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基于电荷泵和微开关增强的旋转摩擦纳米发电机无线自供能金属传感系统
| 论文题名： | 基于电荷泵和微开关增强的旋转摩擦纳米发电机无线自供能金属传感系统 |
| 关键词： | 摩擦纳米发电机;电荷泵策略;无线传输;自供能传感器;谐振电路 |
| 摘要： | 随着电子设备的发展呈现出小型化，可穿戴，以及便携化的趋势，使得物联网技术更贴近人们的生活。但如何为其终端的亿万数量级别的传感器提供可持续的，分布式电源是目前需要解决的一大难题。利用周围环境转换能量被认为是最有前途的方法，以提高传感设备在不同场景的生存能力。其中摩擦纳米发电机，作为低频下的机械能收集装置，显示出巨大的应用前景。 然而摩擦纳米发电机的输出性能由摩擦材料的表面电荷密度决定，因此人们常采用化学刻蚀，离子注入，光刻等方法增加其有效表面面积和电荷密度。但这些方法造价昂贵，技术复杂，成为限制其发展的因素之一。同时由于摩擦纳米发电机固有的电容属性，会存在较高的输出阻抗。在自供能传感应用中，常需要通过整流器和储能元件先进行储能，再为传感系统供电。多次能量转换使得摩擦纳米发电机的整体效率极低，且会丢失大量传感数据。 为解决上述问题，本文的研究内容如下： (1)提出电荷泵和微开关相结合的方法，用以提升旋转摩擦纳米发电机的性能。经测试，在200rpm工作频率和40%的湿度下，瞬态的输出电压由50V提高到400V，提高约8倍；转移电荷量由6.8nC提高到17.2nC，提高约2.5倍；最大负载功率由0.15mW提高到2.72W，提高约18000倍；对应最佳匹配负载由50兆欧降到20千欧，减少约2500倍。 (2)结合电涡流效应和LC谐振电路，设计了一款基于摩擦纳米发电机的自供能谐振型传感系统。相对于传统的自供能传感电路，由于整个系统没有电源管理电路，不需要长时间的能量转换，可以实现快速地金属检测。该传感系统的采样周期仅需0.2秒，可以有效地区分高度差落在25mm内的金属产品，灵敏度达14000Hz/mm。 (3)利用该谐振型传感器，搭建了一款自供能的工厂流水线无线监测系统。该系统使用激光作为无线发射装置，光电探测器进行接收，其中无线传输距离高达2米。 |
| 作者： | 廖子宇 |
| 专业： | 电子科学与技术 |
| 导师： | 骆季奎 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 杭州电子科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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