【摘要】：近年來,各種可穿戴電子設(shè)備有了迅猛的發(fā)展,要求與之配套的供能器件具有柔性、可彎曲、性能穩(wěn)定、能夠適應(yīng)人體的運動狀況、易于集成等特點。傳統(tǒng)化學(xué)能電池質(zhì)地堅硬、壽命有限、環(huán)境污染嚴重,不適合柔性電子設(shè)備配套電源的發(fā)展趨勢。基于摩擦起電與靜電感應(yīng)的耦合原理,摩擦納米發(fā)電機可以收集環(huán)境中存在的各種形式的能量,具有靈活的結(jié)構(gòu)、較好的環(huán)境適應(yīng)性、較大的輸出性能,在能源采集領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。人體日常運動中存在各種不同形式的運動能量,包括行走、跑步、拍打等,如果能將人體運動的能量采集轉(zhuǎn)化為電能,可滿足部分可穿戴電子設(shè)備的能耗需求,為此,通過摩擦納米發(fā)電機轉(zhuǎn)化低頻、不同幅度的人體運動能量為電能,是解決可穿戴電子設(shè)備供能問題,構(gòu)建自驅(qū)動傳感器件進行人體運動信號監(jiān)測、健康信號監(jiān)測的有效且環(huán)保的途徑。本論文針對可穿戴電子設(shè)備的能源供給及人體運動狀態(tài)監(jiān)測的實際應(yīng)用需求,研究了提高摩擦納米發(fā)電機輸出性能的因素;設(shè)計和構(gòu)建了能夠進行人體運動能量采集及運動次數(shù)統(tǒng)計的基于織物結(jié)構(gòu)的柔性摩擦納米發(fā)電機;設(shè)計和構(gòu)建了能夠進行人體運動能量采集及運動狀態(tài)傳感的基于核-殼同軸式結(jié)構(gòu)的柔性摩擦納米發(fā)電機。全文的具體研究要點如下:1、以摩擦納米發(fā)電機電容模型理論為基礎(chǔ),探討提高摩擦納米發(fā)電機輸出性能的途徑。制備了添加高介電常數(shù)鈦酸鋇(BaTiO_3)納米顆粒的復(fù)合納米聚合物薄膜,從材料介電性能改性角度提高了摩擦納米發(fā)電機的輸出性能;制備了添加發(fā)泡微球顆粒的孔穴結(jié)構(gòu)薄膜,從有效介電層厚度減小的角度提高了摩擦納米發(fā)電機的輸出性能。2、針對人體運動能量采集的特殊應(yīng)用需求,采用“平織法”制備工藝,制備了重量輕、穩(wěn)定性好、高輸出性能、生物兼容性好、可穿戴的基于織物結(jié)構(gòu)的柔性摩擦納米發(fā)電機。為了進一步提高摩擦納米發(fā)電機的輸出性能,制備了基于織物結(jié)構(gòu)的層疊式摩擦納米發(fā)電機,當(dāng)其采集人體手掌拍打運動能量時,可以獲得160μA的輸出短路電流及600V的開路電壓。將制備的基于織物結(jié)構(gòu)的層疊式摩擦納米發(fā)電機放置于肘部、腋下、膝蓋內(nèi)側(cè)以及腳底等人體部位,通過走路、跑步、拍打等人體運動,其輸出能量能夠驅(qū)動100盞串聯(lián)的LED燈、比賽計時器、數(shù)字時鐘、計算器實時工作,展示了其在自供能照明裝置、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。通過摩擦納米發(fā)電機采集人體運動信號,經(jīng)過整流、放大、計數(shù)、顯示后,可以實時顯示人體運動的次數(shù),實現(xiàn)運動監(jiān)視設(shè)備功能。3、采用自制的柔性電極材料與室溫硫化硅膠材料,制備了氣囊型的基于核-殼同軸式結(jié)構(gòu)的柔性摩擦納米發(fā)電機,制備的摩擦納米發(fā)電機具有良好的柔韌性、輕重量、持久性與生物兼容性,能夠采集按壓、彎曲、扭曲等不同形式的運動能量。能夠獲取來自于與軸向垂直的不同方位的能量或信息,適應(yīng)于靈活的身體運動情況。按照電流倍增特性,可以根據(jù)應(yīng)用場合的供能需求,選擇不同數(shù)目的基于核-殼同軸式結(jié)構(gòu)的柔性摩擦納米發(fā)電機與衣服集成,提高能量利用率。基于核-殼同軸式結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機具有獨特的氣囊式結(jié)構(gòu),使得器件具備極其靈敏的感應(yīng)能力,根據(jù)其在不同彎曲、扭曲角度的輸出信號,可以實現(xiàn)彎曲、扭曲角度傳感的功能,進而可以檢測身體關(guān)節(jié)運動的彎曲角度,為運動狀態(tài)監(jiān)測或身體康復(fù)訓(xùn)練提供指導(dǎo)作用。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM31
【圖文】：

中北大學(xué)學(xué)位論文可穿戴電子設(shè)備的營銷市場呈現(xiàn)井噴式增長，已經(jīng)應(yīng)用于包括航空、醫(yī)療、軍事銀行、商場購物等各領(lǐng)域。據(jù) Gartner 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(圖 1.1)，2016 年，全球包括藍牙耳機在內(nèi)的可穿戴電子設(shè)備出貨量為 26588 萬臺。預(yù)計到 2021 年，全球?qū)鄢鼋?5.05 億臺可穿戴電子設(shè)備，其中，智能手表是最具潛力的可穿戴電子設(shè)備之一，銷售量將接近8100 萬支，占可穿戴電子設(shè)備銷售量總數(shù)的 16%。

圖 1.1 Gartner：2015-2021 年全球可穿戴電子設(shè)備出貨量預(yù)測(單位：百萬臺)據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018-2023 年中國可穿戴產(chǎn)業(yè)市場前景及投資機會研究報告》數(shù)據(jù)顯示(圖 1.2)，2017 年，中國智能可穿戴市場規(guī)模達到 352.6 億元，增長率達到 35.7%。隨著可穿戴行業(yè)技術(shù)的逐步成熟、產(chǎn)業(yè)的推廣普及，預(yù)計 2018 年中國可穿戴市場將會進一步擴大，市場規(guī)模預(yù)期達到 446.0 億元，增長率為 26.5%。

中北大學(xué)學(xué)位論文.1 壓電納米發(fā)電機最早的壓電納米發(fā)電機工作機理如圖 1.4 所示。豎直生長的氧化鋅納米線一端于金屬電極，另一端在驅(qū)動電極的作用下會產(chǎn)生形變。氧化鋅納米線的兩端會效應(yīng)產(chǎn)生正、負電荷，具有整流作用的肖特基勢壘會在金屬-半導(dǎo)體邊界形成氧化鋅納米線中暫時儲存電能。通過肖特基勢壘整流后，利用原子力顯微鏡可信號。設(shè)計的壓電納米發(fā)電機實現(xiàn)了納米尺度的發(fā)電功能，奠定了自供能納米要理論基礎(chǔ)[11]。

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本文編號：2784304