【正文】 感器技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)研究的熱點。　　如今，智能塵埃早已淹沒在無線傳感網(wǎng)如雷貫耳的聲浪中，然而不可否認(rèn)的是，智能塵埃不僅是無線傳感網(wǎng)的源頭，而且，還將成為無線傳感網(wǎng)的歸宿。 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)是科技界時髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷聲匿跡。該智能塵埃的通信距離達(dá)到20米，連續(xù)工作時間為1周，如果以1%的工作休眠比計，工作時間可長達(dá)2年之久。 智能微塵2010年7月，該項目圓滿完成。當(dāng)時的描述是：建立一個完整的傳感器和通信系統(tǒng)可以被集成到立方毫米量級的空間中，因體積微小這一系統(tǒng)被形象地稱作“智能微塵”（）。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。不過，可以肯定的是，這必將是未來微系統(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)趨勢。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]。 納米氧化鋅發(fā)電機(jī)與MEMS傳感器系統(tǒng)的工藝耦合與集成以上我們重點討論了納米氧化鋅發(fā)電機(jī)工作機(jī)制、制作原理、分類、應(yīng)用舉例以及電能的采集與存儲等內(nèi)容。而可充電電池的輸出能量穩(wěn)定的特點。鋰電池具有能量密度高、生命周期長和容量保持性好的特點，適合作為第二級的能量存儲。適合作為本課題的儲能元件，可以代替普通電容作為一種連續(xù)的、穩(wěn)定的電源。相對于可充電電池，超級電容同樣有以下優(yōu)點：① 具有高的功率密度，為電池的10～100倍，可以在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流；② 使用壽命長，超級電容充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有很好的可逆性，不易損壞；③ 充電速度快，超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或電極物質(zhì)表面的快速、可逆的電化學(xué)過程，可以采用大電流充電，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程，是真正意義上的快速充電。因此普通電容并不能完全滿足設(shè)計要求。但是普通電容容量很小，其存儲的電量不足以形成一個穩(wěn)定的電源為監(jiān)測系統(tǒng)供電。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)計要求。(超級電容上的電壓值可能有所波動，但只要在MAXl672的電壓輸入范圍內(nèi)，芯片都將處于工作狀態(tài))當(dāng)超級電容Cd儲存了足夠的電荷之后，電容電壓達(dá)到了MAXl672穩(wěn)壓充電控制端輸入電壓要求時，穩(wěn)壓電路開始工作，給可充電電池一個恒定的充電電壓。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。 三倍壓整流電路在開始的幾個周期內(nèi)C3上充電電壓并不能真正充至3U1，在經(jīng)過幾個周期之后在C3上累積就可以輸出直流電壓Usc≈3U1，從而在負(fù)載兩端得到近似三倍壓的整流電壓。三倍壓整流電路的工作原理為：在正弦電壓源的第一個正半周時C1被充電至U1，第一個負(fù)半周時C2上的電壓被充電到接近2U1。這就大大降低了芯片本身的功耗。該芯片的靜態(tài)工作電流僅為85uA。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。該芯片的功率轉(zhuǎn)換效率典型值為90%。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，但輸出電壓是一個恒定的值。這就需要把突變的電流和電壓轉(zhuǎn)化為恒定的值。雖然半波和全波整流電路能把交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎侵绷麟妷簳S著二極管的正向壓降而變小，從而影響電能的轉(zhuǎn)化效率。 采用二倍壓整流電路電流的流通時間 采用橋式整流電路電流的流通時間。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重要因素。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。 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。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。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),實現(xiàn)了納米線直徑與長度的有效調(diào)節(jié)[30]。電化學(xué)沉積法是近年來被廣泛應(yīng)用的一種合成方法。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。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。 溶液化學(xué)法是一個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過程。其缺點是使用的有機(jī)源極易氧化,而且難以較精確地控制氧氣流量。 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。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。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。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。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。(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)。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)。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，整個結(jié)構(gòu)的周圍包裹有軟性的包裹材料[21]。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。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。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。 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，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。（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。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)體器件同時集成在同一個硅片上，實現(xiàn)納米電源器件與工作器件的高度集成。 異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件 壓電式納米發(fā)電機(jī)的AFM實驗表明，金剛石針尖與ZnO 納米棒接觸形成的異質(zhì)結(jié)具有部分整流效應(yīng)，能夠取代肖特基結(jié)積累和釋放壓電電荷的功能，從而實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)壓電式納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)想。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]。因此，在超聲程中，一直能夠探測到穩(wěn)定和連續(xù)的輸出信號。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，回路中的電流是所有納米棒產(chǎn)生電流的疊加，是一個統(tǒng)計意義上的結(jié)果。壓電電勢所起到的作用，就是使電子能夠克服Au/ZnO界面勢壘，從ZnO納米棒進(jìn)入Au電極。當(dāng)ZnO納米棒彎曲到一定程度時，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)Au電極接觸到ZnO 納米棒的正電勢區(qū)域時，肖特基結(jié)反偏，阻止了電子在接觸界面的傳輸。當(dāng)器件受到超聲驅(qū)動時，ZnO納米棒與Au電極之間產(chǎn)生相對運動，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。肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的工作原理，可以用壓電電勢引起器件兩個電極間能帶的變化來解釋[19]。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。以上這些壓電式納米發(fā)電器件，都是利用肖特基結(jié)的整流效應(yīng)來產(chǎn)生單向的電流輸出，而異質(zhì)結(jié)的整流效應(yīng)在直流壓電式納米發(fā)電器件中的應(yīng)用則未見報道。利用垂直襯底的ZnO 納米棒陣列，在AFM系統(tǒng)中實現(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)能夠獨立地收集外界環(huán)境中的機(jī)為了實現(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)計成鋸齒形的鍍波動（如超聲波）傳入該納米發(fā)電器件時，納米棒將受到鋸齒形電極的撥動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。納米棒的彎曲程度在 AFM形貌圖中直接被記錄下來，最大的彎曲距離和納米棒的彈性模量，以及針尖掃描過的納米棒的密度，都可以通過分析形貌圖得到。當(dāng) AFM針尖沿納米棒陣列掃描時，表面形貌和相應(yīng)的通過負(fù)載的輸出電壓被同時被記錄下來。 納米壓電發(fā)電機(jī)基本原理 基于氧化鋅納米線的壓電壓電式發(fā)電機(jī)原理，在AFM針尖橫向力的作用下，ZnO納米棒發(fā)生彎曲形變，由于ZnO 納米棒單晶的非對稱中心結(jié)構(gòu)使其具有壓電性能，由形變產(chǎn)生壓電電場，從而驅(qū)動外電路電子流動而達(dá)到發(fā)電的目的。因此，利用壓電材料的機(jī)械能與電能