友好等特點,在微納能源、藍色能源以及主動式傳感等領域有著廣泛的應用前景。 

  近年來,中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士團隊深入分析對比了TENG與傳統電磁感應發電機的工作原理、控制方程與輸出特性,闡明了其與傳統發電機的對稱性和互補性(Adv. Mater. 2014, 26, 3580-3591),以及具有電容型阻抗和高電壓輸出的特點。基于其對電容型負載的電壓保持特性,成功實現了基于接觸起電調控半導體中載流子運輸的各種摩擦電晶體管(Nano Today 2016, 11, 521-536),以及通過摩擦電高壓特性調控的MEMS微反射鏡(Adv. Mater. 2015, 27, 719-726)等,展示出TENGMEMS執行器的高壓驅動能力。然而,TENG通常用于收集環境中存在的低頻機械能,產生的電輸出具有低頻特性,而MEMS執行器通常在高頻下工作,需要高頻的電信號激勵,這種頻率響應的不兼容使得TENG對其供電具有很大的局限性。如果能采用特殊的微機械結構設計,解決頻率的不匹配問題,對于開發直接由環境供能的自驅動MEMS/NEMS器件將具有重要意義。 

  針對上述難點,張弛研究員帶領的團隊將TENG與靜電微馬達相結合,首次提出了一種超低頻機械摩擦激勵微馬達高速旋轉的實現方法,設計并制造了新型的摩擦電微馬達。該器件利用了TENG在低頻機械激勵下的高壓特性,通過摩擦電荷在微馬達上周期性的轉移與中和,可對微馬達產生連續的驅動力,維持其持續運轉,從而取代了傳統激勵方式中的高頻高壓源。通過不同結構和激勵參數的研究表明,摩擦電微馬達能夠在低至0.1 Hz的外部機械激勵下實現啟動,并在0.8Hz時達到1350/分,電能驅動效率達到41%。該摩擦電微馬達結構簡單、易于制造、成本低廉,既體現了TENG低頻高壓的特點,又具有靜電馬達高速、低功耗的優勢。通過其在便攜式掃碼儀與車載激光雷達系統中的功能演示,展示了可通過人手按壓實現掃碼信息識別,以及利用車載環境中摩擦耗散掉的能量實現移動障礙物探測與定位,體現出該器件在微納機電系統、智能機器人和無人駕駛等領域的廣闊應用前景。該成果以“Triboelectric micromotors actuated by ultralow frequency mechanical stimuli”為題,發表在Nature Communications期刊上(DOI: 10.1038/s41467-019-10298-7),張弛研究員和王中林院士為論文通訊作者,楊航碩士生和逄堯堃博士為共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目資助。 

圖:a. 摩擦電微馬達工作原理圖 b. 微馬達轉速與輸入頻率關系 c. 基于摩擦電微馬達的便攜式掃碼儀 d. 基于摩擦電微馬達的車載激光雷達

 

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