王中林ACS Nano：基于液態金屬摩擦納米發電機的加速度傳感器

【引言】

加速度傳感器廣泛存在于我們的日常生活以及生產中，并且起著不可或缺的作用。目前的加速度傳感器主要分為壓電式、電容式以及壓阻式。壓電式加速度度傳感器輸出信號較小，容易受到環境的干擾，電容式以及壓阻式加速度傳感器均需要額外的電源來供電，限制了其應用。設計一個同時具有自驅動性能以及大的輸出信號的加速度傳感器勢在必行。

【成果簡介】

近日，來自西南交通大學的楊維清教授和佐治亞理工學院的王中林教授（共同通訊作者）的課題組在ACS Nano上發表了題為Self-powered Acceleration Sensor Based on Liquid Metal Triboelectric Nanogenerator for Vibration Monitoring的文章，介紹了他們在自驅動加速度傳感器上取得的新進展。他們設計了一種基于液態金屬摩擦納米發電機的自驅動加速度傳感器，該傳感器主要由液態金屬以及納米纖維薄膜組成。應用聚合物納米纖維結構可以顯著提高加速度傳感器的輸出性能，該加速度傳感器的量程達到0-60 m/s²，其靈敏度高達0.26 V·s/m²，當加速度為60 m/s²時，該加速度傳感器可以產生15.5 V的電壓以及300 nA的電流。使用液態金屬則賦予了該加速度傳感器優異的耐久性能，在連續測試200 000周期后，傳感器的輸出電壓基本沒有變化。該加速度傳感器在振動監測、分析以及可穿戴設備中具有極高的應用潛質。

【圖文導讀】

圖1?基于液態金屬摩擦納米發電機自驅動加速度傳感器的結構設計

a. 傳感器的基本結構

b. PVDF薄膜的實物圖

c. PVDF納米纖維SEM圖

d. 傳感器的實物圖

圖2?基于液態金屬摩擦納米發電機自驅動加速度傳感器的工作原理

a. 摩擦起電過程中的電荷分布示意圖

b. 摩擦起電過程中電極電勢分布的數值計算，使用的是COMSOL物理場仿真模塊軟件

c. 靜電感應過程中的電荷分布示意圖

d. 靜電感應過程中電極電勢分布的數值計算，使用的是COMSOL物理場仿真模塊軟件

圖3?基于液態金屬摩擦納米發電機自驅動加速度傳感器的性能測試

a, b. 不同加速度下不同體積液態金屬的加速度傳感器的短路電流以及開路電壓測試

c, d. 不同加速度下液態金屬與半球坑體積比為0.25: 1時的短路電流以及開路電壓測試

e, f. 加速度為20 m/s²，體積比為0.25: 1時傳感器的短路電流以及開路電壓測試

g, h, i. 在一個振動周期內加速度傳感器的短路電流測試以及工作原理分析

圖4?基于液態金屬摩擦納米發電機自驅動加速度傳感器的實際應用

a. 自驅動加速度傳感器在汽車發動機振動監測的應用

b. 自驅動加速度傳感器在機械設備振動監測的應用

c. 自驅動加速度傳感器在桌面微弱振動監測的應用

d. 自驅動加速度傳感器在人體運動監測的應用

e. 行走狀態下加速度傳感器的開路電壓測試以及人體步態分析

f. 跑步狀態下加速度傳感器的開路電壓測試以及人體步態分析

【小結】

這種基于液態金屬摩擦納米發電機的自驅動加速度傳感器擁有較大的測試量程以及極高的靈敏度。在使用液態金屬以后，該加速度傳感器擁有了極高的耐久性以及穩定性。該加速度傳感器為液態金屬摩擦納米發電機的設計提供了新的思路，在振動監測以及可穿戴設備中具有良好的應用潛質。

原文鏈接：Self-powered Acceleration Sensor Based on Liquid Metal Triboelectric Nanogenerator for Vibration Monitoring (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03818)

本文由西南交通大學楊維清老師組張彬彬同學投稿（點我查看課題組簡介），材料人新能源組 深海萬里 編輯整理。

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