Nature Com.: 超低频机械激励下的摩擦电微马达

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发布时间: 19-06-0611:51

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微纳机电系统(MEMS/NEMS)通常需要依赖外部电源驱动,但随着其功耗的不断降低,开发出直接由环境供能的微纳机电系统成为了可能。静电马达作为微纳机电系统中的典型执行器,其利用静电力和惯性实现转动,具有结构简单、能耗低、转速高等优点,在物联网、航空航天、机器人等领域得到了广泛的应用。

然而,其驱动力矩小,启动困难,具体表现为实现静电驱动所需的电压较高,而且伴随着高频的电压信号,往往需要复杂的电路设备提供,导致其维护成本较高且使用寿命有限。近年来,王中林院士团队以麦克斯韦位移电流第二分量为理论根基提出了摩擦纳米发电机(TENG),能有效地将环境机械能和人体运动转化为电能,具有结构简单、成本低廉、环境友好等特点,在微纳能源、蓝色能源以及主动式传感等领域有着广泛的应用前景。

近年来,中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士团队深入分析对比了TENG与传统电磁感应发电机的工作原理、控制方程与输出特性,阐明了其与传统发电机的对称性和互补性(Adv. Mater. 2014, 26, 3580-3591),以及具有电容型阻抗和高电压输出的特点。基于其对电容型负载的电压保持特性,成功实现了基于接触起电调控半导体中载流子运输的各种摩擦电晶体管(Nano Today 2016, 11, 521-536),以及通过摩擦电高压特性调控的MEMS微反射镜(Adv. Mater. 2015, 27, 719-726)等,展示出TENG对MEMS执行器的高压驱动能力。然而,TENG通常用于收集环境中存在的低频机械能,产生的电输出具有低频特性,而MEMS执行器通常在高频下工作,需要高频的电信号激励,这种频率响应的不兼容使得TENG对其供电具有很大的局限性。如果能采用特殊的微机械结构设计,解决频率的不匹配问题,对于开发直接由环境供能的自驱动MEMS/NEMS器件将具有重要意义。

图:a. 摩擦电微马达工作原理图 b. 微马达转速与输入频率关系 c. 基于摩擦电微马达的便携式扫码仪 d. 基于摩擦电微马达的车载激光雷达

针对上述难点,张弛研究员带领的团队将TENG与静电微马达相结合,首次提出了一种超低频机械摩擦激励微马达高速旋转的实现方法,设计并制造了新型的摩擦电微马达。该器件利用了TENG在低频机械激励下的高压特性,通过摩擦电荷在微马达上周期性的转移与中和,可对微马达产生连续的驱动力,维持其持续运转,从而取代了传统激励方式中的高频高压源。通过不同结构和激励参数的研究表明,摩擦电微马达能够在低至0.1 Hz的外部机械激励下实现启动,并在0.8Hz时达到1350转/分,电能驱动效率达到41%。该摩擦电微马达结构简单、易于制造、成本低廉,既体现了TENG低频高压的特点,又具有静电马达高速、低功耗的优势。通过其在便携式扫码仪与车载激光雷达系统中的功能演示,展示了可通过人手按压实现扫码信息识别,以及利用车载环境中摩擦耗散掉的能量实现移动障碍物探测与定位,体现出该器件在微纳机电系统、智能机器人和无人驾驶等领域的广阔应用前景。该成果以“Triboelectric micromotors actuated by ultralow frequency mechanical stimuli”为题,发表在Nature Communications期刊上,张弛研究员和王中林院士为论文通讯作者,杨航硕士生和逄尧堃博士为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

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