研究背景
摩擦纳米发电机（TENG）具有高电压低电流的输出特性，常将其电压信号用作自驱动机械运动传感。目前TENG在自驱动传感领域已取得众多成果，但是摩擦电传感器进一步面向商业应用依旧有两个关键技术问题需要攻克。其一，为了提高摩擦电传感器灵敏度，必须为摩擦层进行预起电，特别是用于检测声波等微米级振动时，起电必须非常充分才能有明显的输出。其二，这种预摩擦转移的电荷非常容易耗散到空气中，在器件封装后会很快失效，呈现出低耐久性。并且，由于摩擦层表面电荷的不稳定性，难以实现对信号的定量表征，从而严重影响传感的精度。为了提高摩擦电传感器的实用性，这两个问题亟待解决。
文章概述
为了解决摩擦电传感器需要预摩擦起电，以及器件封装后电荷耗散导致的器件低耐久问题，重庆大学蒲贤洁团队提出了一种基于自激励摩擦纳米发电机（SCE-TENG）电荷注入的传感器设计。为了提高传感器输出，首次将电荷注入的方法引入到摩擦电传感器。利用高压源为传感器（SV-TENG）泵送电荷，从而提高输出。此外，为了节约成本以及降低系统复杂度，利用SCE-TENG替代了商用高压源。如果机械运动传递给传感器的能量能够触发激励，就可以在没有预摩擦的情况下实现信号的自增长且不会衰减。如果机械运动输入能量不能触发激励（如微米级振动），注入电荷的稳定性也远超预摩擦转移的电荷。并且，在输出下降后，也能够通过SCE-TENG简单的接触分离进行电荷的二次泵送，实现器件的重复使用。为了验证该方案的可行性，作者进一步提出了受“土电话”启发的弦振动自供能机械波通信系统（SSMWC）。利用优化的SV-TENG来检测机械波，电荷注入后，在0-1000 Hz的范围内实现了88倍的输出提升。当振幅为43 μm、频率为100 Hz时,输出电压能够直接达到12 V。并且成功实现了调制信号的实时发送、传输与解码。SSMWC还可以用于偏远地区搭建低成本临时通信系统。
该研究以“Tin can telephone-inspired self-powered mechanical wave communication integrated with self-charge excitation triboelectric nanogenerator”为题发表在《Nano energy》期刊上。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110470
图文导读
图1：弦振动自供能机械波通信系统（SSMWC）示意图。(a)SSMWC工作流程图。(b)实验装置结构图。(c)实物图。(d)高压源为SV-TENG电荷注入示意图。(e)SCE-TENG电路图。
图2：电荷注入原理以及SV-TENG在直线电机驱动下的输出。(a)SCE-TENG向SV-TENG注入电荷的结构图。(b)SCE-TENG的电压输出。(c)SV-TENG静止时，SCE-TENG的电压输出。(d)SCE-TENG注入电荷时，静止SV-TENG的电压输出。(e) SV-TENG不同驱动频率下的电压输出。(f)激励摩擦纳米发电机（excitation TENG）静止时，SV-TENG的电压输出。
图3：振动器驱动下SV-TENG的输出与接收端信号分析。
(a)振动器在0-1000 Hz范围内的往返扫频响应。(b)振动器与弦不同连接状态时的响应频谱。(c)不同激励电压下钢片的平均振幅和SV-TENG的平均输出电压。(d)振动器不同输入电压下的钢片平均振幅和SV-TENG平均输出电压。在无激励(e)和激励电压800V(f)时，钢片在0-1000 Hz范围内的往返扫频响应。(g)钢片振动频谱(左：无激励；右：激励电压为800 V)。在无激励(h)和激励电压800 V(i)时，SV-TENG在0-1000 Hz范围内的往返扫频响应。(j) SV-TENG电压输出频谱(左：无激励；右：激励电压为800 V)。
图4：SSMWC性能验证。
(a)“土电话”通信示意图。(b)用于传输信息的SSMWC实验装置实物图。(c)输入到功率放大器的调制信号。(d)输入放大的调制信号后，振动器的输出波形。(e)信号获取和解码界面。
视频：调制信号的实时产生、传输与解码
总结
综上所述，本项工作首次报道了将电荷注入引入到摩擦电传感器，利用SCE-TENG代替商用高压源为传感器注入电荷，突破了摩擦电传感器需要预起电以及器件封装后低耐久的瓶颈问题。为了验证方案的可行性，将优化后的传感器用于检测微米级振动机械波，并搭建了受“土电话”启发的弦振动自供能机械波通信系统（SSMWC）。电荷注入后，传感器在0-1000 Hz的范围内实现了88倍的输出提升，并且完成调制信号的实时发送、传输与解码。SSMWC也可用于偏远地区搭建低成本临时通信系统。
编辑：沈星星 | 审核：木小何
