王中林ACS Nano：基于液态金属摩擦纳米发电机的加速度传感器

【引言】

加速度传感器广泛存在于我们的日常生活以及生产中，并且起着不可或缺的作用。目前的加速度传感器主要分为压电式、电容式以及压阻式。压电式加速度度传感器输出信号较小，容易受到环境的干扰，电容式以及压阻式加速度传感器均需要额外的电源来供电，限制了其应用。设计一个同时具有自驱动性能以及大的输出信号的加速度传感器势在必行。

【成果简介】

近日，来自西南交通大学的杨维清教授和佐治亚理工学院的王中林教授（共同通讯作者）的课题组在ACS Nano上发表了题为Self-powered Acceleration Sensor Based on Liquid Metal Triboelectric Nanogenerator for Vibration Monitoring的文章，介绍了他们在自驱动加速度传感器上取得的新进展。他们设计了一种基于液态金属摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，该传感器主要由液态金属以及纳米纤维薄膜组成。应用聚合物纳米纤维结构可以显著提高加速度传感器的输出性能，该加速度传感器的量程达到0-60 m/s²，其灵敏度高达0.26 V·s/m²，当加速度为60 m/s²时，该加速度传感器可以产生15.5 V的电压以及300 nA的电流。使用液态金属则赋予了该加速度传感器优异的耐久性能，在连续测试200 000周期后，传感器的输出电压基本没有变化。该加速度传感器在振动监测、分析以及可穿戴设备中具有极高的应用潜质。

【图文导读】

图1 基于液态金属摩擦纳米发电机自驱动加速度传感器的结构设计

a. 传感器的基本结构

b. PVDF薄膜的实物图

c. PVDF纳米纤维SEM图

d. 传感器的实物图

图2 基于液态金属摩擦纳米发电机自驱动加速度传感器的工作原理

a. 摩擦起电过程中的电荷分布示意图

b. 摩擦起电过程中电极电势分布的数值计算，使用的是COMSOL物理场仿真模块软件

c. 静电感应过程中的电荷分布示意图

d. 静电感应过程中电极电势分布的数值计算，使用的是COMSOL物理场仿真模块软件

图3 基于液态金属摩擦纳米发电机自驱动加速度传感器的性能测试

a, b. 不同加速度下不同体积液态金属的加速度传感器的短路电流以及开路电压测试

c, d. 不同加速度下液态金属与半球坑体积比为0.25: 1时的短路电流以及开路电压测试

e, f. 加速度为20 m/s²，体积比为0.25: 1时传感器的短路电流以及开路电压测试

g, h, i. 在一个振动周期内加速度传感器的短路电流测试以及工作原理分析

图4 基于液态金属摩擦纳米发电机自驱动加速度传感器的实际应用

a. 自驱动加速度传感器在汽车发动机振动监测的应用

b. 自驱动加速度传感器在机械设备振动监测的应用

c. 自驱动加速度传感器在桌面微弱振动监测的应用

d. 自驱动加速度传感器在人体运动监测的应用

e. 行走状态下加速度传感器的开路电压测试以及人体步态分析

f. 跑步状态下加速度传感器的开路电压测试以及人体步态分析

【小结】

这种基于液态金属摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器拥有较大的测试量程以及极高的灵敏度。在使用液态金属以后，该加速度传感器拥有了极高的耐久性以及稳定性。该加速度传感器为液态金属摩擦纳米发电机的设计提供了新的思路，在振动监测以及可穿戴设备中具有良好的应用潜质。

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

本文由西南交通大学杨维清老师组张彬彬同学投稿（点我查看课题组简介），材料人新能源组 深海万里 编辑整理。

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