基于纳米发电机的自驱动MEMS/NEMS机理研究

A new mechanism of self-powered MEMS/NEMS based on nanogenerator is proposed in this project. With the triboelectric-generation principle of nano structured organic functional materials, we study the triboelectric nanogenerator (TENG) actuated micro cantilever, including the theoretical model, device fabrication and characteristics analysis, aiming at realizing the self-powered technology of active actuation and precise operation. Moreover, with nano-ZnO piezoelectric film materials, we study the movement measurement method of the micro cantilever and fabrication technology of the piezoelectric nanogenerator (PENG) on the micro cantilever beam, aiming at realizing the self-powered technology of active sensing and movement measurement. Finally, with the MEMS integration design technology, we study the self-powered MEMS/NEMS consisting of the TENG, PENG and micro cantilever, aiming at realizing the technology convergence of active actuation and sensing for the movement of the micro cantilever. The self-powered MEMS/NEMS in this project has great advantages of no external power source, energy-efficient and multifunction integrated over the traditional micro-nano actuators and sensors. The new mechanism can be applied to actuate and measure the micro-structural movement in the fields of micro-nano robots, optical switches and internet of things, which has great significance for the application of independent and sustainable self-powered MEMS/NEMS devices.

本项目提出一种基于纳米发电机的自驱动MEMS/NEMS新机理，采用纳米结构有机功能材料的摩擦发电原理，探索用摩擦纳米发电机驱动微悬臂梁执行器运动的理论模型、器件制备和特性分析，实现有源致动和精确操作的自驱动技术；同时结合纳米氧化锌压电薄膜材料，探索微悬臂梁结构运动的测量方法和压电纳米发电机在微悬臂梁结构上的制备工艺，实现有源传感和运动测量的自驱动技术；最后采用微机电一体化设计技术，构建基于摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和微悬臂梁结构的自驱动MEMS/NEMS集成系统，实现对微悬臂梁结构运动的有源致动和有源传感技术的融合。与传统微/纳执行器和传感器相比，本项目研制的自驱动MEMS/NEMS具有无需外电源供电、高效节能和多功能一体化集成等优点，适用于在微/纳机器人、光开关和物联网等领域中对微观结构运动的致动和测量，对独立、持续的自驱动MEMS/NEMS器件的应用具有积极意义。

本项目针对微纳机电器件与系统对微能源和可持续性的需求，开展了基于纳米发电机的自驱动MEMS/NEMS机理研究，探索了摩擦纳米发电机新原理、新应用，开创了摩擦电与半导体耦合的新领域——摩擦电子学，并在摩擦电子学功能器件、摩擦电自驱动微系统方面取得了一系列创新性成果。重要结果、关键数据与科学意义表现为：（1）通过机理与实验研究发现摩擦纳米发电机内阻为兆欧级，可以等效为内阻很大的电流源，与电磁感应发电机等效为内阻很小的电压源形成对称性与互补性，首次提出了摩擦纳米发电机是继电磁感应发电机之后，采用机械能发电的又一种重要方式，是具有可能和电磁感应发电机同等重要的新能源技术。（2）根据摩擦纳米发电机内阻大和开路电压高的特点，论证了其适用于驱动电容型负载器件，研制了基于摩擦纳米发电机的主动式光调制微执行器，用于对光束二维方向和强度的调制，首次将摩擦纳米发电机用于对微机械和MEMS器件的供电和调控，能够实现宏观运动对微观运动的控制，无需外接电源和机械连接。（3）利用摩擦纳米发电机和晶体管的耦合，研制了外力触控的接触起电场效应晶体管，可在外力作用下使门极材料产生接触起电，形成静电势取代传统门电压，实现对半导体中载流子输运特性的调控，可广泛应用于人机交互、传感器、MEMS、纳米机器人及柔性电子学等领域。该器件首次实现了利用摩擦产生的静电势作为门极信号来调控半导体中载流子输运特性的目的，并衍生出一系列能够实现各种功能的摩擦电主动式机械感知器件，开辟出全新的摩擦电子学领域。（4）针对摩擦纳米发电机高阻抗的制约，首次提出了一种通用型电源管理策略，并研制了各种基于摩擦纳米发电机的自驱动微系统，实现了微机械能采集-管理-存储-利用的功能与结构一体化，可在人体运动或环境低频微机械能输入下提供可持续电源，实现对微电子和MEMS/NEMS器件的驱动，突破了摩擦纳米发电机为MEMS/NEMS供电的技术瓶颈，有望解决穿戴式电子和物联网传感节点的持续供电问题。