什么是摩擦納米發電機（TENG）？

隨著電子織物（e-textiles）等先進技術逐步得到應用，能量收集在其中扮演的角色日益關鍵，必將成長為極具前景的應用市場。在這些應用場景中，能量收集器件可以利用用戶的自身運動，為電子織物中的各種監測設備持續供電。當然，這還僅是其中一種用例，在可穿戴和柔性電子領域還有更多的想象空間。

隨著柔性和可穿戴電子設備的快速發展，以及無線傳感器節點和可植入設備的進步，市場對能夠提供毫瓦/微瓦級能量輸出的能量收集器件提出了很大的需求。近年，各種能量收集技術層出不窮。

太陽能電池是目前規模最大也是最知名的能量收集技術之一。不過，對于上述這些新興應用，太陽能電池并不是最理想的選擇。目前，業界正在開發更小、更適合的能量收集技術。其中，很多技術利用機械運動來產生電能。例如，靜電駐極體、壓電發電、電磁發電和摩擦電發電等。近年來，基于摩擦起電效應和靜電感應相結合的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，TENG），因其具有體積小、能將運動等機械能轉化為電能輸出的巨大潛力而備受青睞。

什么是摩擦納米發電機（TENG）？

摩擦納米發電機作為一種能量產生單元，在其內部的電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會發生電荷轉移而使得二者之間形成一個電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅動下在兩個分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。摩擦納米發電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。

基于摩擦電的能量收集器——摩擦納米發電機的四種基本工作模式：（a）垂直接觸-分離模式；（b）水平滑動模式；（c）單電極模式；（d）獨立層模式

TENG最初沒有內部偏置，被視為一種使用外部電源進行預偏置的可變電容器。但是，這種第一代TENG無法自給自足（當他們整合于沒有外部電源的場景時，這會是一個問題）。因此開發了電偏置TENG，不過，這也帶來了一系列需要校正的問題。

許多TENG存在的問題

盡管內部電偏置得到的TENG相對于其尺寸而言提供了高功率輸出，但是隨著時間的推移，它們很容易去極化。為此，研究人員開發出了一系列調理電路來控制隨時間變化的極化損失，但是，這些電路往往需要使用耗能的元件，從而影響了能量收集器件的功率輸出。近年，研究人員探索了一種利用開關來控制TENG的新穎方法。

這被認為是一個很有前景的方向。盡管如此，迄今，這些開關必須在每次啟動裝置后被激活（而且不能自我維持），而改變這種現狀，則還需要使用外部耗電組件，這使得它們無法用于許多應用場景。因此，需要開發一種可以控制多個電壓閾值（高閾值和低閾值）的自驅動開關。

MEMS技術挺身而出

MEMS是微機電系統的簡稱，多年來已經發展成為一種火熱的新興技術，通常用于在尺寸更小的智能化設備中構建復雜的微型化組件。該術語用于對所制造的微機電器件以及制造它們的工藝進行分類，因此，它已經成為一個材料和組件范圍廣泛且不斷擴大的領域。在其最基本的形式中，MEMS器件是用微加工方法制造的微型機械和機電元件。

盡管稱為微機電系統，但是有些MEMS器件并沒有運動的機械部件，這些器件仍然屬于MEMS，它們可以代替傳統的運動部件（例如微型彈簧）。此外，MEMS器件還可以用來轉換光信號和電信號，因此它們展示了許多特性，使其可以用于TENG等小型化的能量轉換設備。

利用MEMS等離子體開關控制TENG

據麥姆斯咨詢報道，法國居斯塔夫·埃菲爾大學（Uni Gustave Eiffel）及其合作機構提出了一種MEMS開關方案，利用MEMS開關的自我維持調理系統來克服一些TENG目前存在的問題。將MEMS開關應用于TENG的目的是構建一種完整的TENG系統，能夠在高壓下用于高能量轉換應用，不需要使用耗電的電子元件。

（左）由Kapton聚酰亞胺薄膜、聚四氟乙烯（PTFE）、鋁、導電聚氨酯泡沫（C-PUF）和紙構成的TENG示意圖和運行原理；（右）調理電路PCB板。

研究人員發明的這種開關裝置在2級電路中同時使用了MEMS等離子體開關和不穩定的Bennet倍頻電荷泵。這種開關與TENG本身是分開的，這意味著它不需要直接集成就可以對TENG的性能產生積極影響。Bennet倍頻電荷泵通過構建一個沒有飽和極限的指數充電過程，解決了一些TENG器件中的電壓限制問題，從而能夠產生大功率輸出。

另一方面，MEMS等離子體開關能夠控制緩沖器和器件內部最終儲能器之間的能量轉移。因為它具有狹窄的磁滯回線，可以保持緩沖電容器上的電壓在不同電壓水平之間持續振蕩。因此，它提供了一種在低壓和高壓下控制器件的解決方案。這種開關的優點還包括不需要外部電源，也不需要任何電氣控制，因此無需外部組件來控制和改善TENG能量收集裝置的性能。

MEMS固定式等離子體開關的結構示意圖和掃描電鏡圖，及其電學特性。

MEMS可動等離子體開關的結構示意圖和掃描電鏡圖，及其電學特性。

結論

與其它開關及非開關方案相比，居斯塔夫·埃菲爾大學所打造的這款器件提高了TENG的能量收集效率，并且這種開關為TENG裝置的自我可持續性和外部電源等許多問題提供了解決方案。由于它是一種分立的器件，不需要與TENG直接集成，因此它也可以用來解決其它小型化能源收集裝置的某些問題。

隨著柔性、可穿戴和植入式設備越來越普及，TENG預計將在未來幾年獲得更多的關注。目前正在進行的基礎研究有望解決TENG裝置的關鍵問題，為未來電子織物和智能可穿戴設備中更高效的電子網絡和可自我維持的電子系統奠定基礎。