驻极体发电机的研究进展

查 勇

（浙江师范大学 工学院，浙江 金华 321004）

随着物联网时代的到来，被视作物联网信息收集节点的传感器也得到了极大的发展，传感器需要电池来维持自身长时间的工作，然而电池周期性的更换和充电极大地限制了传感器在物联网领域的海量应用，因此，将传感器所处的周围环境的能量转化成电能为传感器供能成为了近几年的研究热点。能够将外部机械能转化成电能的发电机可以大致分为电磁发电机、压电发电机、摩擦电式发电机与静电发电机。驻极体发电机作为静电发电机的一种，基本结构和平行板电容器类似，其发电原理是静电感应，可以将机械能转化成电能。

1 驻极体材料的研究及其制备方法

1.1 驻极体材料的发现以及分类

驻极体材料是驻极体发电机最关键的部分，它扮演着为驻极体发电机提供电荷的角色，驻极体的概念在19世纪被提出，1919年日本物理学家通过对巴西棕榈蜡进行热极化处理成功制备了世界上第一块人工驻极体，许多学者在驻极体材料制备、理论模型建立和实际应用等领域进行了大量研究。

过去驻极体都是用棕榈蜡类似的材料通过各种方法处理得到，而现代驻极体材料可分为有机材料和无机材料两大类。有机驻极体材料主要分为含氟聚合物和非氟聚合物，无机驻极体主要包括硅基氧化物和氧化铝等。由于无机驻极体材料和微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加工工艺相兼容，故在器件制备的微型化、集成化等方面具备较大的优势。虽然无机驻极体材料可以薄膜化并依托于柔性衬底可以具备一定的柔性和延展性，但由于无机材料本身不具备柔性，因此在柔性电子器件方面相较于有机驻材料不具有优势。

1.2 驻极体的制备

如今，已经有多种处理方法将电介质材料极化制成驻极体：最常见的是电荷注入法，这是实验室常用的制备驻极体的方法，其他方法还包括热极化法、光极化法、压力极化法、磁场极化法。

2 驻极体发电机的研究现状

驻极体发电机的基本结构如图1所示，驻极体发电机的基本结构和电容器结构类似，驻极体夹在两个电极间，距离驻极体较近的电极是基电极，距离较远的电极是对电极。驻极体发电机的基本原理是静电感应，因为驻极体表现出的持久极化特性，基电极和对电极感应出不同数量的电荷，将基电极和对电极连接，电子在电极之间流动从而产生电能。

图1 驻极体发电机的基本结构

按照驻极体发电机的发电方式，主要可以分为变面积式驻极体发电机和变间距式驻极体发电机，通过改变电极与驻极体之间的正对面积或距离，来改变电极内部感应电荷的数量，使电荷在电极之间移动。

2.1 变面积式

Tsutsumino在2006年提出的一种变面积式驻极体发电机模型，如图2所示。该模型由驻极板(驻极体和基电极)和对极板组成，对电极固定在对极板上，对极板固定在电磁振动床上，电磁振动床可以带动对极板在水平方向上做正弦振荡运动。利用表面电荷密度较高的含氟聚合物薄膜作为驻极体，在驻体表面电位为600 V、20 Hz的频率和1 mm的振幅下该模型的输出功率为6.4 μW。

图2 变面积式驻极体发电机

2.2 收集低频机械能的驻极体发电机

大多数基于驻极体的振动能量收集器都是在高频范围（＞20 Hz）内共振，因此无法在人体运动等超低频的场景中应用，2019年Kean Aw提出了一种利用软磁敏弹性体悬臂梁的收集低频机械能的驻极体发电机，如图3所示。在低频激励下，软磁敏弹性体悬臂梁与端部止动块发生碰撞并诱发其高频振动，驻极体能量收集器的对电极连接在端部止动块上，基底电极和驻极体连接在固定的基底上，随着端部止动块带动对电极振动，基底电极因此会产生电能，实验表明在4.0～8.2 Hz的工作频率范围内获得了40.23 μW的工作频率。

图3 收集低频机械能的驻极体发电机

2.3 超高工作频率带宽的驻极体发电机

传统的收集振动机械能的发电机具有一个问题，那就是机械能向电能的转换仅仅在唯一的共振窄带宽上有效，而通常环境中的振动分布在较宽的频率带上。为了解决这一局限性，Kai Tao提出了一种由基于能量收集的主系统和频率调谐的辅助子系统组成的驻极体发电机，实现了高的工作带宽，如图4所示。主系统是由两个平行硅板、塞子、垫片和驻极体膜组成，上电极位于上硅板，驻极体膜和对电极被安装在下硅板保持固定。子系统是三个彼此平行的螺旋硅弹簧，悬挂在上硅板并与上电极相连接。因为螺旋硅弹簧的冲击作用，驱动该能量收集系统第一共振峰向第二共振峰移动。实验结果显示，第一个频率峰值的3-dB带宽扩大到了60.4 Hz，这种结合多模态结构和冲击机制的驻极体发电机为实现高的工作频率带宽提供了方向。

图4 超高工作频率带宽的驻极体发电机

2.4 收集多方向机械能的驻极体发电机

以上基于一维单方向机械能的采集模式受到环境限制，因为现实中不具有长时间单一方向的外部激励。2010年Yang设计了可以收集平面内各个方向机械能的微型驻极体发电机结构，图5为其部分结构。该器件是在硅晶片中采用深硅刻蚀技术制备的，该结构在旋转时收集电能，实验结果表明在110 Hz和2.5 g的条件下，输出功率为0.35 μW。为了减少空气阻尼效应，样机通过有金属帽的方式进行包装后测试结果表明，谐振频率从110 Hz下降到63 Hz，在0.25 g加速度条件下的最大输出功率由0.35 μW变成0.39 μW。

图5 收集多方向机械能的驻极体发电机

2.5 基于双极性驻极体的驻极体发电机

上述结构都是只利用单极性的驻极体薄膜来达到发电的目的，在2017年Chen提出一种利用双极性驻极体的驻极体发电机模型，如图6所示。通过热压法和热电晕极化技术制备的柔性FEP/THV/FEP膜，这种膜可以呈现双极现象，即薄膜顶部和底部具有相反的极性。在此基础上，研制了一种独特的收集微振动机械能的双气隙振荡结构驻极体发电机，它的双气隙振荡结构，相当于两个可变电容器串联。当振荡引起驻极体薄膜和电极间的相对位移时，上电极和下电极上的电荷被重组，因此产生交流电，并将微振动机械能转化为电能，在频率为86 Hz的情况下，该驻极体发电机输出功率为14.14 μW。

图6 基于双极性驻极体的驻极体发电机

2.6 混合发电机

James E. West在2021年提出了一种压电和驻极体发电相结合的混合发电机如图7所示，将由PDMS、钛酸钡和碳纳米管组成的压电纳米复合材料作为压电层，FEP进行极化处理后具有负极性并作为驻极体材料，铝电极层为驻极体和压电层所共用。当力施加在装置的顶部按压时，压电层在金和铝电极层之间被压缩，压电层的压电响应在两个电极之间产生电位差，导致电子从金电极流向铝电极；聚苯乙烯泡沫塑料也被压缩，FEP驻极体更靠近铜电极，由于静电感应，铝电极从铜电极接收电子。当压力释放时，电子又从铝电极流向金电极和铜电极。实验结果表明，该混合发电机获得了8.8 μW cm-3的功率密度。

图7 压电与驻极体的混合发电机

3 结论与展望

驻极体是长期带电荷的电介质材料，可以在周围空间激发持久稳定的电场，以驻极体为核心建立的驻极体发电机，其基本结构为电容器结构，一对距离驻极体不同距离的电极以及驻极体材料组成，发电原理为静电感应原理，驻极体发电机的两种基本发电机理为变面积式和变间距式。由于物联网的发展和传感器的广泛应用，驻极体发电机在收集周围环境能量给传感器供电有着很大的前景。

为了收集周围存在的环境能量，科研人员通过结构设计利用驻极体发电机收集低频机械能，让发电机在较宽的频率带范围内能较为有效地收集机械能；通过加工制造让驻极体发电机收集多方向的能量；还有一些基于驻极体发电机的拓展应用，利用双极性驻极体来构建驻极体发电机，还利用驻极体发电和其他发电机制相结合制备出复合发电机，拓宽了驻极体发电机的应用。

驻极体发电机还有一些局限性，现有驻极体材料的表面电荷密度无法进一步提高，导致驻极体发电机的输出功率无法提升；在高温潮湿环境中，驻极体表面电荷易流失。