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导读

近日，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的叶雄英教授课题组在纳米能源》(Nano Energy)发文，对接触分离式纳米发电机作传感器时的输出特性进行了系统性的理论研究。作者从频率特性、灵敏度、线性度以及谐波失真的角度出发，分析研究了CS-NGS的结构参数以及运动参数对传感特性的影响，并对不同输出类型的CS-NGS的特点进行了总结和比较。该工作对CS-NGS的设计与优化具有重要意义。

文章概述

        近年，随着摩擦电纳米发电机(TENGs)的迅速发展，涌现出无数基于接触分离式纳米发电机的自供能传感器（CS-NGSs）。这些传感器广泛用于检测振动、压力、运动等输入，在人机交互、电子皮肤、健康监测、智能机器人等领域发挥着重要作用。作为传感器，其关键在于输出信号要能够准确地反应输入信号的变化。对CS-NGSs而言，其输出信号通常为开路电压（VOC）、短路转移电荷（△QSC）、短路电流（ISC）或负载电压（VL）。然而，不同类型的输出信号对同一输入信号的响应却各不相同。了解不同输出类型CS-NGSs的特点、系统性地分析其输入—输出关系，有利于帮助我们更好地根据被测量的特点选择合适的输出类型，对CS-NGSs进行优化设计。针对以上问题，叶雄英教授研究组从接触分离式纳米发电机的基本模型出发，通过数值计算的方式，从频率特性、灵敏度、非线性度和谐波失真等角度分别对VOC-type、△QSC -type、ISC-type以及VL-type 的CS-NGSs的输入—输出特性进行了全面分析，并讨论了介电层电荷密度（σ）、介电层占比（ξe = dr /εr /dair0）、最大空气隙（dair0）、运动振幅占比（ξa = amp /dair0）以及负载电阻（RL）等参数对上述特性的影响。随后，文章对CS-NGSs在三种典型输入信号（声音、脉搏和模拟按键）激励下的输出波形进行了仿真计算与实验验证，结果表明：△QSC-type CS-NGS适合于高保真的小位移传感；ISC-type CS-NGS适合于速度传感；VL-type CS-NGS适合于中高工作频率输入下的高保真振动传感。基于以上结果，文章总结并对比了不同输出类型的CS-NGS的特点，为CS-NGS的设计提供了指导。该成果以“Theoretical analysis of sensor properties of contact-separation mode nanogenerator-based sensors”为题发表在Nano Energy上。文章的第一作者为清华大学博士研究生曹泽元，叶雄英教授为本文的通讯作者。

相关论文链接

Cao Zeyuan, Chu Yao, Wang Shiwen, and Ye Xiongying. Theoretical analysis of sensor properties of contact-separation mode nanogenerator-based sensors. Nano Energy 79, 105450 (2021).

DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105450.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520310259