【摘 要】
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随着无线传感网络节点的大规模推广,其电能自供给能力亟待解决。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）因具有在低频激励下的高机电转换效率特性,为低功耗无线传感节点的能源供给提供了新的解决思路。然而,TENG的发展仍受限于表面电荷密度低,输出阻抗高等问题。因此,探究高效能的TENG电源方案仍是当前研究的热点。基于此,本文探究了基于局域表面等离子体共振效应提升T
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随着无线传感网络节点的大规模推广,其电能自供给能力亟待解决。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）因具有在低频激励下的高机电转换效率特性,为低功耗无线传感节点的能源供给提供了新的解决思路。然而,TENG的发展仍受限于表面电荷密度低,输出阻抗高等问题。因此,探究高效能的TENG电源方案仍是当前研究的热点。基于此,本文探究了基于局域表面等离子体共振效应提升TENG的摩擦表面电荷密度的方法,完成了高效能电源管理电路及自供电可穿戴人体温度无线监测系统的设计,具体研究要点如下:针对TENG表面电荷密度低的问题,本文提出利用贵金属纳米颗粒激发局域表面等离子体共振效应来构建电荷陷阱,以增强表面电荷密度的方法。采用填充Ag/MXene复合纳米颗粒于介电摩擦层的方式,利用Ag纳米颗粒局域表面等离子体共振效应的非辐射衰减产生类偶极子结构的热电子-空穴对,构建电荷陷阱俘获摩擦表面电荷,提高TENG表面电荷密度。结果表明,最高表面电荷密度达223.5μC/m~2,提高至未改性TENG的3.9倍,得益于类偶极子结构在TENG静电场中的定向排列,改性后TENG输出阻抗从4MΩ降低至2MΩ,为高表面电荷密度、低阻抗特性TENG的设计提供了新的见解。针对TENG难以直接作为稳定电源为微型功能性电子设备提供电能的问题,本文设计了具有微纳能源输入-电池补能双路径动态管理特性的电源管理电路。采用LTC3106直流升压/降压转换芯片搭建的电源管理电路能将TENG作为电池的补能或替代能源,设计的释能开关电路单元使系统具有冷启动功能。测试结果表明,设计的高效能电源管理电路使得680μF电容充电效率提升至传统直接整流充电方式的150%,且搭建的自供电可穿戴无线温度监测系统在3Hz频率下连续踩踏约24min后便能够采集一组温度数据,成功探索了TENG在人体运动过程中体温无线监测的应用前景。
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