吳文鑫 羅成劍 吳佳瑤 張夢澤

摘要：本文利用壓電效應(yīng)與換能技術(shù)設(shè)計了一種可穿戴式發(fā)電裝置，通過采用高輸出性能和高導(dǎo)電性能的柔性PVDF壓電薄膜并以雙拱形陣列結(jié)構(gòu)搭建，使得穿戴者可以通過體感交互進行機械能一電能轉(zhuǎn)化并對電能加以利用。該裝置實現(xiàn)了人體機械能的高效率采集及對手機等外部設(shè)備進行供電的功能，對于能量的二次利用具有深遠意義。

關(guān)鍵詞：PVDF;壓電效應(yīng);發(fā)電裝置

1、應(yīng)用領(lǐng)域

柔性PVDF與體感交互控制下的壓電裝置屬于一種小型便攜式發(fā)電裝置的服務(wù)范圍。隨著便攜式智能設(shè)備的適用范圍越來越廣，續(xù)航能力缺失的問題也逐漸顯露出來。如今，便攜式智能設(shè)備續(xù)航能力的彌補成為最大潛在市場機會，而本項目正好符合市場的需求。

本團隊設(shè)計的柔性壓電裝置可以在平時多場合佩戴，例如在辦公室、家、健身房等場合。它的使用形式也分為多種形式，既做到了能源的收集，也可以作為裝飾品。通過時刻與身體的交互，實現(xiàn)將人體運動產(chǎn)生的機械能經(jīng)柔性壓電裝置轉(zhuǎn)化為電能儲存在后續(xù)的超級電容中，其產(chǎn)生的電能可以為手機、小型音響等設(shè)備進行供電。

2、壓電效應(yīng)概述

本項目核心技術(shù)為壓電效應(yīng)，其原理為：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力卸載，又會恢復(fù)不帶電的狀態(tài)。

正壓電效應(yīng)如圖1所示，壓電材料在機械力作用下會發(fā)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在材料體表面出現(xiàn)異性電荷，電荷密度與力的大小成正比，使“力”產(chǎn)生“電”。

3、產(chǎn)品簡介

本作品為一種可穿戴式PVDF發(fā)電裝置，穿戴在身上時可采集并轉(zhuǎn)化人運動的機械能為電能，最終加以利用。如圖2所示為本產(chǎn)品的裝置簡圖。

其核心優(yōu)勢為：

1、利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，通過壓電薄膜極化效應(yīng)分離電子，產(chǎn)生電動勢;

2、綜合人機交互考慮，使用柔性體附著在表面，確保人體舒適度的同時，加快壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換速率。

3、以柔性PVDF壓電薄膜為電介質(zhì)并搭建雙拱形陣列結(jié)構(gòu)，發(fā)電效率提升27.44%

4、柔性PVDF薄膜標定

選擇PVDF作為壓電材料主要是因為其穩(wěn)定性，即在使用時，電阻不應(yīng)起伏變化，因為它會引入電噪聲源。而PVDF材料的小斷面特性很好地解決了這個問題。

由于它的上、下焊片相互錯開并彼此相對，使得有效面積（重疊電極）被精確定義，對于材料的標定以及電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有特殊意義。

同時由于柔性PVDF材料直接轉(zhuǎn)換的電能較微弱（1.4V/g），普通方式難以正確采集也不穩(wěn)定，所以需要外加電荷放大模塊，本方案使用的放大模塊型號為ICA10X，在PVDF標定時選定Piezo放大器。放大模塊可以將被測量的電信號放大20倍，形成實時自供電的電路系統(tǒng)。

5、PVDF選型

PVDF材料主要存在a、B和y三種晶型，其中B晶型具有顯著的壓電活性，利用PVDF材料制備的壓電薄膜具有柔性、對溫濕度和化學物質(zhì)高度穩(wěn)定性、耐沖擊性強、失真小等優(yōu)點。在本項目中通過選取0.3mm厚的PDMS薄膜作為支撐層，將0.2mm厚的PVDF薄膜設(shè)計成拱形結(jié)構(gòu)柔性壓電發(fā)電裝置來收集環(huán)境振動機械能。

6、雙拱形柔性壓電發(fā)電裝置

本項目提出了一種基于雙拱形結(jié)構(gòu)的增強型柔性壓電發(fā)電裝置，能夠作為自供電傳感器監(jiān)測環(huán)境振動機械能，其中，上拱形是根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)特征設(shè)計的PVDF壓電薄膜，下拱形是帶有均勻梯形體微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。

上下拱形結(jié)構(gòu)利用并聯(lián)方式連接，通過中間共享電極提升壓電單元的電荷密度。由于獨特的拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計，PVDF薄膜具有顯著的壓電勢能，在按壓和釋放的過程中，壓電層能夠產(chǎn)生平穩(wěn)的高輸出電能。將雙拱形結(jié)構(gòu)的壓電層作為傳感器的敏感單元，在6mm的振動幅值下，其靈敏度為2.12V/g，線性誤差為5.91%。

7、功能總結(jié)

本作品設(shè)計了一種可穿戴式PVDF發(fā)電裝置，穿戴在身上時可采集并轉(zhuǎn)化人運動的機械能為電能，最終加以利用。并采用高導(dǎo)電性能的電路對其外接設(shè)備進行供電，減少傳輸?shù)絻Υ骐娔艿碾娔軗p失，設(shè)計外部連接設(shè)備，對PVDF材料的壓電裝置產(chǎn)生的電能進行儲存，對于能量的二次利用具有深遠意義。