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石墨烯摩擦電放電無(wú)線傳感系統(tǒng)及其在智能家居中的應(yīng)用

來(lái)源：上海冪方電子科技有限公司 更新時(shí)間：2025-10-31 13:15:21 閱讀量：120
導(dǎo)讀：論文快訊Latest publicationTriboelectric discharge based s


 論文快訊

Latest publication

Triboelectric discharge based self-powered wireless sensing system for smart home application

Bin Xie, Siming Lin, Yuanhui Guo, Yun Chen*, Maoxiang Hou, Xin Chen, Chingping Wong


第一作者：謝斌
通訊作者：陳云

通訊單位：廣東工業(yè)大學(xué)

全文鏈接：https://www.oaepublish.com/articles/ss.2025.72

 01

導(dǎo)讀

隨著智能化時(shí)代的深入發(fā)展，傳感網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要性日益凸顯，其部署規(guī)模與能耗需求亦急劇增長(zhǎng)。傳統(tǒng)電池供電方式因續(xù)航有限、維護(hù)成本高，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與偏遠(yuǎn)應(yīng)用中面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，自供能傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)收集環(huán)境中的分布式能量實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，為突破傳感器網(wǎng)絡(luò)的供能瓶頸提供了新的解決方案，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景。

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 02

圖片摘要

 03

圖文導(dǎo)讀

本文在前期關(guān)于激光誘導(dǎo)加工技術(shù)用于摩擦納米發(fā)電機(jī)電極(Advanced Materials, 2021, 33, 2104290；Nano-Micro Letters, 2025, 17, 17)，以及微納機(jī)器人加工(Nature Communications, 2024, 15, 4334)的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了基于激光加工的自供能無(wú)線傳感系統(tǒng)的相關(guān)研究工作。圖1展示了本工作提出的無(wú)線傳感系統(tǒng)的工作原理示意圖，該系統(tǒng)基于摩擦納米發(fā)電機(jī)和激光誘導(dǎo)石墨烯尖端電極結(jié)構(gòu)。摩擦電放電機(jī)理為：當(dāng)NBR摩擦層滑過(guò)介電層和電極時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦電荷。這種電荷分離促使帶有相反電荷的電極之間發(fā)生摩擦電放電，從而將低頻機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為高頻電信號(hào)。通過(guò)將發(fā)射線圈與調(diào)制電容器結(jié)合，這些高頻信號(hào)可無(wú)線傳輸至連接示波器的接收線圈，進(jìn)而進(jìn)行信號(hào)可視化與分析。整個(gè)能量轉(zhuǎn)換與信息傳輸過(guò)程無(wú)需外部電源，充分體現(xiàn)了本系統(tǒng)所具有的自供能特性。
圖1 基于石墨烯尖端結(jié)合納米發(fā)電機(jī)的自供能無(wú)線傳感系統(tǒng)示意圖。
圖2展示了自供能無(wú)線傳感系統(tǒng)的電路建模與信號(hào)調(diào)制機(jī)制。該系統(tǒng)可視為由電阻、電容和電感等可測(cè)量元件構(gòu)成的電路，因此可等效為電感-電阻-電容串聯(lián)模型(圖2a)。該模型綜合考慮了摩擦納米發(fā)電機(jī)的固有電容、尖端電極結(jié)構(gòu)電容、發(fā)射和接收線圈電感以及系統(tǒng)電阻等參數(shù)。通過(guò)測(cè)試與計(jì)算，系統(tǒng)總電容值為20.9 pF?；诮?jīng)典共振頻率公式，系統(tǒng)的基礎(chǔ)頻率約為8.6 MHz，與示波器實(shí)測(cè)信號(hào)頻率高度吻合。
為探究系統(tǒng)信號(hào)的調(diào)諧特性，在等效電路中并聯(lián)調(diào)制電容，分析了接收信號(hào)頻譜與電容值之間的關(guān)系。圖2b展示了不同并聯(lián)電容條件下接收信號(hào)的時(shí)域波形，頻譜分析結(jié)果顯示其基頻隨電容增加而顯著向低頻移動(dòng)(圖2c)。該現(xiàn)象符合電容與頻率的反比關(guān)系：并聯(lián)電容增大系統(tǒng)總電容，從而降低共振頻率。圖2d中理論計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)高度一致，不僅驗(yàn)證了電路模型的準(zhǔn)確性，也證實(shí)了通過(guò)并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)調(diào)制的可行性。
圖2. 自供能無(wú)線傳感系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制機(jī)制。(a)系統(tǒng)電路連接方式及其等效模型；(b)不同調(diào)制電容條件下的輸出時(shí)域信號(hào)；(c)對(duì)應(yīng)頻域信號(hào)；(d)調(diào)制電容值與接收信號(hào)頻率的定量關(guān)系。
圖3展示了該自供能系統(tǒng)的動(dòng)作觸發(fā)控制機(jī)制及其在家電精準(zhǔn)操控中的應(yīng)用。圖3a為動(dòng)作觸發(fā)模塊的工作示意圖，該模塊可用于生成智能家居中家電控制的指令信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)工作于不同頻率的傳感單元(圖3b)，分別標(biāo)記為A、B、C、D，并搭建了模擬真實(shí)家居環(huán)境的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。值得一提的是，滑動(dòng)模塊上設(shè)置的對(duì)應(yīng)盲文標(biāo)識(shí)顯著提升了視障用戶的操作便利性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3c)表明，系統(tǒng)采用雙狀態(tài)控制邏輯：首次觸發(fā)特定頻率信號(hào)定義為“開(kāi)啟”指令，再次觸發(fā)同一頻率則執(zhí)行“關(guān)閉”操作。具體而言，單元A、B、D分別獨(dú)立控制警報(bào)器、音樂(lè)播放器和通風(fēng)設(shè)備，而單元C作為主控信號(hào)，可同步協(xié)調(diào)多個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)同時(shí)控制設(shè)備A與B的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，驗(yàn)證了該多設(shè)備協(xié)同控制功能的可行性。
圖3. 自供能無(wú)線傳感系統(tǒng)在智能家居中的應(yīng)用演示。(a)信號(hào)觸發(fā)機(jī)制示意圖。(b)電容調(diào)制區(qū)分機(jī)制示意圖。(c)不同信號(hào)輸入條件下的模擬家電設(shè)備控制效果。

 04

總結(jié)與展望

本研究提出了一種基于摩擦放電效應(yīng)的自供能無(wú)線傳感系統(tǒng)。采用激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)加工的尖端電極，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了與金屬電極相當(dāng)?shù)男旁霃?qiáng)度。系統(tǒng)無(wú)線傳輸距離超過(guò)5米，并在20000次循環(huán)測(cè)試后仍保持穩(wěn)定。針對(duì)視障人士的使用需求，開(kāi)發(fā)了配備盲文滑塊的智能家居演示系統(tǒng)，可輔助視障用戶獨(dú)立操控家電，展現(xiàn)了自供能技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

第一作者

圖片

謝斌

廣東工業(yè)大學(xué)

謝斌，廣東工業(yè)大學(xué)在讀博士生，2023年碩士畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，獲工程碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)榧す饧庸ぷ怨┠軣o(wú)線傳感器件。在Advanced Materials，Nano-Micro Letters 等高影響因子國(guó)際期刊發(fā)表相關(guān)論文4篇，其中一篇入選高被引論文。入選廣東工業(yè)大學(xué)拔尖創(chuàng)新人才培育計(jì)劃。

通訊作者

圖片

陳云

廣東工業(yè)大學(xué)
陳云，廣東工業(yè)大學(xué)，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體濕法蝕刻技術(shù)與器件、先進(jìn)電子封裝技術(shù)與裝備、激光加工技術(shù)與裝備。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金等科研項(xiàng)目近20項(xiàng)。發(fā)表SCI論文80余篇、獲發(fā)明專利授權(quán)150余件，擔(dān)任SCI 1區(qū)期刊《極端制造》青年編委、《SmartBot》青年編委、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)半導(dǎo)體裝備分會(huì)副主任委員等。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、廣東省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、廣東專利金獎(jiǎng)等。

基金支持


本項(xiàng)目由國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：52422511)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(項(xiàng)目編號(hào)：2022B1515120011)、廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(項(xiàng)目編號(hào)：2024A04J6362、GZGX-24-01)、珠海市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2320004002350)及中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司研究專項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：ZDZX2024-18)資助。

引用信息


Xie, B.; Lin, S.; Guo, Y.; Chen, Y.; Hou, M.; Chen, X.; Wong, C. Triboelectric discharge based self-powered wireless sensing system for smart home application. Soft Sci. 2025, 5, 54. https://dx.doi.org/10.20517/ss.2025.72



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