【正文】 轉(zhuǎn)換的裝置或元件時，需要利用其壓電效應(yīng)。檢測出壓電材料上的電荷變化，就得到材料的變形量。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。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 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)。電壓變換和供給單元，用以實現(xiàn)對儲能單元的輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)幅，使其符合傳感器的用電需求。 (a) (b) 電磁發(fā)電機(jī)三、技術(shù)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計自供電系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換，電能采集與存儲，電壓變換與能量供給三大部分組成。在最新的實驗中，機(jī)械能來自于研究人員對位于兩個手指之間的一臺納米發(fā)電機(jī)的按壓動作。首先將垂直的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到一個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。壓電效應(yīng)指晶體材料在機(jī)械壓力下可產(chǎn)生電勢。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]。AAmmala等將納米氧化鋅分別添加到聚乙烯、聚丙烯中，結(jié)果表明，與有機(jī)胺光干擾劑比較，納米氧化鋅在防光降解方面具有明顯的優(yōu)越性[9]。在整個紫外光區(qū)，氧化鋅對光的吸收能力比氧化鈦強(qiáng)。納米ZnO應(yīng)用于防曬化妝品中，不但使體系擁有收斂性和抗炎性，而且具有吸收人體皮膚油脂的功效[6,8]。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]。將納米氧化鋅作為導(dǎo)電的白色顏料填充于橡膠中，可研制出導(dǎo)電性橡膠，用來制造靜電屏蔽橡膠及制品。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。納米結(jié)構(gòu)氧化物因其特殊的量子尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)和量子限制效應(yīng)，在磁、光、力等方面具備了體材料所不具備的許多優(yōu)異性能，各種氧化物納米線的制備和性能研究已成為當(dāng)今材料領(lǐng)域研究的熱點。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。近年來，納米材料因其獨特的物理化學(xué)作用而被廣為重視，并逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域。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[17]。其特征在于扇把是一中空的桿體，其中設(shè)有下端與扇把固定連接上端相對，扇把兩側(cè)可自由擺動的印刷電路板，印刷電路板的兩側(cè)面上分別縱向貼置壓電陶瓷片，扇面通過燈罩固設(shè)在印刷電路板的上端，印刷電路板的上端焊接數(shù)只發(fā)光二極管。2003年6月9月在日本山陽汽車公路隧道中進(jìn)行驗證試驗確認(rèn)可在200m 以外處看到[16]。如上圖2所示[1314]。（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燃煤氣可以長久使用基本工作原理由外力壓縮一個彈簧壓到頂點后釋放彈簧力推動一個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)換成電能放電時陶瓷本身不會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]。此外，它沒有結(jié)構(gòu)設(shè)計限制，從理論上說它的機(jī)械阻尼系數(shù)可以設(shè)計得比較小，同時壓電式自供能裝置沒有電磁干擾等。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，可用來構(gòu)造微型發(fā)電裝置或直接為電子器件提供動力供應(yīng)。 壓電效應(yīng)下簡單的幾種自供電技術(shù)壓電材料，作為一種理想的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可達(dá)36036000MJ/Kg，因此,利用壓電裝置產(chǎn)生相當(dāng)功率的電能是可能。但在弱磁場激勵下，具有單個磁電復(fù)合單元的換能器輸出微弱,作為儲能用的超級電容器電壓很低[7]。由于它是通過磁鐵和線圈的相對運動產(chǎn)生電能，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積相對較大，需要磁鐵(65mm)和線圈(8x10mm)?，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。磁電換能器是由磁致伸縮材料和壓電片通過不同形狀的彈性基底粘結(jié)而成。振動能的轉(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)。振動在環(huán)境中無處不在，與其他能量收集方式相比應(yīng)用范圍更廣泛。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。同時它為實現(xiàn)遙控的和無線的力/壓傳感器和聲納探測器提供了原理型的技術(shù)?？偟膩碚f，納米氧化鋅器件的問世為實現(xiàn)集成納米器件，實現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。它可以有效地將機(jī)械運動能（如人體的運動、肌肉的伸縮、血壓的變化等），振動能（如聲波或超聲波等）以及水壓能（如人體內(nèi)體液或血液的流動、血管的收縮與舒張、甚至是自然界其他任何液體的流動）轉(zhuǎn)換成電能提供給納米器件。 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、軍事甚至到個人攜帶式電子產(chǎn)品等方面都將有廣泛的重要應(yīng)用。這些水平納米線相互串并聯(lián)連接在一起，%的慢性形變下， V。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，；三層相互并聯(lián)連接時，輸入電流密度提高到了18nA/cm2。通過固定一條纖維的兩端，前后滑動另一條纖維的方法，由于耦合半導(dǎo)體壓電性能，在兩條纖維之間相對的運動過程中產(chǎn)生了輸出電流。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。具有長壽命、無污染和免維護(hù)等優(yōu)點[4]。ZnO還具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)，并且壓電性能穩(wěn)定，價格低廉，是一種良好的壓電執(zhí)行器[3]。ZnO納米線是一種比較理想的壓電材料，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶體以四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成，它具有六方對稱性，是由兩類原子各自組成六方排列的雙原子層堆積而成。此外，弱磁場激勵下，具有單個磁電復(fù)合單元的換能器輸出微弱，作為儲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]。機(jī)械能供電，包括磁電轉(zhuǎn)換方式和壓電轉(zhuǎn)換方式。 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，會影響供電效果，因此，在一些例如隧道，叢林等環(huán)境的使用受到了限制。因此，有了自驅(qū)動的概念，其根本是利用環(huán)境中收集的能量，通過能量轉(zhuǎn)換來驅(qū)動這些微納系統(tǒng)，實現(xiàn)功率自給[1]。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(yīng)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(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境和要求。在未來不久，微納系統(tǒng)的尺寸越來越小，將來限制整個系統(tǒng)大小的是電源而不是其他器件，將來實現(xiàn)全方位的監(jiān)測所用到的微納系統(tǒng)的數(shù)目和密度相當(dāng)之浩大，而且這些系統(tǒng)是可移動的，利用更換電池的方案可能是不實際的或者不可取的。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。熱能供電，利用溫度差實現(xiàn)熱能的收集，但當(dāng)傳感器與工作的環(huán)境的溫度差很小時，就無法實現(xiàn)供電。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。壓電轉(zhuǎn)換方式是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，壓電材料的機(jī)械形變會在其表面產(chǎn)生電荷，而產(chǎn)生的電荷量的多少取決于電壓材料的特性。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。壓電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，轉(zhuǎn)換電壓高。 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。雙纖維納米發(fā)電機(jī)通過和周圍是鍍金膜納米線的鍍膜的生長的納米線相纏繞而組合在一起的。當(dāng)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]。與此同時，運用低溫水熱分解的方法，通過巧妙的實驗設(shè)計和組裝，成功地在一般的柔性基底上合成出了700余列生長方向和晶格取向都完全排列的水平氧化鋅納米線陣列。這一突破性進(jìn)展將極大地推動納米發(fā)電機(jī)在納米科技領(lǐng)域的實際應(yīng)用[1]。納米氧化鋅器件是一種新型的自供能量的納米器件，它運用獨特的方式，可以從人體或外界環(huán)境中收集能量提供給納米器件和系統(tǒng)。這一納米發(fā)電機(jī)為實現(xiàn)自供能、無線納米器件和納米機(jī)器人奠定了理論與實際操作的基礎(chǔ)。它是開發(fā)具有自供能技術(shù)的新型同步內(nèi)置生物傳感器和生物醫(yī)藥監(jiān)控、生物活體探測的基礎(chǔ)。我們期待納米發(fā)電機(jī)未來將在生物醫(yī)學(xué)、國防和日常生活中的廣闊應(yīng)用。為克服傳統(tǒng)供能的缺點，人們發(fā)現(xiàn)從環(huán)境中直接獲取能量、供能是一種很好的替代方法。因此對利用振動能進(jìn)行發(fā)電并對外供能的研究較多?？臻g電磁場存在于自然界的各個角落,是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在能量源。在交變磁場激勵下,磁致伸縮材料發(fā)生應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生電荷,實現(xiàn)磁場能向電能的轉(zhuǎn)換。它是根據(jù)電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電力的。需要一個轉(zhuǎn)換比量級在102的變壓器才能用作電源。 靜電效應(yīng)下的自供電技術(shù)利用靜電效應(yīng)發(fā)電可以直接產(chǎn)生2V至幾伏電壓，并且可方便地和微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合，但靜電轉(zhuǎn)換需要一個獨立電壓源初始化轉(zhuǎn)換過程[11]。而且壓電轉(zhuǎn)換不需要，且發(fā)生電壓較高，無需變壓器。壓電轉(zhuǎn)換方式具有很多優(yōu)點，首先它可以直接產(chǎn)生合適的電壓，其次它不像靜電轉(zhuǎn)換那樣需要初始電壓?？傊?，隨著能源危機(jī)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(jìn)一步深入，將來會有越來越多的壓電發(fā)電產(chǎn)品得以應(yīng)用。 壓電打火機(jī)壓 電能量收集鞋（2）壓電能量收集鞋國外研究的壓電能量收