智能传感器中基于机械能的电荷分离机制研究

前言：智能传感技术正在快速发展，机械传感器是其重要组成部分。它们能够将机械能转化为电信号并与其他设备交互，感知环境和身体。

其中，机械传感器在智能传感技术中占据着重要的地位。机械传感器的主要功能是将机械变形转化为电信号，这些信号可以用于监测和控制各种机械设备，如汽车、飞机、电子设备等。
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但机械传感器的持续供电一直是一个难题，特别是在植入体中。因此，解决能源短缺和提高机械传感器的实用性成为智能传感领域的紧迫问题。

机械能诱导界面电荷分离的原理包括材料内部极化和两个不同材料界面的接触。这些过程会导致材料界面上出现时间变化的电场，进一步产生位移电流，负责电容传导中的电传输。

其中压电材料是一类材料，其偶极矩在外部压力作用下会发生变化，导致材料内部极化，使得上下界面带电。压电材料是非中心对称结构的晶体，施加外部压力会引起机械变形，从而破坏晶胞内正负中心的偏移。

材料内部的偶极矩因此发生改变，界面处积累的电荷可以转移到电极和外部电路中。压电效应还发现存在于中心对称晶体的化学或物理缺陷附近，以及中心对称晶体的界面特性。

铁电材料是由多晶体组成，具有自发极化领域。它们的自极化来自于晶体结构的轻微扭曲，使得正负中心分离。铁电材料的压电效应很强，但在居里温度以上会失去自发极化，导致压电性微弱。

当施加整体电压时，铁电材料的极化沿电场方向切换，从而产生有序的界面充电。铁电材料的压电系数比压电单晶要高得多，因此可以提供更强的界面充电。

接触电气化的原理是当两个带电的材料接触时，它们之间可以产生非常大的电位差，这个电位差可以产生超过1,000 V的开路电压输出。这个电能可以被转化为机械能，例如驱动电介质弹性体的变形。界面带电材料也可以用来驱动电介质弹性体的作动。

接触电气化还可以产生静电感应，将界面电荷转化为机械能，例如驱动金属运动或静电纺丝。高电压电场可以产生聚合物纳米纤维，实现油水分离等应用。

压电效应是材料将机械变形转化为界面充电的能力。压电材料通常具有非中心对称结构。因此，我们可以预测哪些晶体可能具有压电效应。

在32个晶体点群中，只有20个点群可能由于非中心对称结构而具有压电效应，除了高对称性的点群。这些材料中有许多商业化的压电材料，包括闪锌矿（ZnO）和石英（SiO2）。

在压电单晶中，材料内部的极化方向是由晶体的取向确定的。这些非中心对称材料通常作为体晶体或定向的多晶样品（如阵列或薄膜）合成。

将介电材料添加到界面电荷材料中，对于混合界面电荷材料的性能非常关键。高介电常数的介电材料可以促进极化和电荷保留。
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将BaTiO3等介电陶瓷分散到铁电聚合物中，制备了纳米复合材料，表现出强大的电荷捕捉能力，在与铝接触时产生更多的界面电荷，最高输出电压达到1,130 V。半导体和碳材料也可以调节混合界面电荷材料的介电性质。

使用电纺丝工艺将多壁碳纳米管分散在PDMS中制备了复合材料，与Ag和内极化的P（VDF-TrFE）接触时提高了输出电压，表现出更高的介电常数和输出电压。

对于机械传感器，材料的选择非常重要。一些压电材料可以在机械应力下产生电荷分离，从而产生电信号。因此，这些材料通常被用于制造压力、应变和加速度传感器等。

传感器材料需要具有高压电系数和高机械刚度，以便将机械能转化为电信号，并且能够承受高应变和高频振动。此外，材料的稳定性和可靠性也非常重要，因为机械传感器通常需要长期稳定运行。

而智能心脏起搏器等医疗设备，由于设备内部空间非常有限，因此能源供应一直是一个挑战。一种解决方案是使用压电材料，这些材料可以将机械变形转化为电能，从而为设备提供能源。

还可以使用界面电荷材料，利用接触电气化效应来转换能量。这些材料可以在设备内部嵌入，从而为设备提供持续的能源供应。

除了机械传感器和医疗设备，界面电荷材料还可以用于制造能量收集器和能量转换器。能量收集器可以将环境中的机械能转化为电能，例如通过污水管道中的水流或者交通道路上的汽车运动来产生电能。能量转换器可以将电能转化为机械能，例如用于制造震动发电机。

对于机械传感器和医疗设备等应用，界面电荷材料可以为设备提供持续的能源供应。对于能量收集器和能量转换器等应用，界面电荷材料可以将环境中的机械能转化为电能，并且为人们的生活和工作带来更多的便利和可持续性。

结论：机械传感器在智能感知中有重要作用，但其应用受限于外部电源供应。界面带电材料可以利用机械能诱导电荷分离并输出电能，消除了电源的限制。