【正文】 原位人體健康的實時監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)以及軍事技術(shù)上的應用，傳統(tǒng)的利用蓄電池來提供電源的方法將不能滿足或不能適應傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境和要求。通過ZnO納米線可以解決微小的無線傳感器的供電問題，可以實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛分布，傳感器的微小化發(fā)展。磁電轉(zhuǎn)換方式是通過線圈切割磁力線產(chǎn)生電能的，但是轉(zhuǎn)換裝置的體積通常較大，不利于傳感器的微小化發(fā)展。ZnO晶體具有非中心對稱的四面體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使ZnO具有良好的壓電特性。 纖鋅礦結(jié)構(gòu) ZnO 的晶體結(jié)構(gòu) ZnO納米線形狀ZnO納米線是放射狀的附著在用水熱法制備的凱爾拉夫129纖維周圍的。當兩條纖維表面產(chǎn)生滑動時，短暫的回路電流和開路電壓就被記錄了下來[5]。這一突破性進展將極大地推動納米發(fā)電機在納米科技領(lǐng)域的實際應用[1]。這一納米發(fā)電機為實現(xiàn)自供能、無線納米器件和納米機器人奠定了理論與實際操作的基礎(chǔ)。我們期待納米發(fā)電機未來將在生物醫(yī)學、國防和日常生活中的廣闊應用。因此對利用振動能進行發(fā)電并對外供能的研究較多。在交變磁場激勵下,磁致伸縮材料發(fā)生應變,帶動彈性基底振動,彈性基底通過粘接層帶動壓電片振動,利用壓電材料的壓電效應產(chǎn)生電荷,實現(xiàn)磁場能向電能的轉(zhuǎn)換。需要一個轉(zhuǎn)換比量級在102的變壓器才能用作電源。而且壓電轉(zhuǎn)換不需要，且發(fā)生電壓較高，無需變壓器?？傊?，隨著能源危機的加劇，壓電發(fā)電必將受到人們越來越多的重視，同時對壓電發(fā)電的研究將進一步深入，將來會有越來越多的壓電發(fā)電產(chǎn)品得以應用。（3）壓電視線導航標識2003年，NEC TOKIN 與日本Heardea 的圓形外圍有受風的羽狀物內(nèi)部配置了壓電轉(zhuǎn)換元件和鋼球以及6個LED 將其安裝在交通量大的公路隧道內(nèi)可利用汽車駛過時產(chǎn)生的風旋轉(zhuǎn)標識其原理就是通過鋼球下落時撞擊壓電轉(zhuǎn)換元件來發(fā)電可發(fā)電風速為3m/s ~6m/s，每秒發(fā)光3次，每次發(fā)光時間3ms以上，亮度為4000mcd以上。人們在使用扇子的時候通過壓電陶瓷受到反復擺動變形而產(chǎn)生的電能使發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生閃爍效果。納米氧化鋅粒子作為聯(lián)系宏觀物體及微觀粒子的橋梁，在化學、物理學、光、電、磁、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途。（1）納米氧化鋅在橡膠輪胎中的應用納米氧化鋅在橡膠輪胎中的應用橡膠工業(yè)是氧化鋅的最大用戶[9]。在高聚物表面上涂一層含納米氧化鋅顆粒的透明涂層，可防高聚物日光老化。（3）納米氧化鋅在油漆涂料中的應用在涂料應用中，納米氧化鋅的紫外屏蔽性能是其中最大的開發(fā)點之一。納米氧化鋅可以明顯地提高涂料的耐老化性能，可作為涂料的抗老化添加劑。通過捕捉和收集氧化鋅納米線產(chǎn)生的電荷，能夠產(chǎn)生3伏電壓，大約300毫微安的電流。 王中林團隊研發(fā)的納米發(fā)電機如下圖所示電磁發(fā)電機(a)與電磁發(fā)電機(b)的主要區(qū)別在電磁的大小和線圈的多少，該電磁發(fā)電機已設(shè)計收獲足夠的能量功率射頻（射頻）與加速度的傳感器系統(tǒng)該飛機是能量并將調(diào)整測量/發(fā)射占空比根據(jù)現(xiàn)有的能源 [17]。另外，該單元需要具有電源診斷功能，即在電源能源過低，無法提供足夠大的電壓時自動切斷電源，以免因供電問題給傳感器造成測量錯誤。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。反之，負壓電效應說明了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)換為機械能的能力（(b)所示），給壓電元件施加相應的電壓，就得到所需的機械變形或應力。由于納米棒是垂直于襯底沿c 軸取向生長的，因此當用AFM針尖推動它的時候，納米棒就會形成帶正電勢的拉伸區(qū)域和帶負電勢的壓縮區(qū)域。 壓電式納米發(fā)電的發(fā)電機制ZnO 納米棒壓電發(fā)電是ZnO 材料半導體性質(zhì)與壓電性質(zhì)相互耦合的結(jié)果，其過程解釋為：ZnO 納米棒的壓電效應，使其在被 AFM探針橫向力作用時，產(chǎn)生一個應變場，納米棒的被拉伸側(cè)面和被壓縮側(cè)面產(chǎn)生極化電荷而形成電勢差，被拉伸面為正電勢，被壓縮面為負電勢；同時，ZnO 納米棒具有半導體特性，與金屬探針形成肖特基接觸，探針與ZnO 納米棒被拉伸面接觸時相當于一個反偏的肖特基二極管，壓電電荷在納米棒上不斷積累；探針與被壓縮面接觸時相當于正偏的肖特基二極管，在正壓電電壓的驅(qū)動下，電子從納米棒流向探針，形成電子環(huán)流；在此過程中，壓電電場起到了類似于“泵”的作用，以克服其中的電勢差[18]。 肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件 直流壓電式納米發(fā)電器件的上電極，必須具有類似AFM針尖的結(jié)構(gòu)和功能，在彎曲ZnO 納米棒的過程中，實現(xiàn)壓電電荷的積累和釋放，從而輸出單向的壓電電流。前文的研究表明，ZnO納米棒與Au上電極形成肖特基接觸，接觸界面形成勢壘，具有整流效應，(a)所示。由于壓電電勢的建立過程遠高于機械作用過程，電荷傳輸?shù)乃俣冗h高于相對運動的速度，因此，可以認為系統(tǒng)一直處于一個準靜態(tài)過程。 肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的工作原理圖對于單根的納米棒而言，電流產(chǎn)生過程是瞬態(tài)的。肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的輸出電流在nA量級，并且由于系統(tǒng)和環(huán)境中的干擾和噪聲，對電流信號的測量提出很大的挑戰(zhàn)。對于直流壓電式納米發(fā)電器件，同樣可以采用異質(zhì)結(jié)的整流效應，輸出穩(wěn)定的單向電流。 微電化學催化腐蝕法修飾后的硅表面 異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件示意圖異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件（）的工作原理，與肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的原理相類似，可以用壓電電勢引起器件兩個電極間能帶的變化來解釋，唯一不同的是異質(zhì)結(jié)的整流效應取代了肖特基結(jié)的整流效應。利用MEMS工藝加工微型壓電懸臂梁多為在硅或多晶硅上作單層或多層ZnO納米線陣列薄膜。Pt材料的作用不僅能夠增加電極的導電性而且能夠在ZnO的表面產(chǎn)生Schottky接觸。 垂直振動發(fā)電原理（Science, 3(6), 2007）這種發(fā)電原理的納米氧化鋅電機可以用于具有機械振動的場合，并且對于聲波、超聲波等能量相對微弱的情況同樣適用，但應該根據(jù)應用場合的振動強度情況適當改變其硅電極或襯底厚度，以調(diào)節(jié)柔韌度，增強納米發(fā)電機的發(fā)電性能和耐用度。 旋轉(zhuǎn)式納米氧化鋅發(fā)電機原理 氧化鋅納米線/帶的制備 一維ZnO 納米材料的制備方法 目前，一維ZnO 納米結(jié)構(gòu)的制備及其應用是納米材料中的研究熱點之一，許多研究小組通過各種方法已經(jīng)制備出多種形貌的ZnO 納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米棒、納米帶、納米環(huán)、納米梳、納米孔陣列、納米管及其一些復雜的納米結(jié)構(gòu)[22, 23]。這種方法是把含有構(gòu)成生成物的一種或幾種物質(zhì)供給襯底，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能量，借助氣相作用或在襯底表面的化學反應生成所需物質(zhì)。該技術(shù)是一種利用有機金屬在加熱襯底上的熱分解反應進行氣相外延生長薄膜的方法，使用含Zn 的金屬有機物為有機源。通常ZnO與襯底間的界面能比ZnO與水溶液間的界面能要小，所以在較低的過飽和度下晶核傾向于在襯底表面形成，即異質(zhì)成核。Vayssieres首次利用該方法在硅襯底上制備出ZnO納米棒陣列[28, 29]。 低溫水熱法制備ZnO納米棒陣列 采用兩步濕化學方法制備高度取向的ZnO 納米棒陣列。 高效能轉(zhuǎn)換與存儲電路設(shè)計 納米發(fā)電機電能分析壓電材料產(chǎn)生的是低交流電壓、極其微弱的電流，而且產(chǎn)生的電流是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應當振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電效應而轉(zhuǎn)化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當材料內(nèi)部電阻太大相當于斷路或電阻太小相當于短路時，產(chǎn)生的電能未消，會再次轉(zhuǎn)化為振動能即產(chǎn)生阻礙壓電材料進一步變形的反作用力。根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ裕數(shù)谝患墐δ茈娙蓦妷捍笥趬弘娫a(chǎn)生的電壓時，充電電流即停止流向超級電容，隨著超級電容兩端電壓的增加，電流流向超級電容的時間在縮短。 穩(wěn)壓充電電路的設(shè)計環(huán)境中的振動能以隨機的形式出現(xiàn)，所以壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的能量電壓和電流都不恒定，瞬時電壓存在著突變，而傳感器工作時需要的電壓為恒壓恒流。~11V，適合壓電發(fā)電裝置的電壓輸出范圍，~，也適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電電壓。該芯片內(nèi)部的線性穩(wěn)壓器還可以作為一個濾波器使用，從而降低輸出電壓中的紋波峰值。 穩(wěn)壓充電電路 功率調(diào)理電路和存儲電路總體設(shè)計三倍壓整流電路設(shè)計，三倍壓整流電路就是在二倍壓整流電路的基礎(chǔ)上，增加一個整流二極管D3和一個濾波電容C3。儲能的第一部分為壓電振子的電學等效電路，經(jīng)三倍壓整流電路升壓，整流后為超級電容Cd進行充電。 能量存儲材料或器件的選擇和制備目前，輕便電子器件電量收集存儲方式有以下三種：1．充電電池目前所使用的充電電池中，按其化學成分的不同可分為四類，分別為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。相對容量較大的電容體積也較大，從而普通電容給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來諸多不利因素。綜上所述，超級電容是三者中最理想的電量存儲元件。針對超級電容放電速度快，需要外電路的開關(guān)控制，只能提供周期性的能量。通過以上內(nèi)容的整合，傳感器的自供能是可以實現(xiàn)的。本文著重闡述的基于氧化鋅納米線的壓電式納米發(fā)電機實現(xiàn)了半導體和壓電體雙重性能的耦合，為探索該過程中的物理機制奠定了基礎(chǔ)[40]。由于DARPA的資助范圍并不包括傳感器，Pister與其同事從一開始就沒有把目標放在特殊的傳感器上，而是將研究的重點放在了系統(tǒng)的微型化、集成技術(shù)和能源管理等方面。結(jié)合Pister教授的的研究成果，若再能將本論文中所提的氧化鋅納米線壓電發(fā)電機用于上述的智能傳感系統(tǒng)中，那么可以想象該傳感器系統(tǒng)的使用期限有可能被大大延長，而不必受電池能源的限制。而最終實現(xiàn)這一目標的一個重要推動力量就是自供能技術(shù)。壓電式納米發(fā)電器件的發(fā)明，實現(xiàn)了在納米尺度下從機械能到電能的轉(zhuǎn)換，是納米科技發(fā)展中的一個重要里程碑。根據(jù)壓電材料基礎(chǔ)理論知識，選擇以納米氧化鋅作為壓電材料，制作壓電振子，對壓電發(fā)電輸出電流的采集儲存進行電路設(shè)計。（4）設(shè)計制作壓電能量獲取硬件電路。倍壓越高的整流電路，這種因負載電流增大影響輸出電壓下降的情況越明顯。（2）我們要解決納米發(fā)電機的封裝問題以及它和生物體的相互作用等。我們期待傳感系統(tǒng)自供電技術(shù)未來在生物醫(yī)學、國防科技和日常生活中得到