重庆大学余华教授Nano Energy：一种适用于智能自供电无线传感系统的兼具能量收集和信号传感功能的摩擦纳米发电机

【引言】 

 众所周知，以物联网（IoT）为代表的无线传感网络，近年来得到了迅速的发展。通过广泛分布的传感器，人们可以使物理世界的数字和信息更加容易获取。其中，无线传感器网络包含了数十亿个分散的传感器，可以帮助人们实时监测周围环境和人体状况。然而，随着无线传感器节点数量的迅速增加，传感器的电力供应面临着日益严峻的挑战，对合适的可持续能源的需求不断增加。由于传统电池的使用寿命短，其长期使用性受到限制，大大降低了网络节点的可维护性。因此，从环境中收集能量为无线传感器节点供电已被认为是一种有希望且可持续的解决方案，这种方案可用于辅助供电或者直接取代电池。在各种能量收集方法中，基于麦克斯韦位移电流的摩擦纳米发电机（TENG）被认为是在自然环境中收集各种类型的机械能的有效方法，其优势在于易于制造，成本低，重量轻，构成材料和结构的选择丰富以及在低频范围内具有更高的能量转换效率等。在现有的一些报道中，TENG可以从人类运动、风力、水力中收集能量，并可用于供应一系列电子设备。同时在另一些报道中，TENG被用作主动传感器，可以将如加速，声音，气体类型，生物监测等外部信息转换为电信号。但尚未见报道单个TENG器件可以在同一个感测系统中同时收集能量和传感信息。

近日，重庆大学余华教授（通讯作者）提出了一种解耦和提取信号以及能量的新方法，在单个TENG器件中，通过从旋转摩擦纳米发电机（R-TENG）中同时提取能量和捕获信号来实现能量收集和信号传感，从而实现了一个真正的自供电传感系统。根据摩擦原理，设计的R-TENG发电组件由两种极性相反的不同摩擦材料组成。其中，R-TENG是基于标准工业印刷电路板（PCB）技术制造的，可以将旋转的机械能或风能转化为电能，输出与转速正相关的电信号以监测转速或风速。同时建立了由电源管理系统、信号处理系统、定时器、微控制器和无线发射器件组成的电路系统。此外，对R-TENG的能量收集输出性能进行了评估，并详细研究了该系统的传感性能，验证了该测量系统的可行性。作为一种潜在的应用，报告的自供电传感系统展示了能够无需外接电源监控风速的功能。相关研究成果以“Simultaneous Energy Harvesting and Signal Sensing From a Single Triboelectric Nanogenerator for Intelligent Self-Powered Wireless Sensing Systems”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图一、在单个TENG装置中实现能量收集和信号传感

（a）TENG作为能量收集和传感器的系统框架；

（b）TENG整流电路中各端口的电压；

（c）带有风扇的R-TENG用来从风中获取能量和测试风速。

图二、R-TENG的结构和工作原理

（a）R-TENG的结构示意图；

（b）R-TENG的工作原理示意图；

（c）使用COMSOL多物理场仿真分析软件模拟的R-TENG摩擦电势差变化；

（d）R-TENG运行期间的电压波形；

（e）R-TENG电压波形细节；

图三、R-TENG电学测量结果

（a）转速为300 rpm-1800 rpm的开路电压(V_OC)；

（b-d）转速为300 rpm-1800 rpm时，R-TENG的平均电流、平均电压和平均功率；

（e）R-TENG在不同的转速下通过全桥整流给一个100 μF电容器充电到5V；

（f）不同转速下峰值V_OC和峰值I_SC；

（g）R-TENG在不同转速下输出的信号频率（50rpm-2000rpm）。

图四、同时从单个R-TENG中收集能量和信号的电路原理框图和实验结果

（a）电源管理系统结合信号处理电路的结构框图；

（b）系统工作状态图；

（c）电源管理系统的电能从C_temp循环传递到C_out的实验结果；

（d）信号处理的实验结果。

图五、以R-TENG为能量收集和传感器的自供电风速测量演示系统的设计与测试

（a，b）自动风速测量系统框图和照片；

（c）R-TENG采集风能和感应风速信号的电路PCB照片；

（d）显示接收板接收无线测量节点传输的信号并显示转速和风速的照片；

（e）随着风速的变化R-TENG的输出电压；

（f）R-TENG在不同风速下的输出信号频率。

【小结】

总之，本文提出了一种能够从单一R-TENG器件中同时收集能量和提取信号的方法，并且实验演示了在一个TENG器件中实现了能量和传感信号的收集功能。这种新方法使利用单一的R-TENG器件将旋转产生的机械能转化为电能进一步为整个传感系统供电并同时传感转速信号的方案成为可能，并且测量系统达到了较高的线性度、实现了低成本、免于外部供电。此外，R-TENG是基于工业PCB技术设计和制造的，这一点使得器件可以与电源管理电路集成在一起来进一步简化工艺。制作的R-TENG器件具有很高的输出功率，在300 rpm下平均功率值为44.4 μW。在经过优化的电路设计后，成功地演示了基于R-TENG的自供能转速测量无线传感节点和风速测试无线传感节点，该节点可以采集旋转能量并监控转速/风速，然后将其发送到无线接收器用于显示和分析。

文献链接：“Simultaneous Energy Harvesting and Signal Sensing From a Single Triboelectric Nanogenerator for Intelligent Self-Powered Wireless Sensing Systems”(Nano Energy，2020，10.1016/j.nanoen.2020.104813)

本文由CYM编译供稿。

作者中文名：卢山，高玲肖，陈鑫，童大桥，雷文骞，袁鹏飞，牟笑静，余华 

• 团队介绍

余华教授课题组所在实验室为新型微纳器件与系统技术GF重点学科实验室、微纳系统与新材料技术国家级国际联合研究中心、仪器仪表传感器与测量系统国家地方联合工程研究中心、重庆市微光机电工程技术研究中心，实验室属于光学、机械、电子、信息工程、生物化学等多学科的综合性交叉研究中心，是国内涉足微机电系统（MEMS）研究领域最早的单位之一，也是重庆大学“211”和“985”工程重点学科建设平台之一。余华教授课题组现有老师、博士生、硕士生20余人，主要研究领域：MEMS、纳米能源、物联网与大数据、新型光电子器件、专用集成电路(ASIC)设计等领域。

• 团队在该领域工作汇总

近年来先后主持完成了国家重点研发计划课题、ZF预研重点基金项目、国家支撑计划项目、ZF预研基金项目、国家自然科学基金面上项目、重庆市重点产业研发重大专项项目、重庆市自然科学基金面上项目及多项企业合作课题，作为主研人员完成了“973”项目、国家自然科学基金重点项目等。在Advanced Energy Material、Nano Energy、电子学报等刊物上公开发表论文70余篇，获权发明专利5项，出版著作2本，获重庆市教学成果一等奖1项。

（3）近年来相关领域主要文献

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[2] S. Lu, L. Gao, X. Chen, D. Tong, W. Lei, P. Yuan, X. Mu, H. Yu, Simultaneous energy harvesting and signal sensing from a single triboelectric nanogenerator for intelligent self-powered wireless sensing systems. Nano Energy (2020) 104813. 1 10.1016/j.nanoen.2020.104813

[3] L. Gao, S. Lu, W. Xie, X. Chen, L. Wu, T. Wang, A. Wang, C. Yue, D. Tong, W. Lei, H. Yu, X. He, X. Mu, Z.L. Wang, Y. Yang, A self-powered and self-functional tracking system based on triboelectric-electromagnetic hybridized blue energy harvesting module. Nano Energy. 72 ((2020) 104684. 10.1016/j.nanoen.2020.104684

[5] H. Yu, Q. Yue, J. Zhou, W. Wang, A hybrid indoor ambient light and vibration energy harvester for wireless sensor nodes. Sensors-Basel. 14 (5) (2014) 8740-8755. 10.3390/s140508740

[6] H. Yu, J. Zhou, L. Deng, Z. Wen, A vibration-based mems piezoelectric energy harvester and power conditioning circuit. Sensors-Basel. 14 (2) (2014) 3323-3341. 10.3390/s140203323

[7] Shi, Yuan, Huang, Luo, Lu, Yu, Yue, Bias controller of mach–zehnder modulator for electro-optic analog-to-digital converter. Micromachines-Basel. 10 (12) (2019) 800. 1 10.3390/mi10120800

[8] S. Shi, Q. Yue, Z. Zhang, J. Yuan, J. Zhou, X. Zhang, S. Lu, X. Luo, C. Shi, H. Yu, A self-powered engine health monitoring system based on l-shaped wideband piezoelectric energy harvester. Micromachines (Basel). 9 (12) (2018). 10.3390/mi9120629

[9] Y. Hu, Q. Yue, S. Lu, D. Yang, S. Shi, X. Zhang, H. Yu, An adaptable interface conditioning circuit based on triboelectric nanogenerators for self-powered sensors. Micromachines-Basel. 9 (3) (2018) 105. 10.3390/mi9030105

[10] C. Shi, J. Yuan, X. Luo, S. Shi, S. Lu, P. Yuan, W. Xu, Z. Chen, H. Yu, Transmission characteristics of multi-structure bandgap for lithium niobate integrated photonic crystal and waveguide. Opt. Commun. (2020) 125222. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.125222

[11] H. Yu, J. Zhou, X. Yi, H. Wu, W. Wang, A hybrid micro vibration energy harvester with power management circuit. Microelectron. Eng. 131 ((2015) 36-42. 10.1016/j.mee.2014.10.008