中科院北京纳能所王中林/李丁AMT：基于栅格结构独立层式摩擦纳米发电机的自驱动实时加速度传感

创新点：广西大学与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士/李丁团队合作提出了一种基于栅格结构的摩擦纳米发电机（GF-TENG）的加速度传感器，能够在低至百微米的尺度上实时感知位移、速度和加速度。通过将弹簧和GF-TENG组装成GTAS，可以将加速度感应范围扩大到所需的范围，该传感器可用于车辆约束系统以保护乘客。

关键词：Advanced Materials Technologies，摩擦纳米发电机，自驱动电子器件，加速度传感器

加速度传感器在地震预警、人体运动识别、睡眠监测、振动测试和车辆监测等方面有着广泛的应用。加速度传感器在车辆约束系统中也发挥着重要作用，它可以检测到碰撞的方向和位置并开启安全气囊保护乘客。一般来说，现有的商用加速度传感器根据其物理原理主要分为电容式、压阻式和压电式等类别。电容式和压阻式加速度传感器需要外部电源来操作，这可能会阻碍它们在物联网中的应用，并且会因为更换电池而消耗额外的能量。压电式加速度传感器是自驱动的，其输出信号很小，这可能使其容易受到环境噪声的影响。因此，希望有一个具有足够大的输出的自驱动加速传感器（在0-10V范围内，不需要放大电路）。近年来，基于TENG的加速度传感器以其自驱动及拥有较大的电压信号的特性受到了较多的关注。随着研究人员的研究，基于TENG的加速度传感器的尺寸正在逐渐减小，测量范围也越来越大。然而，这些加速度传感器不能实时感知加速度随时间的变化。虽然有的基于TENG的加速度传感器尺寸很小，但其信号输出也很小。并且在实际应用中，对于车辆的侧面碰撞传感系统，需要6-13毫秒来确定碰撞情况，而对于正面碰撞传感系统则需要15-25毫秒。基于TENG的自驱动加速度传感器的响应时间还需要减少以满足这一要求。

广西大学与中科院北京纳米能源与系统研究所针对这些问题设计了一种基于栅格结构TENG的自驱动加速度传感器，能够实时感知位移、速度和加速度。GF-TENG由一个包含一组平行电极的滑块和一个包含两组平行电极的定子组成，滑块的滑动由于静电感应而产生周期性的开路电压。通过计算开路电压信号的周期、每个半周期之间的时间间隔和时间间隔的趋势来识别开路电压的形状。其原理不同于以往TENG电压大小的传感原理，避免了环境变化的影响，如湿度、温度、环境干扰等。通过对电极宽度和间隙的系统的仿真模拟和实验，找到了GF-TENG的优化值。它可以实时感知位移、速度和加速度，甚至在低至百微米的尺度上。此外，通过将弹簧和GF-TENG组装成栅格结构独立层式摩擦纳米发电机的加速度传感器（GTAS），可以将加速度感应范围扩大到所需范围。GTAS通过使用弹簧和铁块作为两个方向的开路电压信号的开关来识别加速度的方向。此外，我们展示了GTAS用于感知车辆运动的能力，以及它在模型车的车辆约束系统中的应用。在未来，GF-TENG的传感精度和分辨率可以通过PCB的处理能力和精度进一步提高。而且，GTAS可以被做成一个三维加速度传感器，并有更多的应用领域，如机器人和人类运动识别。相关结果发表在Advanced Materials Technologies上。

广西大学硕士研究生刘宇锋为该文的第一作者，李丁副研究员和王中林院士为该文的通讯作者。

WILEY

论文信息：

Grating-Structured Freestanding Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Acceleration Sensing in Real Time

Yufeng Liu, Ding Li*, Yu Hou, Zhong Lin Wang*

Advanced Materials Technologies

DOI: 10.1002/admt.202200746

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Advanced

Materials

Technologies

期刊简介

Advanced Materials Technologies创刊于2016年4月， 是一本刊载技术相关的衔接材料科学和实际应用的高质量期刊，着重于基于新材料的先进工程、器件设计和新技术。Advanced Materials Technologies于2017年初被Web of Science收录，最新的影响因子为8.856。

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