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电子学院张晓升教授课题组在自驱动集成微系统领域取得重要进展

作者:刘盾 发布时间:2020-06-02 来源:刘盾

  近日,电子学院张晓升教授课题组在国际重要学术期刊《Nano Energy》(一区期刊,影响因子15.548)上发表了题为“Unidirectional-Current Triboelectric Nanogenerator Based on Periodical Lateral-Cantilevers”的论文。该工作基于周期性侧向悬臂梁的创新设计,提出了一种新型的具有单向电流输出特性的微纳能源器件(UC-TENG)。硕士生刘盾为论文第一作者,张晓升教授为论文通讯作者,足球计算器竞彩网为论文唯一作者单位。

  与传统摩擦纳米发电机(TENG)具有的交流输出特性不同,该工作创新的引入侧刷悬臂梁结构,并借助巧妙设计的导电网络和侧向悬臂梁的组合,将电荷的运动控制在单一方向上,从而形成单向电流。通过仿真和测试,系统研究了所提出的UC-TENG的工作机理,证明了该设计的输出波形具有均匀稳定的单向特性。此外,所制备UC-TENG还成功地应用于电容器和低功耗电子设备的直接、连续供电。这一创新改变了传统TENG的交流输出特性,实现了单向电流的输出,去除了TENG作为电源提供直流供电时所必需的整流环节,从而简化了传统TENG的电源管理电路;通过提高自供电微系统的集成度,更好地拓宽了TENG的实用价值。

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具有单向电流输出特性的微纳能源器件(UC-TENG)工作原理与实用展示

  环境能量收集是一种能有效解决微系统供电需求的方法,具有广阔的市场前景与研究价值。近年来,学者们基于压电、光电、电磁和热电效应等不同的工作机理,经开发出了多种获取环境能量的途径。而摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新兴的环境能量收集技术发展迅速,已经被证明是一种可靠的微纳能源。但TENG获取的是周期性的机械能,导致其具有固有的交流输出特性,需要先经过整流电路转换成单向电等处理,才能作为电源为直流负载供电。TENG的交流特性导致其无法直接为需要直流电的电子器件供电,极大的限制了其实际应用。而整流电路所带来的功耗会进一步影响TENG的输出性能,降低其供电能力和带负载能力。此外,由于整流电路的存在会导致TENG的系统更加复杂,集成化受阻,并限制了TENG的潜在应用,削弱了通过集成TENG以实现一体式自供电微系统的美好愿景。

  为了解决上述问题,张晓升教授课题组通过引入周期性侧向悬臂梁结构,将感应电荷控制在单一方向上进行移动,突破了传统 TENG 固有的交流输出特性,提出了一种新型的单向电流摩擦电动纳米发电机。UC-TENG可以将旋转机械能转化为能够直接使用的单向电,而不需要任何整流电路。该工作使TENG应用中的电源管理电路得到简化,同时可以减少整流模块引起的功率损耗,提高功率传输效率。通过将印制电路板(PCB)工艺引入到UC-TENG中,使该器件具有高可靠性和低成本的前景。通过仿真和实验,验证了UC-TENG原理的可靠性。所制备的装置可以直接为储能单元充电,仅需7.38 s即可将一个1 ?F的电容器充电到10?V,且装置的最大功率为15.68? mW/m2。此外,该工作还证明了所制备的UC-TENG可以无需任何整流电路,直接驱动商用电子产品(如温度计和计算器)。与传统的TENG相比,UC-TENG通过简化电源管理结构,增强了TENG的集成能力,形成一体化的自供电微系统,表现出了巨大的潜力,相信能够推动TENG在实际应用中产生重要的影响。

  中国竞彩网首页微波电路与微系统集成团队长期从事智能集成微系统方向的研究工作,现有成员12人,其中高级职称10人,国家级人才4人,承担参与国家级省部级等科研项目30余项,在柔性微纳电子系统、射频微波集成微系统等重要方向上取得了一系列研究成果。团队负责人张晓升教授是校“百人计划”入选者、博士生导师。主要研究领域是微电子机械系统(MEMS),在智能电路与集成微系统、面向物联网的穿戴式电子器件、微纳能源采集技术等多个重要前沿方向上开展了深入的研究工作,取得了一系列研究成果。近五年来,张晓升教授在国际著名学术刊物上共发表论文60余篇,其中影响因子大于12的一区期刊论文16篇,论文已被SCI他引1200+次(Google引用2000+次),其中ESI高被引论文2篇;申请发明专利30余项(授权22项),出版英文专著2本。入选IEEE Transactions on Nanotechnology编委会任Associate Editor,任TRANSDUCERS 2019、IEEE NEMS 2017-2020技术委员会委员及分会主席。累计获得中国电子学会优秀博士学位论文等荣誉奖励20余项。受邀担任Nature Communications, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Nano Energy等多个国际重要学术期刊的审稿人。


  论文链接:

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552030327X