【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)電器件的上電極，與ZnO 納米棒形成異質(zhì)結(jié)接觸，從而構(gòu)建異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件。（1）異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的制作 作為器件上電極的硅片表面采用微電化學(xué)催化腐蝕法修飾，使表面均勻分布大量的凹凸結(jié)構(gòu)，有利于與ZnO 納米棒陣列的有效接觸。 微電化學(xué)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(gè)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(yīng)取代了肖特基結(jié)的整流效應(yīng)。 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受力形式收集振動能向電能轉(zhuǎn)換，該模型結(jié)構(gòu)簡單。目前的研究主要利用d31轉(zhuǎn)換模式設(shè)計(jì)微型電源結(jié)構(gòu)，壓電材料選擇壓電系數(shù)和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較高的ZnO納米線。壓電微電源的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以表面鋪設(shè)高密度、多層次ZnO納米線的懸臂梁為主。，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。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、存儲電路還需要對電流進(jìn)行交變直處理。 (a) (b) d31振子式納米氧化鋅發(fā)電機(jī)原理外力與壓電電壓方向平行時(shí)。該結(jié)構(gòu)具體描述如下：在整齊性較好的ZnO納米線陣列上方設(shè)有下表面高低不平且覆蓋有Pt材料的硅電極。Pt材料的作用不僅能夠增加電極的導(dǎo)電性而且能夠在ZnO的表面產(chǎn)生Schottky接觸。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]。當(dāng)結(jié)構(gòu)的上或下板感受到聲波/超聲波或其它振動時(shí)會引起兩層板的振動，造成板間距發(fā)生變化，板間距的變化又會引起ZnO納米線與上極板電極之間發(fā)生擠壓，撥動ZnO納米線形變，產(chǎn)生電能，通過對兩板間電能的收集和多個(gè)這種結(jié)構(gòu)能源的匯集就可達(dá)到發(fā)電的目的。為提高單位體積可產(chǎn)生能量的密度，(b)所示的多層結(jié)構(gòu)。 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(jī)可以用于具有機(jī)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(yīng)該根據(jù)應(yīng)用場合的振動強(qiáng)度情況適當(dāng)改變其硅電極或襯底厚度，以調(diào)節(jié)柔韌度，增強(qiáng)納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能和耐用度。(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動力的傳感系統(tǒng)，可以考慮制作一種用于能夠直接利用流體的動力的ZnO納米線發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)與轉(zhuǎn)子式發(fā)電機(jī)原理類似，先是利用流體驅(qū)動葉輪帶動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與氧化鋅納米棒相連接（氧化鋅納米棒表面是分布有高密氧化鋅納米線的導(dǎo)體棒），氧化鋅納米棒外測環(huán)繞有內(nèi)表面凹凸不平的Au/Pt電極，納米棒旋轉(zhuǎn)時(shí)與電極面碰撞擠壓，使得ZnO納米線發(fā)生形變，根據(jù)正壓電效應(yīng)，納米線兩端將有電動勢產(chǎn)生，收集此電流就能夠直接獲取直流電。此結(jié)構(gòu)裝置可廣泛用于流體發(fā)電和一些旋轉(zhuǎn)動力的場合。 旋轉(zhuǎn)式納米氧化鋅發(fā)電機(jī)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(yīng)用是納米材料中的研究熱點(diǎn)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(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)[22, 23]。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。 結(jié)構(gòu)各異的ZnO 納米結(jié)構(gòu)CVD方法是一種生長一維材料十分常用和較為成熟的方法，是低維半導(dǎo)體材料主要的制備方法之一。它是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)淀積物的過程。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(xué)反應(yīng)生成所需物質(zhì)。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。楊培東等將CVD與氣相外延技術(shù)相結(jié)合，通過控制催化劑Au 團(tuán)簇或Au薄膜的尺度和位置，對ZnO納米線陣列實(shí)現(xiàn)了直徑、位置以及方向的控制生長[25]。 CVD方法制備的ZnO納米棒陣列的SEM圖MOCVD是制備ZnO 薄膜的一種重要方法。該技術(shù)是一種利用有機(jī)金屬在加熱襯底上的熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長薄膜的方法，使用含Zn 的金屬有機(jī)物為有機(jī)源。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。W. Lee 等將金屬有機(jī)氣相沉積在GaAs襯底上成功地生長出高取向的單晶ZnO納米棒[26, 27]。 溶液化學(xué)法是一個(gè)從溶液中生長固相的過程, 因而屬于液相固相（Liquidsolid, LS）生長法，過飽和溶液中的結(jié)晶包括成核與生長兩個(gè)過程。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。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。此外，還發(fā)展了同質(zhì)外延附生法，也叫兩步合成法，即先在襯底上修飾一層織構(gòu)的ZnO晶種膜，然后在這些晶種上成核和生長ZnO納米結(jié)構(gòu)。此法可以通過調(diào)節(jié)晶種層的織構(gòu)來有效控制一維晶體生長的形態(tài)和取向，被公認(rèn)為是制備高度有序的ZnO納米棒陣列的最有效方法之一。Vayssieres首次利用該方法在硅襯底上制備出ZnO納米棒陣列[28, 29]。電化學(xué)沉積法是近年來被廣泛應(yīng)用的一種合成方法。它具有環(huán)保、操作簡單、合成時(shí)間短、能量消耗低、產(chǎn)量較高、過程可控并易于自動化管理等優(yōu)點(diǎn)，是合成金屬氧化物納米線的一種非常經(jīng)濟(jì)可行的方法。2006年，孟阿蘭等采用一步電化學(xué)氧化法，以HFC2H5 OHH2 O 混合溶液為電解液，分別用Zn和Pb作陽極和陰極，在鋅板表面氧化生長出細(xì)長的 ZnO 納米線，并通過調(diào)整工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了納米線直徑與長度的有效調(diào)節(jié)[30]。 低溫水熱法制備ZnO納米棒陣列 采用兩步濕化學(xué)方法制備高度取向的ZnO 納米棒陣列。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。該方法允許在任意襯底上生長 ZnO 納米棒陣列，選用的襯底為銦錫金屬氧化物（ITO）導(dǎo)電玻璃，作為后續(xù)電學(xué)測試和器件制作的電極準(zhǔn)備。 低溫水熱法制備ZnO納米棒陣列的流程圖 低溫水熱法生長ZnO納米棒陣列SEM圖此外，制備一維 ZnO 納米材料的方法，還有磁控濺射法[31]、脈沖激光沉積法（PLD）[32]、熱蒸發(fā)法[33]、分子束外延法（MBE）[34]、溶膠—凝膠法[35]等。 高效能轉(zhuǎn)換與存儲電路設(shè)計(jì) 納米發(fā)電機(jī)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(jī)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(yīng)當(dāng)振動能傳遞到壓電材料時(shí)，由于壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當(dāng)材料內(nèi)部電阻太大相當(dāng)于斷路或電阻太小相當(dāng)于短路時(shí)，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(jìn)一步變形的反作用力。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。 能量轉(zhuǎn)換與存儲電路原理圖當(dāng)把壓電發(fā)電振子接入整流濾波電路之中，只有當(dāng)壓電振子兩端電壓的絕對值大于濾波電容兩端電壓時(shí)，整流橋才能導(dǎo)通，此時(shí)，兩端電壓絕對值相等。在橋式整流電路中，存儲器件電壓是影響壓電換能器能量存儲效率的一個(gè)重要因素。根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ?，?dāng)?shù)谝患墐δ茈娙蓦妷捍笥趬弘娫a(chǎn)生的電壓時(shí)，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(shí)間在縮短。 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。從以上仿真圖可以得知，隨著一級儲能電容上電壓的升高電能的充電效率在下降，橋式整流電路的下降速度要快于二倍壓整流，％，而橋式整流電路電流的流通時(shí)間為50％。雖然半波和全波整流電路能把交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，但是直流電壓會隨著二極管的正向壓降而變小，從而影響電能的轉(zhuǎn)化效率。 穩(wěn)壓充電電路的設(shè)計(jì)環(huán)境中的振動能以隨機(jī)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(shí)電壓存在著突變，而傳感器工作時(shí)需要的電壓為恒壓恒流。這就需要把突變的電流和電壓轉(zhuǎn)化為恒定的值。MAXl672由于內(nèi)部集成了一個(gè)含有線性穩(wěn)壓器的升壓式DC/DC變換器，因此該芯片具有升壓式或降壓式DC/DC變換器的功能。該芯片的輸入電壓可以低于輸出電壓，也可以高于輸出電壓，但輸出電壓是一個(gè)恒定的值。~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(diǎn)的供電電壓。該芯片的功率轉(zhuǎn)換效率典型值為90%。由于該芯片使用了升壓式或線性式穩(wěn)壓方式，因此構(gòu)成應(yīng)用電路時(shí)所需要的外部元件要比正激式電路結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器所需要的元件要小得多，也大大降低了外部電路元件對電能的消耗。該芯片的開關(guān)電流不但可以選擇，而且在低電流的應(yīng)用場合能夠使用極小的外部電感。該芯片內(nèi)部的線性穩(wěn)壓器還可以作為一個(gè)濾波器使用，從而降低輸出電壓中的紋波峰值。該芯片的靜態(tài)工作電流僅為85uA。在關(guān)閉模式下，可使輸入與輸出完全隔離。這就大大降低了芯片本身的功耗。 穩(wěn)壓充電電路 功率調(diào)理電路和存儲電路總體設(shè)計(jì)三倍壓整流電路設(shè)計(jì)，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(gè)整流二極管D3和一個(gè)濾波電容C3。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。當(dāng)?shù)诙€(gè)正半周時(shí)，D1，D3導(dǎo)通，D2截止，C2上的電壓與電源串聯(lián)經(jīng)D3對C3充電