基于柔性基底的压电能量收集器的设计

骆 懿,梅开煌

(杭州电子科技大学通信工程学院,杭州 310018)

基于柔性基底的压电能量收集器的设计

骆 懿*,梅开煌

(杭州电子科技大学通信工程学院,杭州 310018)

以PDMS为柔性基底设计的PVDF压电薄膜新型压电能量收集器压电性能良好,柔韧性强,可适应复杂的振动环境,具有广阔的应用前景。首先设计了具有柔性基底的压电能量收集器的结构;其次,用PVDF颗粒采用静电纺丝法制备了PVDF压电薄膜;最后,实验表明设计的压电能量收集器在振动频率为25 Hz,振动幅度为2 mm的激励下,开路输出峰值电压为8.38 V,输出功率密度为6.32 μW/cm2;经Ansys有限元分析,发现增大激励源的振动幅度,可以提高压电能量收集器的开路输出电压和输出功率。

振动能量收集;PVDF;压电薄膜;柔性基底

随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展,其能源的持久供应问题成为人们日益关注的焦点。能量收集技术对发展智能化的自供能低功耗电子器件有着重要的推动作用,因此它越来越受到各国科研人员以及各大半导体制造商的关注及研究[1]。能量收集技术能将环境中的风能、潮汐能、振动能,乃至人体肢体运动产生的动能等转化为电能[2]。鉴于环境中振动能存在形式多样,例如机械运行、车辆行驶甚至人体步行时足部的运动都蕴含丰富的振动能。因此,科研人员设计了各种拾取振动能转换成电能为低功耗电子器件供能的能量收集器。压电材料制作的压电能量收集器,凭借其较高的机电耦合性能与较大输出功率密度等特性获得了科研人员的青睐[3]。传统的压电能量收集器大多采用压电陶瓷制成,张颖异[4]等人采用锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷设计了一种共质量块阵列结构的悬臂梁振动能量收集器,该能量收集器在2gn加速度,610 Hz的谐振频率的激励下,开路输出峰值电压为8.88 V,最大输出功率为1 220 μW。受限于压电陶瓷是脆性材料,在外力的作用下十分容易破裂的缺陷,因此它制作的能量收集器适用范围较小,难以进一步推广[5]。

聚偏氟乙烯PVDF(Polyvinylidene Fluoride)是一种性能良好的压电材料,具有压电系数高、生物兼容性好、频响宽、柔韧性高及易加工等优点[6]。目前,各国科研人员在PVDF压电薄膜的制备及应用方面已经开展相关研究并取得不少的有效成果,如刘廷[7]等人基于PVDF压电薄膜设计了一种微力检测传感器。采用压电聚合物PVDF制作的压电发电机,可以获得比PZT压电陶瓷更好的压电效应,如管丽娟用PVDF压电薄膜设计了一种类风扇结构的风能收集装置,该风能收集装置在风速为5 m/s～10 m/s时,最大输出电压为23.7 V,输出功率约2 mW/cm3[8]。

实验中,以PVDF聚合物颗粒为材料,通过静电纺丝法制备PVDF压电薄膜;按照设计的压电能量收集器的结构,组装具有柔性基底的能量收集器。通过扫描电子显微镜(SEM)观察其表面结构表征其形态特征;通过测试压电能量收集器的开路输出电压与输出电流表征其电学特性,ansys有限元分析给出能量收集器的电压分布结果。测试实验结果表明,设计的压电能量收集器的输出功率密度为6.32 μW/cm2,该能量收集器能拾取外界复杂振动环境产生的振动能,在结合能量收集管理电路模块使用,能收集生物体振动如人体膝盖运动产生的能量。

1 柔性基底的压电能量收集器结构设计

当外力作用于压电材料使其表面发生形变时,受压电效应作用,压电材料上下表面将产生与应力大小成正比的电荷量,且上下表面的电荷量数量相等、符号相反。当外力撤去时,压电材料又恢复到不带电状态[9]。实验中,基于PVDF压电薄膜的压电效应,实现了机电能量转换,通过使用495胶水将柔性基底PDMS与PVDF压电薄膜粘贴结合的方法,制作压电能量收集器。柔性基底材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS(Polydimethylsiloxane),PDMS具有良好的生物兼容性与柔韧性、较强的黏附性,是制作柔性电子器件的常用材料之一[10]。

图1 柔性基底的压电能量收集器结构截面图

当外力作用于PVDF压电薄膜时,为了能有效的提取压电薄膜表面积累的电荷,需要将PVDF压电薄膜上下表面均镀上一层导电性能良好的银浆,然后通过金属电极将镀银层表面聚集的电荷引出;为了有效的保护PVDF压电薄膜,除了在PVDF压电薄膜的下表面粘贴上耐磨、化学性能稳定的PDMS柔性基底,上表面还需通过涂抹一层环氧胶水形成保护层。基于柔性基底的压电能量收集器结构设计截面图如图1所示。

图1中,从下往上依次是压电能量收集器的柔性基底层、底镀银层、底镀银层表面的铝银合金电极、PVDF压电薄膜层、顶镀银层、顶镀银层表面的铝银合金电极、环氧胶水封装层。

2 柔性基底的压电能量收集器的制备

2.1 PVDF压电薄膜的制备

实验中采用静电纺丝技术制备PVDF压电薄膜。静电纺丝技术是指聚合物溶液在高压静电场作用下形成纳米级纤维的过程[11]。静电纺丝技术以其制造装置简单、纺丝成本低廉、工艺可控等优点,已成为材料科学领域有效制备纳米纤维材料的主要技术之一[12]。静电纺丝装置通常由高压电源、喷头及液体供给装置、纤维接收装置三部分组成[13],实验中设计的静电纺丝装置如图2(a)所示。

图2 静电纺丝装置图和静电纺丝制备的PVDF压电薄膜

静电纺丝时,高压直流电形成静电场将极化喷头喷射出的PVDF纤维,将纤维中不含压电性能的顺电相极化成带压电性的铁电相。

静电纺丝法制备PVDF压电薄膜流程:

①将PVDF聚合物颗粒(美国Sigma-Aldrich公司)溶解于N,N二甲基甲酰胺(比利时Acros公司)溶剂中形成质量分数为28%的溶液。为加快聚合物颗粒的溶解速度,将配置的质量分数为28%溶液置于混匀器中摇晃2 h,取出后静置12 h消除摇晃时产生的气泡。

②将步骤①中配置的质量分数为28%的聚合物溶液装入高精度微量注射泵中,设置注射泵推射速率为0.005 mL/min,喷头距滚筒收集器距离为12 cm,高压电源输出直流电压为20 000 V,静电纺丝15 min。

③静电纺丝结束后,用小刀取下滚筒收集器表面的锡箔纸,这时锡箔纸表面覆盖着一层白色的薄膜,即静电纺丝制备的PVDF压电薄膜,如图2(b)所示,测量发现该压电薄膜平均厚度约为78 μm。

2.2 柔性基底的压电能量收集器的制作

实验设计的柔性基底的压电能量收集器的制作方法主要步骤如下:

①制作PVDF压电薄膜条:将2.1中静电纺丝制备的PVDF压电薄膜用剪刀剪切成长为2.5 cm,宽为1.5 cm的长条。

②制备PDMS柔性基底:将液态PDMS与固化剂按10∶1比例混匀,再置于抽真空装置中抽真空1 h抽除气泡,将抽真空后的PDMS溶液涂抹在光滑玻璃片上使其匀开,然后将玻璃片放入恒温加热板上40 ℃加热3 h,即可制备固态的柔性PDMS基底,测量发现该柔性基底平均厚度约为120 μm。

③镀银形成电镀层:将步骤①中剪切的PVDF压电薄膜长条上表面均匀涂抹一层高浓度速干型导电银浆,待银浆固化后,再在PVDF压电薄膜长条的下表面也均匀涂抹一层导电银浆。

④安装电极:将长为2.5 cm、前端部分宽约0.35 cm的铝银电极片的前端0.5 cm长部分,通过速干型导电胶水粘贴到步骤③中镀银的PVDF压电薄膜的上表面靠近边缘的左侧;待其固化后,用同样的方法在压电薄膜的下表面靠近边缘的右侧安装另一片电极,两片电极需安装在压电薄膜条的同一端。

⑤封装:用剪刀将2中制备的PDMS基底剪切成长为3.5 cm,宽为2.5 cm的长条,通过495胶水将PDMS长条与经步骤③、步骤④处理后的PVDF压电薄膜的下表面粘贴在一起。待其固化后,再在PVDF压电薄膜上表面涂抹一层环氧胶水,加固压电薄膜与PDMS的粘贴并起到保护压电薄膜的作用。

3 实验测试结果与讨论

由于静电纺丝技术制备的纤维结构尺寸一般在纳微米范围,因此制备的纤维表面结构特征需要借助扫描电子显微镜观察,制备的PVDF压电薄膜的SEM图如图3(a)所示。

图3 静电纺丝制备的PVDF压电薄膜的SEM图 和SEM图纤维直径分布统计图

由图3(a)知,实验制备的PVDF压电薄膜是由一根根排列有序的纳米线组成,这些纳米纤维在形态上总体展现出阵列垂直排列的特征,这主要是静电纺丝过程中采用了裹有锡箔纸的滚筒作为收集器,使喷头喷射出的丝在滚筒的带动下形成取向有序的纳米纤维。

图3(b)是经nano measurer软件对SEM图中纤维直径分布计算得出的统计图,该软件计算出图3(a)中纤维直径最大为1.06 μm,最小直径为0.07 μm,平均直径为0.24μm,说明实验制备的PVDF压电薄膜在纤维表面结构上达到了微纳米级别。

在设计的柔性基底压电能量收集器的输出电性测试过程中,将能量收集器通过绝缘黑胶带固定在水平振动混匀仪上部,设置振动混匀仪的振动频率为25 Hz,水平振动幅度为2 mm;同时,通过导线连接能量收集器的上下电极与示波器(Agilent technologies DSO7054A)的输入通道,具体测试如图4(a)所示。

在开路输出电压测试时,由于柔性基底底端紧紧的卡在水平振动混匀仪的线槽中,所以开启水平振动混匀仪(最大振幅5 mm),将使压电能量收集器处于周期性的冲击运动中。

图4 柔性基底压电能量收集器施加机械周期作用 测试图和开路输出电压

示波器探测开路输出电压信号如图4(b)所示。从测试结果发现,在振动频率为25 Hz,振动幅度为2 mm的激励下,设计的柔性基底压电能量收集器开路峰值电压达到8.38 V。

图5(a)是利用多物理层仿真软件Ansys Multiphysics建立的物理模型,分析PVDF压电薄膜在振动过程中薄膜形变与薄膜表面产生的电压分布云图,可以发现PVDF压电薄膜上下电极间电压垂直于薄膜表面,与静电纺丝过程中极化方向一致。在仿真过程中,发现增大作用于压电薄膜表面的激励的振幅大小,能有效增加压电薄膜的形变程度,进而能提高其开路输出电压。

将水平振动混匀仪的振动频率设为25 Hz,振动幅度依次设为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,柔性基底压电能量收集器的开路输出电压如图5(b)所示,发现增大激励振幅,可以有效提高压电薄膜的开路输出电压,这与仿真结果相符。

图5 压电薄膜形变与开路电压分布和激励振幅 与开路输出电压关系

测试短路输出电流时,将能量收集器和跨阻放大器连接后再与示波器相连。在振动频率为25 Hz,振动幅度为2 mm的激励下,能量收集器短路输出电流的峰值约为2.73 μA。

短路输出电流Isc表达式为[14]:

Isc=d31EγAE2πfε11

(1)式中:d31(28pC/N)是压电系数;E(2GPa～3GPa)是PVDF压电薄膜的杨氏模量;γ(大小1.21,无量纲)是和静电场极化相关的参数;ε11是PVDF压电薄膜沿电极方向的应变;AE是PVDF压电薄膜的有效工作面积大小;f是压电薄膜的振动频率。

式(1)表明,增大压电薄膜的应变程度或者增加压电薄膜的有效工作面积,都可以提高压电薄膜的短路输出电流。

对于给定的负载电阻RL,美国加州伯克利分校的Roundy[15]等人给出了压电材料形变时的输出功率为:

(2)

由式(2)知,当压电材料不变时,改变激励的振动频率与压电材料的有效压电层厚度不一定能有效地提高压电材料的输出功率,增大激励的振幅能有效的提高压电材料的输出功率。

在振动周期25Hz,振幅2mm的激励下,制作的柔性基底压电能量收集器的输出功率密为6.32μW/cm2。

压电材料的机电转换效率一般由压电材料的机电耦合系数与品质因素共同决定的,机电转换效率的定义为[16]:

(3)

式中:Q为材料的品质因数,K为机电耦合系数。

式(3)表明,提高压电材料的机电耦合系数与品质因数,能有效的提高压电材料的机电转换效率。在振动周期25Hz,振幅2mm的激励下,设计的压电能量收集器的机电转换效率约为11.7%。

为了测试设计的柔性基底压电能量收集器的实际能量收集效果,将制作的柔性基底PVDF压电能量收集器下半部分用胶带固定在基座表面,540电机通过驱动双叶桨拍打能量收集器上半部分(表面裹有一层黑色耐磨胶带,起保护作用)使其形变发电,能量收集器的2片电极通过导线与后端处理电路相连,如图6所示。后端处理电路由4个肖特基二极管构成的整流桥、10μF储能电容与6个串联的红色LED灯组成,电路如图7所示。

图6 柔性基底压电能量收集器为LED灯供能

图7 整流电路

在图6中,540电机驱动电压为2 V,双叶桨与PVDF能量收集器接触面积为0.48 cm2。当540电机工作13 min后,用万用表测量10 μF储能电容两端电压为15.32 V,此时把图6中黄色导线(相当于开关)接通,6个红色LED灯被点亮约1.6 s,当LED灯熄灭后,10 μF储能电容两端还剩2.17 V。

图6中实验表明,设计的柔性基底压电能量收集器具有作为周期性工作的无线传感节点供能系统的潜力。该能量收集器的基底是由柔性且生物兼容的PDMS材料制备的,因此结合相应的能量收集电路模块使用,该能量收集器还可以收集人体肢体运动产生的能量。

4 结论

通过静电纺丝法成功制备了PVDF压电薄膜,结合柔性电子器件制作方法,利用PVDF压电薄膜,制作了一款柔性基底压电能量收集器。通过测试压电能量收集器的开路输出电压,发现静电纺丝过程能有效地将PVDF的顺电相转化成压电性能良好的铁电相。柔性基底压电能量收集器在周期性振动过程中,PVDF压电薄膜的电场分布垂直于膜表面。实验发现,柔性基底压电能量收集器具有较高的输出电学特性,增大激励源的振动幅度,能有效的提高其电学输出特性。设计的柔性基底压电能量收集器不仅可以应用于自供能智能电子器件,还可以应用于可穿戴设备、损伤检测等领域。

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Design of Piezoelectric Energy Collector Based on Flexible Substrate

LUOYi*,MEIKaihuang

(School of Communication,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

PVDF piezoelectric thin films with PDMS as the flexible substrate have good piezoelectric properties and strong flexibility. It can be applied to the complicated vibration environment and thus have broad application prospects. In this paper,we firstly design the structure of piezoelectric energy collector which bears flexible substrate and using PVDF particles,the PVDF piezoelectric thin film was prepared by electrospinning. Then,the experimental results show that when the vibration frequency of piezoelectric energy collector is designed as 25 Hz and vibration amplitude of excitation as 2 mm,the open-circuit output peak voltage is 8.38 V and the output power density is 6.32 μW/cm2. Finally the ANSYS finite element analysis demonstrates that the greater the vibration amplitude of the excitation source,the higher the open-circuit output voltage and power of the piezoelectric energy collector.

vibration energy collection;PVDF;piezoelectric film;flexible substrate

骆 懿(1976-)，男，浙江杭州人，高级实验师，主要研究领域为嵌入式计算机与智能医疗仪器，luoyi@hdu．edu．cn；梅开煌(1992-)，男，安徽省宿松人，硕士研究生，主要研究方向为压电能量收集，1946272179@qq．com。

2016-12-15 修改日期:2017-04-01

O482.41

A

1004-1699(2017)08-1293-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.027