【摘 要】
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摩擦纳米发电机是利用摩擦起电现象和静电感应效应的小型能量收集设备,可以将环境机械能收集转化并加以利用,为微纳器件供电。自2012年摩擦纳米发电机被发明,因其具有输出、结构、成本等方面的优势,受到了广泛的关注。摩擦纳米发电机工作过程中,外界机械能的来源是不断变化的,其频率、振幅等均会随时间在一定范围内变化。这就导致在实际应用中,摩擦纳米发电机的工作状态也是在变化的。系统研究摩擦纳米发电机在不同工作状
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摩擦纳米发电机是利用摩擦起电现象和静电感应效应的小型能量收集设备,可以将环境机械能收集转化并加以利用,为微纳器件供电。自2012年摩擦纳米发电机被发明,因其具有输出、结构、成本等方面的优势,受到了广泛的关注。摩擦纳米发电机工作过程中,外界机械能的来源是不断变化的,其频率、振幅等均会随时间在一定范围内变化。这就导致在实际应用中,摩擦纳米发电机的工作状态也是在变化的。系统研究摩擦纳米发电机在不同工作状态下的性能变化,对摩擦纳米发电机的设计及应用有着重要的意义。但是目前为止,这方面的研究仍然停留在摩擦纳米发电机的输出电流和输出电压随工作状态的变化上,摩擦纳米发电机的电荷积累情况、不同负载状态下的输出变化、摩擦纳米发电机的负载匹配情况等均没有研究。本文使用了两种类型的摩擦纳米发电机:垂直接触分离式摩擦纳米发电机和转盘式摩擦纳米发电机,并系统性地研究了工作频率对摩擦纳米发电机性能的影响。实验结果显示:1.摩擦纳米发电机的输出电压和输出电流均随工作频率的升高而升高,但是频率对输出电流的影响高于其对输出电压的影响;2.摩擦纳米发电机的转移电荷密度在不同频率下均只有少量增加,说明频率升高可以少量提升摩擦达到平衡时摩擦层表面的电荷密度,但是影响很小;3.对于不同负载,摩擦纳米发电机的输出功率均随频率的增加而提高。同时最佳负载同样随频率发生变化,工作频率越高,摩擦纳米发电机的最佳负载越小;4.在摩擦纳米发电机的工作初期,随着工作频率的升高,电荷积累速度加快,但是摩擦纳米发电机单个工作周期产生的电荷量没有明显变化。基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器的响应和回复过程也是摩擦层表面电荷密度重新达到平衡的过程。因此,基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器的响应速率和回复速率与摩擦纳米发电机的电荷积累速率息息相关。利用得到的摩擦纳米发电机的工作频率与其性能之间的关系,通过提高基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器的工作频率,成功提高了其响应回复速率。实验结果显示,对于使用银和尼龙作为摩擦层的自驱动氨气传感器,当其工作频率从3.6 Hz升高到10.1 Hz,其响应时间从31.5秒降低到12.2秒,回复时间从29.7秒降低到12.8秒。同时器件的工作频率对其灵敏度几乎没有影响。本文得到的摩擦纳米发电机的工作频率与其性能之间的关系,可以为将来针对不同应用场景的摩擦纳米发电机的设计提供指导,并为提高基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器的响应回复速率提供了可行方案。
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