基于摩擦发电的自供电加速度传感器实验设计及应用

刘超然，王益哨，方灵星，董林玺，陈 龙，王高峰

（杭州电子科技大学 电子信息学院 教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018）

摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）是一种可以收集微小机械振动的能量采集器，在采集环境能量和自供电传感器设计领域具有广泛的应用前景[1-2]。随着物联网技术的快速发展，传感器网络节点数量急剧增加，网络分布区域逐步扩大，对供能元件也提出了更高的要求。自供电传感器通过采集环境中广泛分布的微小能量，实现对自身系统供电，高效合理地解决了传感器节点供电难题。已报道的传统加速度传感器一般可以分为电容式、压阻式、压电式3种[3]，其中只有压电式传感器具有自供电功能。基于压电效应的自供电加速度传感器具有结构简单、体积小、线性度好等特点[4-5]，然而其输出电信号强度低，导致器件灵敏度有限，也容易受环境噪声影响，难以满足实验应用场景高精度振动检测的应用需求。基于摩擦发电的自供电加速度传感器因其制备简单、瞬时功率大、成本低等优势[6-9]而备受关注[10-12]。

截至目前，我校尚未开设摩擦纳米发电机及自供电传感器相关的理论、实验课程，学生对高灵敏度自供电加速度传感器这一前沿领域的认知相对匮乏。因此，迫切需要设计相关的实验课程，实现前沿学科与基础电学知识的有效融合，在提升学生专业知识运用能力同时，丰富学生在摩擦发电及自供电传感器研究领域的认知。

本实验通过引导学生设计、制备基于摩擦发电的自供电加速度传感器，进一步帮助学生从机理、制备、测试、应用及传感器性能等多个角度深入掌握摩擦纳米发电机及自供电加速度传感器的相关知识和前沿动态。传感器制备过程，将基础理论知识应用到实际中，可以巩固学生对理论知识的应用技能，提升学生的科研素养、实践能力和创新思维意识。

1 传感器工作原理

本文设计的自供电加速度传感器基于摩擦纳米发电机的设计原理，是摩擦起电效应与静电感应的耦合。摩擦发电层由两层电序列差异性较大的电介质材料构成。当传感器受到被测物体的振动作用时，质量块在振动加速度的作用下，驱动传感器的两个摩擦层进行接触、分离运动。两电介质层多次接触、分离后，分别带上正电荷、负电荷，即摩擦起电效应，并形成等效电容。由于两个摩擦层在接触、分离过程中，会改变等效电容间的电场强度，进而驱动电极层的自由电荷发生定向移动，导致两电极之间产生电势差。基于摩擦发电的自供电加速度传感器的输出电压可表示为[13]

式中，R为外接负载，Q为电极间电荷转移量，σ为摩擦层电荷面密度，d0为等效厚度，ε0为真空介电常数，a为外界振动加速度，xmax为质量块最大行程，S为摩擦层接触面积。

2 实验内容

2.1 传感器结构设计

根据摩擦发电的工作机理，本文设计的自供电加速度传感器由内部传感系统和外壳组成，如图1所示。内部传感系统自下而上分别为：TENG、绝缘层和金属质量块，其中TENG包括上下摩擦层和上下电极层。为了提高振动检测装置输出性能，选择摩擦电序列差异性较大的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜（PET）和PET基底的蚕丝蛋白层（SF/PET）作为摩擦层。SF/PET薄膜采用操作简单、成本低廉的喷涂工艺制备，可实现传感器摩擦副的批量化制备。加速度传感器通过金属质量块响应环境振动信号，驱动摩擦层进行接触、分离的上下摩擦运动，并在摩擦副的两电极端输出电信号，从而实现对环境振动的检测。

图1 基于摩擦发电的高灵敏度自供电加速度传感器结构模型

2.2 摩擦副材料制备与器件组装

如图2所示为TENG的制备流程图。在制备传感器摩擦副时，选取PET/氧化铟锡（ITO）为衬底层，并采用喷涂工艺[14]，将质量比为 2.5%的蚕丝蛋白（SF）溶液喷涂在尺寸为20 cm×30 cm的衬底层PET表面。通过高温烘箱固化衬底表面的液滴，在PET一侧形成蚕丝蛋白微颗粒结构，完成 SF/PET/ITO摩擦层薄膜的制备。将PET/ITO和SF/PET/ITO薄膜切割成面积为3.5 cm×6 cm的小片，两种小片薄膜一一配对，两侧边缘相互接触且ITO面朝外并通过强力胶带相互连接形成拱状结构。在每个薄膜的ITO表面引出导线，即可制得拱形TENG。

图2 TENG的制备流程图

为了限制质量块的振动幅度，依次将拱形TENG、绝缘层（2.5 cm×2 cm）和金属质量块（50 g）自下而上放置于塑料保护外壳（7.5 cm×5.5 cm×4.5 cm）内。如图3所示，TENG的电极引线从外壳圆孔引出，即完成基于摩擦发电的自供电加速度传感器制备。

图3 基于摩擦发电的自供电加速度传感器实物图

2.3 实验测试

为了表征自供电加速度传感器输出性能，搭建如图4所示的实验测试系统。主要的测试设备包括：信号发生器（RIGOL公司 DG1012）、功率放大器（SINOCERA公司YE5871A）、激振台（B&K Vibro公司Type 480和Aishi公司Type JZK-5T）和示波器（Rohde & Schwarz公司Type RTM2032）。首先，信号发生器产生一个特定频幅的振动波信号，此信号经功率放大器放大后，传递到激振台使之振动。在激振台的作用下，传感器中金属质量块通过挤压PET/ITO薄膜引起摩擦副的接触、分离，最终实现电信号输出，并通过示波器观测和记录。

图4 实验测试系统的实物图

3 实验结果与应用拓展

根据前述搭建的实验测试系统，对本文研制的加速度传感器输出性能进行测试。在测试实验中，100 MΩ的探头连接传感器电极两端，采用示波器观测并记录传感器输出信号。图5给出了测试结果，传感器输出电压与振动加速度成正比。加速度传感器在测量1~11 m/s2的振动加速度时，输出信号强度在50 V以上，经线性拟合后，器件灵敏度高达20.4 V/(m·s–2)。具有优异的抗噪声干扰能力和良好的线性度。

图5 不同加速度下传感器的峰值电压

加速度传感器是振动检测装置的关键部件，本文进一步探索和拓展所研制的加速度传感器在实验室的潜在应用。实验室安全是研究人员人身安全的重要保障，若装有有毒或强腐蚀性溶液的容器不慎翻倒或掉落不能被及时发现，将带来难以想象的严重后果。因此，基于所研制传感器的高灵敏度特性，首先探索加速度传感器对实验桌上物品翻倒或掉落的振动检测应用。实验过程中，为避免容器被摔碎，本文采用书本和螺丝刀替代液体容器分别模拟实验桌上物体的翻倒和掉落（见图6）。图6(a)为该传感器对书本翻倒时引起桌面振动的检测。如图 6(b)所示，当书本从直立状态翻倒在实验桌上时，放置在桌上的加速度传感器检测到桌面振动强度约为4.42 m/s2。另外，图6(c)为物品掉落振动检测，考虑到实验室桌子的高度一般为0.75 m，选择此距离为物品的下落高度。如图6(d)所示，当物品掉落在桌上时，产生振动强度为3.78 m/s2。

除了上述应用拓展之外，本文还探索了加速度传感器在人体可穿戴设备方面的潜在应用。随着年龄的增长，老人在摔倒时会容易受伤，甚至骨折。另外，由于身体机能的老化，大多数老人在摔倒时难以自行站起，若不能及时发现可能危及生命。因此，本文将振动检测装置作为一个可穿戴的报警设备，固定在人体的肩膀上，并与10个商用LED灯泡连接，当人体摔倒时，该传感器会产生光学报警。如图 7(a)所示，当人摔倒的瞬间（摔在椅子上）所有的LED灯泡被同时点亮，并且传感器检测到加速度大小为6.07 m/s2的振动信号，如图7(b)所示。

上述的实验结果表明，基于摩擦发电的高灵敏度自供电加速度传感器实现了自供电高精度振动检测，为实验室的振动检测和可穿戴报警设备的设计提供了新思路。

图6 传感器检测物品翻倒或掉落引起的桌面振动强度

图7 自供电加速度传感器检测人体倒在椅子上的振动强度

4 结语

本文根据摩擦发电效应，研制了一种高灵敏度自供电加速度传感器。金属质量块通过响应环境中各种振动，驱动摩擦发电机的两个摩擦层接触、分离，以实现摩擦副电极两端输出与环境振动强度等比例的电压信号。测试结果表明，该传感器灵敏度高达20.4 V/(m·s–2)，可以广泛应用于实验室物品掉落、倾倒及人体摔倒等振动检测。通过传感器工作机理分析、结构设计、制备与性能测试，丰富了学生在摩擦发电及自供电传感器研究领域的认知，使其深入了解到这一前沿科研的动态。启发式实验内容的设置，进一步提升了学生分析解决问题的能力和科研素养。