本文摘要：摩擦式能量采集器和电磁式能量采集器因其各自的材料优势和输入特点在振动机械能收集方面具备普遍的应用于。

摩擦式能量采集器和电磁式能量采集器因其各自的材料优势和输入特点在振动机械能收集方面具备普遍的应用于。然而生活中的振动多具备随机无序、方向多变的特点，收集某一特定方向的机械能不会使器件沿其他方向振动时效率大大降低，因此，研发一款可有效地收集多个方向振动机械能的能量采集器在创建自供能系统方面具备最重要意义。近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组明确提出了一种可收集平面内给定方向振动机械能的电磁摩擦复合式能量采集器。涉及研究成果以“Hybridgeneratorbasedonfreestandingmagnetasall-directionin-planeenergyharvesterandvibrationsensor”为题，公开发表于纳米科学技术领域最重要期刊NanoEnergy上，博士研究生陈学先为论文第一作者。

该复合式能量采集器使用弹簧相同的漂浮磁体作为滑块，并利用FPCB工艺制作了薄膜式具备八瓣结构的摩擦发电机电极和电磁线圈，其中给定比较的两个电极包含一个freestanding结构的摩擦发电机，因此使器件沿给定方向滑动时均可同时产生电磁和摩擦信号输入，提升机械能利用效率。此外，弹簧和磁体包含面内谐振系统，使器件在10Hz的低频振动范围内均可有效地的产生电信号输入。归功于电磁发电机输入电流大和摩擦发电机输入电压低的特点，在填充电池条件下，器件可在200s内较慢将20μF电容电池至7V。通过将器件相同到人体小腿或者自行车车轮上，该复合式能量采集器可有效地收集人体跑步时或自行车刹车时机械能并照亮40个LED，因此可作为自供能夜跑完灯或自行车刹车灯的能量收集装置。

此外，通过对4个freestanding结构摩擦发电机上的输入信号的更进一步分析，器件还可当作主动式方向传感器，对正弦式或脉冲式振动的方向展开辨识，在环境监测、自驱动传感系统和嵌入式等领域有普遍的应用于前景。图一：电磁摩擦填充发电机结构概览(a)器件结构示意图；(b)滑块内部结构示意图；(c)摩擦发电机八瓣电极结构；(d)器件结构照片；(e)器件内部结构照片。图二：填充发电机工作原理及建模分析(a)器件工作原理；(b，c)器件沿11’方向和11’、44’之间方向滑动时摩擦电极上建模电势产于；(d，e)器件沿11’方向和11’、44’之间方向滑动时四个freestanding结构摩擦发电机的输入；(f)电磁发电机的建模磁场强度产于；(g)当磁体从器件一端滑向另一端时电磁线圈中的磁通量变化。图三：填充发电机在正弦信号鼓舞下的输入性能(a)正弦信号鼓舞下降块运动示意图；(b，c)E11’摩擦发电机在正弦信号鼓舞下的电压和电流输入；(d-g)四个摩擦发电机在器件沿四个方向振动时的输入对比；(h，i)电磁发电机在在正弦信号鼓舞下的电压和电流输入；(j)电磁发电机在器件沿四个方向振动时的输入对比。

图四：复合式发电机的输出功率及电池能力（a-b）摩擦发电部分和电磁发电部分在有所不同阻抗下的输出功率；（c-d）填充发电机为电容电池时的电路框图和电池曲线。图五：复合式发电机对脉冲振动信号的方向辨识（a）脉冲振动下降块的运动示意图；（b）11’方向的脉冲振动下E11’电极的输入信号；(c-f)器件沿8个方向振动时四个摩擦发电机的输入信号；(g，h)差值法对振动方向展开辨别。图六：复合式发电机作为自驱动振动方向传感器和能量采集器的应用于展出（a-b）利用器件作为振动方向传感器构建打地鼠游戏；（c-f）当脚向8个方向移动时器件摩擦部分的电压输入信号；(h，i)将器件相同到人体小腿收集跑步机械能；(j)将器件相同到自行车车轮构建自驱动刹车灯。

针对生活中的机械能随机无序、方向多变的特点，利用弹簧和磁体包含谐振系统构建了可收集平面内给定方向振动机械能的电磁摩擦复合式能量采集器，通过合理的结构设计使器件的谐振频率减少，时器件在较低振动频率下有效地展开能量切换，融合电磁发电近于输入电流大和摩擦发电机输入电压低的特点，使器件的电池能力大大提高。此外，归功于摩擦发电部分类似的电极结构设计，器件可对8个方向的脉冲振动展开辨识，因此可作为自驱动振动方向传感器，展现出了在环境监测、自驱动传感系统、嵌入式等领域极大的应用于潜力。

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