【引言】振动是生活中常见的一种机械运动形式，包括树枝晃动、桥梁振动、海浪运动等，它蕴含着丰富的机械能可以转化为电能输出，为广泛分布的小型电子设备或传感器供电。摩擦式能量采集器和电磁式能量采集器因其各自的材料优势和输出特点在振动机械能采集方面具有广泛的应用。然而生活中的振动多具有随机无序、方向多变的特点，采集某一特定方向的机械能会使器件沿其他方向振动时效率大大降低，因此，开发一款可有效采集多个方向振动机械能的能量采集器在建立自供能系统方面具有重要意义。

【成果简介】近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组提出了一种可采集平面内任意方向振动机械能的电磁摩擦复合式能量采集器。相关研究成果以“Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor”为题，发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陈学先为论文第一作者。该复合式能量采集器采用弹簧固定的悬浮磁体作为滑块，并利用FPCB工艺制作了薄膜式具有八瓣结构的摩擦发电机电极和电磁线圈，其中任意相对的两个电极构成一个freestanding结构的摩擦发电机，因此使器件沿任意方向滑动时均可同时产生电磁和摩擦信号输出，提高机械能利用效率。此外，弹簧和磁体构成面内谐振系统，使器件在10Hz的低频振动范围内均可有效的产生电信号输出。得益于电磁发电机输出电流大和摩擦发电机输出电压高的特点，在复合充电条件下，器件可在200s内快速将20μF电容充电至7V。通过将器件固定到人体小腿或者自行车车轮上，该复合式能量采集器可有效采集人体跑步时或自行车刹车时机械能并点亮40个LED，因此可作为自供能夜跑灯或自行车刹车灯的能量采集装置。此外，通过对4个freestanding结构摩擦发电机上的输出信号的进一步分析，器件还可做为主动式方向传感器，对正弦式或脉冲式振动的方向进行识别，在环境监测、自驱动传感系统和人机交互等领域有广泛的应用前景。

【小结】针对生活中的机械能随机无序、方向多变的特点，利用弹簧和磁体构成谐振系统实现了可采集平面内任意方向振动机械能的电磁摩擦复合式能量采集器，通过合理的结构设计使器件的谐振频率降低，时器件在低振动频率下有效进行能量转换，结合电磁发电极输出电流大和摩擦发电机输出电压高的特点，使器件的充电能力大大提升。此外，得益于摩擦发电部分特殊的电极结构设计，器件可对8个方向的脉冲振动进行识别，因此可作为自驱动振动方向传感器，展现了在环境监测、自驱动传感系统、人机交互等领域巨大的应用潜力。

【文章链接】：Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor. (Nano Energy). DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.024

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518302519