什么是摩擦纳米发电机（TENG）？

随着电子织物（e-textiles）等先进技术逐步得到应用，能量收集在其中扮演的角色日益关键，必将成长为极具前景的应用市场。在这些应用场景中，能量收集器件可以利用用户的自身运动，为电子织物中的各种监测设备持续供电。当然，这还仅是其中一种用例，在可穿戴和柔性电子领域还有更多的想象空间。

随着柔性和可穿戴电子设备的快速发展，以及无线传感器节点和可植入设备的进步，市场对能够提供毫瓦/微瓦级能量输出的能量收集器件提出了很大的需求。近年，各种能量收集技术层出不穷。

太阳能电池是目前规模最大也是最知名的能量收集技术之一。不过，对于上述这些新兴应用，太阳能电池并不是最理想的选择。目前，业界正在开发更小、更适合的能量收集技术。其中，很多技术利用机械运动来产生电能。例如，静电驻极体、压电发电、电磁发电和摩擦电发电等。近年来，基于摩擦起电效应和静电感应相结合的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG），因其具有体积小、能将运动等机械能转化为电能输出的巨大潜力而备受青睐。

什么是摩擦纳米发电机（TENG）？

摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

基于摩擦电的能量收集器——摩擦纳米发电机的四种基本工作模式：（a）垂直接触-分离模式；（b）水平滑动模式；（c）单电极模式；（d）独立层模式

TENG最初没有内部偏置，被视为一种使用外部电源进行预偏置的可变电容器。但是，这种第一代TENG无法自给自足（当他们整合于没有外部电源的场景时，这会是一个问题）。因此开发了电偏置TENG，不过，这也带来了一系列需要校正的问题。

许多TENG存在的问题

尽管内部电偏置得到的TENG相对于其尺寸而言提供了高功率输出，但是随着时间的推移，它们很容易去极化。为此，研究人员开发出了一系列调理电路来控制随时间变化的极化损失，但是，这些电路往往需要使用耗能的元件，从而影响了能量收集器件的功率输出。近年，研究人员探索了一种利用开关来控制TENG的新颖方法。

这被认为是一个很有前景的方向。尽管如此，迄今，这些开关必须在每次启动装置后被激活（而且不能自我维持），而改变这种现状，则还需要使用外部耗电组件，这使得它们无法用于许多应用场景。因此，需要开发一种可以控制多个电压阈值（高阈值和低阈值）的自驱动开关。

MEMS技术挺身而出

MEMS是微机电系统的简称，多年来已经发展成为一种火热的新兴技术，通常用于在尺寸更小的智能化设备中构建复杂的微型化组件。该术语用于对所制造的微机电器件以及制造它们的工艺进行分类，因此，它已经成为一个材料和组件范围广泛且不断扩大的领域。在其最基本的形式中，MEMS器件是用微加工方法制造的微型机械和机电元件。

尽管称为微机电系统，但是有些MEMS器件并没有运动的机械部件，这些器件仍然属于MEMS，它们可以代替传统的运动部件（例如微型弹簧）。此外，MEMS器件还可以用来转换光信号和电信号，因此它们展示了许多特性，使其可以用于TENG等小型化的能量转换设备。

利用MEMS等离子体开关控制TENG

据麦姆斯咨询报道，法国居斯塔夫·埃菲尔大学（Uni Gustave Eiffel）及其合作机构提出了一种MEMS开关方案，利用MEMS开关的自我维持调理系统来克服一些TENG目前存在的问题。将MEMS开关应用于TENG的目的是构建一种完整的TENG系统，能够在高压下用于高能量转换应用，不需要使用耗电的电子元件。

（左）由Kapton聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯（PTFE）、铝、导电聚氨酯泡沫（C-PUF）和纸构成的TENG示意图和运行原理；（右）调理电路PCB板。

研究人员发明的这种开关装置在2级电路中同时使用了MEMS等离子体开关和不稳定的Bennet倍频电荷泵。这种开关与TENG本身是分开的，这意味着它不需要直接集成就可以对TENG的性能产生积极影响。Bennet倍频电荷泵通过构建一个没有饱和极限的指数充电过程，解决了一些TENG器件中的电压限制问题，从而能够产生大功率输出。

另一方面，MEMS等离子体开关能够控制缓冲器和器件内部最终储能器之间的能量转移。因为它具有狭窄的磁滞回线，可以保持缓冲电容器上的电压在不同电压水平之间持续振荡。因此，它提供了一种在低压和高压下控制器件的解决方案。这种开关的优点还包括不需要外部电源，也不需要任何电气控制，因此无需外部组件来控制和改善TENG能量收集装置的性能。

MEMS固定式等离子体开关的结构示意图和扫描电镜图，及其电学特性。

MEMS可动等离子体开关的结构示意图和扫描电镜图，及其电学特性。

结论

与其它开关及非开关方案相比，居斯塔夫·埃菲尔大学所打造的这款器件提高了TENG的能量收集效率，并且这种开关为TENG装置的自我可持续性和外部电源等许多问题提供了解决方案。由于它是一种分立的器件，不需要与TENG直接集成，因此它也可以用来解决其它小型化能源收集装置的某些问题。

随着柔性、可穿戴和植入式设备越来越普及，TENG预计将在未来几年获得更多的关注。目前正在进行的基础研究有望解决TENG装置的关键问题，为未来电子织物和智能可穿戴设备中更高效的电子网络和可自我维持的电子系统奠定基础。