高性能摩擦纳米发电机的构筑及其在自驱动系统中的应用研究

Based on the principles of Maxwell's displacement current, frictional electrification and electrostatic inductive coupling, a permanent and stable output energy supply device - ferroelectric-piezoelectric- multiferroic-fluorocarbon-based triboelectric nanogenerators (TENGs) array was constructed to power support electronic-skin-based active sensors and detectors. Using COMSOL software and finite element method to analyze the voltage, current, charge transfer amount and equivalent capacitance of TENGs, combined with the characteristic curves of TENGs arrays, such as V-t, I-t and Q-t in open circuit, short circuit and external load, respectively. Systematic study of the microstructures of frictional layers, elemental composition, bonding states, film recombination, high voltage polarization, device size, array structure, operating frequency, open circuit voltage, short circuit current, charge transfer amount under variable temperature and humidity conditions, the matched impedance, output power, durability, stability, and lifetime can effectively regulate the output characteristics of TENGs. Integrate TENGs with electronic-skin-based devices using control circuitry, transducers, micro-control sensing technology, data acquisition technology, packaging technology, control units, and communication systems to enable active electronic-skin-based sensors, detectors, health monitor prediction, and diagnosis without external power supply.

基于麦克斯韦位移电流、摩擦起电和静电感应耦合原理，构筑一种持久和稳定输出的能量供给装置——铁电-压电-多铁-氟碳基高分子薄膜摩擦纳米机(TENGs)阵列来为电子皮肤基主动传感器和探测器件提供动力支持。利用COMSOL软件和有限元法分析TENGs的电压、电流、电荷转移量和等效电容，并结合TENGs阵列在开路、短路和外接负载时的V-t、I-t和Q-t等特征曲线进行实证研究。系统研究摩擦层的微结构、元素组分、键合状态、膜层复合、高压极化、器件尺寸、阵列结构、工作频率、温度和湿度变化条件下的开路电压、短路电流、电荷转移量、阻抗匹配、输出功率、持久性、稳定性及其使用寿命，从而有效调控TENGs的输出特性。利用控制电路、换能器、微控制传感技术、数据采集技术、封装技术、控制单元和通讯系统，将TENGs和电子皮肤器件集成起来，在无外加电源时实现主动式电子皮肤基传感器和人体健康监测器的预测、诊断和探测工作。

聚偏氟乙烯三氟乙烯(PVDF-TrFE)电子皮肤基力敏(F-V)和温敏(T-V)传感器阵列来为主动式传感和探测人体运动特征参量（例如应力、应变、压力和足部温度），能够感知周围环境中的各种物理、化学和生物信号，将有助于研发智能鞋、指纹密码锁、人体健康监测仪等触觉传感器装备。通过Keil C51编译器将所设计好的硬件模块、延时电路和显示电路模块等进行编译，并生成*.hex文件，通过Proteus软件添加*.hex文件到AT89C52单片机中，实现无线传感器网络的温敏/力敏传感电路的模拟。通过Proteus和Keil C51软件的联合模拟，传感系统对于所施加的信号表现出了极快的反应速度和极高的显示精度传。基于前后传感器输出信号的时间差的步态识别模型，能准确识别踏步、走路、跑步、跳跃、跌倒等多种步态。结合互联网、大数据、云计算、机器学习和深度学习等多项技术，为智能鞋子打造出了一个立体架构的网络生态链，从智能鞋垫到云端、到客服、再到用户，形成一个完整的闭环，为人体健康监测、体育训练、摔倒报警等用户一路保驾护航。利用Proteus、Keil C51、C语言程序、Visio软件和单片机来模拟电子密码锁电路并对人体的环形纹路、弓形纹路、螺旋形纹路的指纹特征进行身份甄别。将指纹识别模块所收集的指纹信息与存储模块中的指纹信息对比辨别，通过液晶显示模块显示识别结果并根据结果控制电机实现开锁、锁定、非法闯入检测、面部识别和报警功能。人脸识别包含人脸检测与属性分析、人脸对比、人脸搜索、活体检测等能力。基于电子皮肤自驱动传感器网络，完成智能锁体的结构设计，保证锁体整体的联动性和稳定性，顺利地完成开门和关门任务执行。采用上升时间控制技术和异步时钟管理技术，在不严重影响硬件电路的六位随机动态密码、指纹甄别、受交感神经支配的眼球虹膜、人脸识别等多功能、实时、动态、存储和信号远程传输等性能时，降低硬件电路的功耗。建立可穿戴式无线传感器阵列来采集人体的温度、相对湿度、血压、脉搏、心跳、呼吸、走路、摔倒、跳跃、跑步、步态识别和睡眠等生理参数，结合电子皮肤基自驱动传感器、微电子机械系统和信号处理电路来监测人体的健康状态。