基于氧化锌纳米材料的传感器自供电技术研究

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1、基于氧化锌纳米材料的传感器自供电技术研究一、概念阐述及研究意义1.1概念阐述微纳系统的发展以及它们在原位人体健康的实时监测、基础设施的监测、环境监测、物联网以及军事技术上的应用，传统的利用蓄电池来提供电源的方法将不能满足或不能适应传感器网络的工作环境和要求。在未来不久，微纳系统的尺寸越来越小，将来限制整个系统大小的是电源而不是其他器件，将来实现全方位的监测所用到的微纳系统的数目和密度相当之浩大，而且这些系统是可移动的，利用更换电池的方案可能是不实际的或者不可取的。因此，有了自驱动的概念，其根本是利用环境中收集的能量，通过能量转换来驱动这些微纳系统，实现功率自给[1]。通过ZnO纳

2、米线可以解决微小的无线传感器的供电问题，可以实现传感网络的广泛分布，传感器的微小化发展。1.2自供电技术分类及概述传统的自供电技术包括有：太阳能供电，但这种供电方式有一定的局限性，在无光照或光照条件不好时，会影响供电效果，因此，在一些例如隧道，丛林等环境的使用受到了限制。热能供电，利用温度差实现热能的收集，但当传感器与工作的环境的温度差很小时，就无法实现供电。机械能供电，包括磁电转换方式和压电转换方式。磁电转换方式是通过线圈切割磁力线产生电能的，但是转换装置的体积通常较大，不利于传感器的微小化发展。此外，弱磁场激励下，具有单个磁电复合单元的换能器输出微弱，作为储能用的超级电容器电

3、压很低，无法直接对无线传感器供电[2]。压电转换方式是利用压电材料的压电效应，压电材料的机械形变会在其表面产生电荷，而产生的电荷量的多少取决于电压材料的特性。ZnO纳米线是一种比较理想的压电材料，纤锌矿结构的ZnO晶体以四面体结构为基础构成，它具有六方对称性，是由两类原子各自组成六方排列的双原子层堆积而成，其晶体结构如图1.1所示。ZnO晶体具有非中心对称的四面体结构，这种结构使ZnO具有良好的压电特性。ZnO还具有较大的机电耦合系数，并且压电性能稳定，价格低廉，是一种良好的压电执行器[3]33。ZnO纳米线结构如图1.2所示。压电转换结构简单，体积较小，转换电压高。具有长寿命、

4、无污染和免维护等优点[4]。图1.1纤锌矿结构ZnO的晶体结构图1.2ZnO纳米线形状ZnO纳米线是放射状的附着在用水热法制备的凯尔拉夫129纤维周围的。像是生长的ZnO纳米线而后通过镀上TEOS膜的化学方法使彼此粘在纤维表面。双纤维纳米发电机通过和周围是镀金膜纳米线的镀膜的生长的纳米线相缠绕而组合在一起的。通过固定一条纤维的两端，前后滑动另一条纤维的方法，由于耦合半导体压电性能，在两条纤维之间相对的运动过程中产生了输出电流。当两条纤维表面产生滑动时，短暂的回路电流和开路电压就被记录了下来[5]。有研究表明，当三层基于竖直氧化锌纳米线阵列的交流发电机相互串联连接时，输入电压达到了

5、0.243V；三层相互并联连接时，输入电流密度提高到了18nA/cm2。与此同时，运用低温水热分解的方法，通过巧妙的实验设计和组装，成功地在一般的柔性基底上合成出了700余列生长方向和晶格取向都完全排列的水平氧化锌纳米线阵列。这些水平纳米线相互串并联连接在一起，在仅仅0.19%的慢性形变下，将输出电压提高到了1.26V。这一突破性进展将极大地推动纳米发电机在纳米科技领域的实际应用[1]。331.3发展意义及应用前景纳米发电机在生物医学、环境监测、无线通信、无线传感器、军事甚至到个人携带式电子产品等方面都将有广泛的重要应用。纳米氧化锌器件是一种新型的自供能量的纳米器件，它运用独特的

6、方式，可以从人体或外界环境中收集能量提供给纳米器件和系统。它可以有效地将机械运动能（如人体的运动、肌肉的伸缩、血压的变化等），振动能（如声波或超声波等）以及水压能（如人体内体液或血液的流动、血管的收缩与舒张、甚至是自然界其他任何液体的流动）转换成电能提供给纳米器件。这一纳米发电机为实现自供能、无线纳米器件和纳米机器人奠定了理论与实际操作的基础。总的来说，纳米氧化锌器件的问世为实现集成纳米器件，实现真正意义上的纳米系统打下了技术基础。它是开发具有自供能技术的新型同步内置生物传感器和生物医药监控、生物活体探测的基础。同时它为实现遥控的和无线的力/压传感器和声纳探测器提供了原理型的技术

7、。我们期待纳米发电机未来将在生物医学、国防和日常生活中的广阔应用。33二、国内外研究现状2.1国内外传感器自供电技术发展案例随着信息及电子技术的飞速发展，已有大量的无线传感器产品问世，但无线传感器的供能问题仍然是个有待解决的热门研究课题，现有的无线传感器依然采用电池供电的传统供能方式，而传统供能方式存在寿命短、需要经常更换等缺点。为克服传统供能的缺点，人们发现从环境中直接获取能量、供能是一种很好的替代方法。振动在环境中无处不在，与其他能量收集方式相比应用范围更广泛。因此对利用振动