【正文】 2010, 29(3):55[3] 邵錚錚. 一維ZnO納米結(jié)構(gòu)壓電式納米發(fā)電器件的研究. 國防科技大學(xué)博士論文，2010.[4]王劍，郭吉豐，郭帥. 壓電發(fā)電技術(shù)研究綜述. 壓電與聲光，2011，33(3)：397[5] Yong Qin，Xudong Wang amp。（3）需對此整流電路進(jìn)行改進(jìn)，從而使壓電發(fā)電裝置得到更大的直流電壓和電流。 今后開展的工作本文的工作立足于納米技術(shù)的最前沿，對壓電式納米發(fā)電器件中的若干科學(xué)問題進(jìn)行了研究和討論。壓電元件能產(chǎn)生交流小電壓，但不穩(wěn)定，需要對產(chǎn)生的電壓進(jìn)行整流和濾波，從電路設(shè)計(jì)方面考慮：包括倍壓整流電路，用來將壓電材料振動(dòng)產(chǎn)生的交流電整流后得一脈動(dòng)直流電壓，將此電壓經(jīng)由濾波電路輸出一穩(wěn)定直流電壓；采用MAX1672設(shè)計(jì)DC—DC升壓電路和能量收集電路，用以收集和存儲(chǔ)壓電材料產(chǎn)生的電量。（3）為了使電能高效的存儲(chǔ)，滿足負(fù)載供電的實(shí)際使用要求，對功率調(diào)理電路部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了倍壓整流的電路特性。從壓電式納米發(fā)電機(jī)概念的提出到壓電式納米發(fā)電器件的研發(fā)，為實(shí)現(xiàn)納米供能器件與納米耗能器件的高度集成開創(chuàng)了嶄新的途徑。四、總結(jié)與展望 總結(jié)隨著低功耗電子產(chǎn)品和微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前能量采集及自供能技術(shù)正成為傳感器技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。 微小型化的自供能智能傳感系統(tǒng)在本世紀(jì)最初的幾年中，智能塵埃曾經(jīng)是科技界時(shí)髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷聲匿跡。 智能微塵2010年7月，該項(xiàng)目圓滿完成。由于MEMS/NEMS傳感器多由半導(dǎo)體材料制造，因此有理由相信將這種基于氧化鋅納米線的壓電式納米發(fā)電機(jī)與半導(dǎo)體工藝制作的微傳感器集成制作是可行的。眾所周知，傳感器及微系統(tǒng)正朝著微小型化、集成化方向發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的研究目標(biāo)是追求功能越來越強(qiáng)，功耗、體積越來越小[38, 39]。而可充電電池的輸出能量穩(wěn)定的特點(diǎn)。適合作為本課題的儲(chǔ)能元件，可以代替普通電容作為一種連續(xù)的、穩(wěn)定的電源。因此普通電容并不能完全滿足設(shè)計(jì)要求。這些充電電池都存在循環(huán)充放電次數(shù)少；并且過充過放嚴(yán)重影響電池的壽命，需要加特別的充電電路和控制放電電路來控制電池的充放電，增加了其復(fù)雜性，并且增加充放電電路會(huì)增加不必要的能量損耗，而壓電發(fā)電能量小，所以在這里利用充電電池收集電量不能滿足設(shè)計(jì)要求。穩(wěn)壓二極管D4為保護(hù)超級電容，參數(shù)選擇為超級電容的最高耐壓值。三倍壓整流電路的工作原理為：在正弦電壓源的第一個(gè)正半周時(shí)C1被充電至U1，第一個(gè)負(fù)半周時(shí)C2上的電壓被充電到接近2U1。該芯片的靜態(tài)工作電流僅為85uA。該芯片的功率轉(zhuǎn)換效率典型值為90%。這就需要把突變的電流和電壓轉(zhuǎn)化為恒定的值。 采用二倍壓整流電路電流的流通時(shí)間 采用橋式整流電路電流的流通時(shí)間。因此，要想使壓電振子來為傳感器供電，需要先對電量進(jìn)行存儲(chǔ)。首先，溶膠—凝膠法制備ZnO 納米晶粒溶膠，并修飾到襯底上作為晶種層；然后，水熱法在襯底上外延生長ZnO 納米棒陣列薄膜。電化學(xué)沉積法是近年來被廣泛應(yīng)用的一種合成方法。通過改變?nèi)軇┗虮砻婊钚詣┓N類，或通過改變反應(yīng)體系的濃度、溫度和pH值等參數(shù)，可有效控制所合成的ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌。其缺點(diǎn)是使用的有機(jī)源極易氧化,而且難以較精確地控制氧氣流量。此方法對納米線的生長方向和尺寸有比較好的可控性，沉積速率高，純度高，膜層致密，化學(xué)組分容易控制，形成的晶體缺陷較少，并且具有適合納米線生長的高溫特性。較普遍采用的制備方法主要有：化學(xué)氣相沉積法（CVD）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、溶液化學(xué)法以及電化學(xué)沉積法[24]、水熱法等。(2) 旋轉(zhuǎn)式納米氧化鋅發(fā)電機(jī)對用于流體參數(shù)測量或被測量附近具有流動(dòng)動(dòng)力的傳感系統(tǒng)，可以考慮制作一種用于能夠直接利用流體的動(dòng)力的ZnO納米線發(fā)電機(jī)。ZnO納米線生長在上表面覆蓋有ZnO薄膜的GaN或藍(lán)寶石襯底的上表面，整個(gè)結(jié)構(gòu)的周圍包裹有軟性的包裹材料[21]。利用這一原理制作的納米氧化鋅發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流應(yīng)該是交流的，因此，后期的能量采集、存儲(chǔ)電路還需要對電流進(jìn)行交變直處理。 異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的工作原理圖 納米氧化鋅發(fā)電機(jī)的種類與應(yīng)用 (1) 振子式納米氧化鋅發(fā)電機(jī)外力與壓電電壓方向垂直時(shí)，利用d31受力形式收集振動(dòng)能向電能轉(zhuǎn)換，該模型結(jié)構(gòu)簡單。目前，絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件均以晶體硅為基礎(chǔ)材料，如果能夠?qū)i/ZnO 異質(zhì)結(jié)應(yīng)用在直流壓電式納米發(fā)電器件中，則能夠?qū)⑵骷c其他的半導(dǎo)體器件同時(shí)集成在同一個(gè)硅片上，實(shí)現(xiàn)納米電源器件與工作器件的高度集成。無論是系統(tǒng)的電容、熱噪聲以及放大器的偏置等，都將影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性和正確性[20]。但是當(dāng)ZnO 納米棒陣列中大量的納米棒都產(chǎn)生電流輸出時(shí)，回路中的電流是所有納米棒產(chǎn)生電流的疊加，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)意義上的結(jié)果。當(dāng)ZnO納米棒彎曲到一定程度時(shí)，納米棒的負(fù)電勢區(qū)域接觸到Au電極，肖特基結(jié)反偏且能帶發(fā)生變化，ZnO納米棒的能帶抬高，納米棒中積累的載流子快速通過界面進(jìn)入上電極，在回路中形成電流，(c)。當(dāng)器件受到超聲驅(qū)動(dòng)時(shí)，ZnO納米棒與Au電極之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，Au電極對ZnO納米棒施加作用力使其彎曲，在納米棒的拉伸區(qū)域產(chǎn)生正電勢，在壓縮區(qū)域產(chǎn)生負(fù)電勢，并且沿納米棒的軸向方向?qū)ΨQ，(b)所示。采用鍍 Au的ZnO 納米棒陣列作為上電極，模擬一系列 AFM針尖的作用，構(gòu)建肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件。利用垂直襯底的ZnO 納米棒陣列，在AFM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)壓電式納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)想，成功地在納米尺度下將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出，為實(shí)現(xiàn)納米系統(tǒng)電源小型電機(jī)的工作擺脫AFM，使納米發(fā)電機(jī)能夠獨(dú)立地收集外界環(huán)境中的機(jī)為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，許多研究小組進(jìn)行了不懈的努力，通過優(yōu)化壓電式納米王中林小組采用垂直襯底的ZnO 納米棒陣列作為壓電工作部件，并將上電極設(shè)計(jì)成鋸齒形的鍍波動(dòng)（如超聲波）傳入該納米發(fā)電器件時(shí)，納米棒將受到鋸齒形電極的撥動(dòng)或自該器件對超聲波具有良好的響應(yīng)，并且其電流輸出可以保持一小時(shí)而沒有任何衰圍環(huán)境中收集并轉(zhuǎn)換能量的壓電式納米發(fā)電器件。當(dāng) AFM針尖沿納米棒陣列掃描時(shí)，表面形貌和相應(yīng)的通過負(fù)載的輸出電壓被同時(shí)被記錄下來。因此，利用壓電材料的機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的裝置或元件時(shí)，需要利用其壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。 傳感器自供電系統(tǒng)原理圖 納米氧化鋅發(fā)電機(jī)原理與能量轉(zhuǎn)換機(jī)制 壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 (a) (b) 電磁發(fā)電機(jī)三、技術(shù)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)自供電系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換，電能采集與存儲(chǔ)，電壓變換與能量供給三大部分組成。首先將垂直的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到一個(gè)聚合物接收襯底上以形成水平的納米線陣列，然后用平行的帶狀電極將所有納米線連接在一起。近藤剛等人利用納米ZnO作為添加劑研制成功了紫外線屏蔽玻璃用涂層[10]。在整個(gè)紫外光區(qū)，氧化鋅對光的吸收能力比氧化鈦強(qiáng)。聚氨酯跑道等地面鋪裝材料也有摻用納米材料防霉的，并提高了回彈性以及耐磨、耐水、耐溶劑、阻燃等性能[6]。納米氧化鋅是制造高速耐磨橡膠制品的原料，如飛機(jī)輪胎、高級轎車用的子午線胎等，具有防止老化、抗摩擦著火、使用壽命長、用量少等優(yōu)點(diǎn)。氧化鋅(ZnO)作為一種重要的光電半導(dǎo)體材料，具有較寬的禁帶寬度、較大的激子束縛能，并具有優(yōu)良的壓電特性、熱電特性、光電響應(yīng)特性等，一直受到人們廣泛的關(guān)注。新奇美觀大方、節(jié)能環(huán)保、工作壽命長是這種扇子的最大優(yōu)點(diǎn)[17]。2003年6月9月在日本山陽汽車公路隧道中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)確認(rèn)可在200m 以外處看到[16]。（1）壓電打火機(jī)現(xiàn)在煤氣灶上用的一種新式電子打火機(jī)就是利用壓電陶瓷制成的只要用手指壓一下打火機(jī)按鈕打火機(jī)上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高壓形成電火花而點(diǎn)燃煤氣可以長久使用基本工作原理由外力壓縮一個(gè)彈簧壓到頂點(diǎn)后釋放彈簧力推動(dòng)一個(gè)重錘打擊壓電陶瓷柱使其產(chǎn)生數(shù)千伏的高壓電火花點(diǎn)燃可燃?xì)怏w當(dāng)壓電陶瓷把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能放電時(shí)陶瓷本身不會(huì)消耗也幾乎沒有磨損可以長久使用下去故其適用方便安全可靠壽命長[12]。壓電材料在外力作用下可以產(chǎn)生電荷（或電壓），當(dāng)所生成的電荷量較大時(shí)，可用來構(gòu)造微型發(fā)電裝置或直接為電子器件提供動(dòng)力供應(yīng)。但在弱磁場激勵(lì)下，具有單個(gè)磁電復(fù)合單元的換能器輸出微弱,作為儲(chǔ)能用的超級電容器電壓很低[7]?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，電磁感應(yīng)發(fā)電裝置的技術(shù)比較成熟，能量轉(zhuǎn)換效率相對較高。振動(dòng)能的轉(zhuǎn)換主要有3種典型的方法：電磁感應(yīng)、靜電效應(yīng)、壓電效應(yīng)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外傳感器自供電技術(shù)發(fā)展案例隨著信息及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，已有大量的無線傳感器產(chǎn)品問世，但無線傳感器的供能問題仍然是個(gè)有待解決的熱門研究課題，現(xiàn)有的無線傳感器依然采用電池供電的傳統(tǒng)供能方式，而傳統(tǒng)供能方式存在壽命短、需要經(jīng)常更換等缺點(diǎn)?？偟膩碚f，納米氧化鋅器件的問世為實(shí)現(xiàn)集成納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。 發(fā)展意義及應(yīng)用前景納米發(fā)電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、無線通信、無線傳感器、軍事甚至到個(gè)人攜帶式電子產(chǎn)品等方面都將有廣泛的重要應(yīng)用。有研究表明，當(dāng)三層基于豎直氧化鋅納米線陣列的交流發(fā)電機(jī)相互串聯(lián)連接時(shí)，；三層相互并聯(lián)連接時(shí)，輸入電流密度提高到了18nA/cm2。像是生長的ZnO納米線而后通過鍍上TEOS膜的化學(xué)方法使彼此粘在纖維表面。ZnO還具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)，并且壓電性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，是一種良好的壓電執(zhí)行器[3]。此外，弱磁場激勵(lì)下，具有單個(gè)磁電復(fù)合單元的換能器輸出微弱，作為儲(chǔ)能用的超級電容器電壓很低，無法直接對無線傳感器供電[2]。 自供電技術(shù)分類及概述傳統(tǒng)的自供電技術(shù)包括有：太陽能供電，但這種供電方式有一定的局限性，在無光照或光照條件不好時(shí)，會(huì)影響供電效果，因此，在一些例如隧道，叢林等環(huán)境的使用受到了限制。基于氧化鋅納米材料的傳感器自供電技術(shù)研究一、概念闡述及研究意義 概念闡述微納系統(tǒng)的發(fā)展以及它們在