压电纳米线驱动无线微电子电源设计.pdf

电子乐园2023.01040电子技术 Electronic Technology1 引言为驱动无线和移动电子设备寻找可持续的微/纳米电源是当今能源研究的一个新兴领域，它可以为驱动纳米设备/纳米系统所需的能源提供基本解决方案。将机械能转化为电能的压电纳米发电机首次使用ZnO纳米线阵列进行了演示。在这一初步发现之后，已经开发出直流和交流 ZnO 纳米发电机。此外，基于 GaN 纳米线和聚偏二氟乙烯纳米纤维的纳米发生器在提高纳米发生器性能方面显示出了很有前途的潜力。因此，全世界都在这方面展开了努力，形成了纳米技术和能源科学的新研究领域。使用纳米线进行能量收集的优点是其高机械鲁棒性和对微小随机机械扰动/刺激的响应性。尽管使用数百万 ZnO 纳米线的集成来驱动单个基于纳米线的 UV/pH 传感器 11，纳米发生器的输出电压已经提高到 1.2V，但纳米发生器的功率仍然太小，无法为任何传统的电子部件（如激光二极管（LD）供电。2 研究的目的锆钛酸铅，PbZrxTi1-xO3（PZT），由于其卓越的压电性能，可能是传感器和制动器最重要的压电材料。然而，PZT 薄膜和微纤维的制造通常需要高温（650）来增加结晶度，这不仅导致高成本和与一般制造工艺的不兼容，而且使其难以与软材料集成，尽管最近已经证明了转移技术。在这里，我们报道了通过在 230下的水热分解，在各种导电和非导电衬底上首次化学外延生长垂直排列的单晶 PbZr0.52Ti0.48O3纳米线阵列。使用 PZT 纳米线阵列制造的交流纳米发电机显示出优异的输出。使用整流电路，纳米发电机的输出电能用电容器存储，然后用于点亮商业 LD。这是为微型/纳米系统开发可持续能源技术的关键一步。3 PZT 纳米线阵列的生长导电衬底，0.7 wt%Nb 掺杂的 STO（100）和 0.01 wt%Fe掺杂的 STO（100）（约 0.007cm），由于其与 PZT 的小晶格失配而被选择用于外延生长。通过混合溶解在 26 毫升乙醇中的 0.8168 克（C4H9O）4Ti 和溶解在 30 毫升去离子水中的 0.8379 克 ZrOCl28H2O 来制备生长溶液（50 毫升）28，29。然后在剧烈搅拌下将 Ti4+乙醇溶液逐滴加入 Zr4+水溶液中。将混合溶液引入 150 ml 0.25M NH3H2O 中，产生 Zr0.52Ti0.48O（OH）2 的白色沉淀。过滤和漂洗以除去残留的 Cl-、NH3H2O、C4H9OH 和 C2H5OH 后，将白色沉淀 Zr0.52Ti0.48O（OH）2 重新分散在蒸馏水中。在剧烈搅拌下，连续加入 1.656g Pb（NO3）2、5.611g KOH、0.02g聚乙烯醇和 0.36g 丙烯酸。接下来，将水热溶液置于不锈钢高压釜内，该高压釜具有聚四氟乙烯衬里，并且衬底靠在侧壁上。然后将其置于 230的烘箱中 12 小时。最终产品在压电纳米线驱动无线微电子电源设计文/肖 奇摘 要：在可变和不可控的环境中，从不规则/随机的机械动作中获取能量是为无线移动电子设备供电的有效方法，以满足我们日常生活中的广泛应用。压电纳米线是坚固的，可以在一定频率范围内受到微小的物理运动/扰动的刺激。在这里，我们展示了 PbZrxTi1-xO3（PZT）纳米线阵列在 230下的首次化学外延生长及其作为高输出能量转换器的应用。使用 PZT 纳米线的单个阵列制造的纳米发生器产生约 0.7 的峰值输出电压五、电流密度为 4Acm-2，平均功率密度为 2.8毫瓦cm-3。纳米发电机的交流输出被整流，收集的能量被存储起来，然后用于点亮商业激光二极管。这项工作证明了使用纳米发电机为移动甚至个人微电子供电的可行性。关键词：压电纳米线驱动；无线微电子电源；设计2023.01电子乐园041Electronic Technology 电子技术60下烘烤 2 小时。4 纳米发电机的制造和测量通过电子束蒸发用 50nm Ti 和 300nm Pt 的层连续涂覆一片 Si 晶片。将 Si 晶片的 Pt 侧放置在纳米线阵列的顶部以形成紧密的电接触。每一层都是一个不同的纳米发生器，每组两个端子与其他层绝缘，整个结构用软环氧聚合物封装，以确保器件的坚固性，并隔离可能对纳米线的湿气侵蚀。纳米发生器层的面积约为 6mm2。纳米发生器的三维集成是通过堆叠所述结构的多层来实现的。在我们的研究中，通过线性电机触发的动态机械刺激来测量所制造的交流纳米发电机，该电机提供可控的冲击速度、力和频率。5 PZT 纳米线阵列的合成与表征通过水热工艺，成功生长了 PZT（铅锆钛）纳米线阵列。在 PZT 纳米线的成核和生长过程中，通过引入聚乙烯醇和丙烯酸作为封端剂，在纳米线的侧表面进行化学吸附，从而有效抑制了其径向生长。通过透射电子显微镜对单个纳米线的分析和对纳米线阵列的 X 射线衍射研究发现，合成的纳米线具有单晶 PZT 的四方相结构（空间群 P4mm）以及特定的生长方向。这种垂直生长和排列的特性是通过在无机衬底上进行外延生长来实现的，相比使用静电纺丝制造的纳米纤维，该方法能够获得更好的纳米线排列效果。在纳米线的轴向方向上观察到了压电畴边界的存在，但整个纳米线保持了单晶结构。这表明通过水热工艺生长的PZT 纳米线在结构上具备良好的单晶特性，并且在垂直生长和排列方面表现出优越性。此研究结果为进一步探索和应用PZT 纳米线的性质和功能提供了有力支持。6 纳米发生器的制备与表征有限元计算是基于一端固定、另一端自由的悬臂模型进行的。我们有三个主要假设。首先，纳米线的弹性模量是各向同性的，压电效率是各向异性的；第二，纳米线处于纯轴向压缩下，没有剪切应变；第三，压电畴都是完全对准的。计算结果表明，对于沿 001 方向生长的直径为 500nm、长度为 5m 的四方 PZT 纳米线，2.5N 的单轴力可以产生1V 的压电电势（压电电势）。为了使用这种高压电势，使用生长在掺杂 Nb 的 SrTiO3（STO）导电衬底 19 上的 PZT纳米线阵列制造了纳米发生器。需要电极化以使压电畴在相同的方向上并且在所有纳米线中排列。在生长的纳米线中，由 Ti4+/Zr4+离子的位置偏移引起的偶极矩可以沿着采取六种可能的取向。通过在高介电强度的介电流体中施加 100KV cm-1 的外部电场，并使顶部电极为负极，底部电极为正极，对纳米线进行极化。结果，宏观压电极化被迫向上对准，垂直于衬底。当 PZT 纳米线受到单轴压缩力时，纳米线内部会产生压电场，从而在外部负载中产生自由电子的瞬态流，以屏蔽压电电势。当力被提升时，压电势减小，积聚的电子被释放。动态施加的应力驱动外部电路中的电子来回流动，从而产生交变输出。由于以下原因，与计算结果相比，输出电压降低。首先，纳米线的高度是不均匀的，只有百分之几的纳米线在积极发电 5。其次，纳米线没有完全垂直排列。因此，当纳米线受到压缩时，剪切应变是不可避免的。第三是电场极化后相对较低的残余极化。这可以通过将绝缘聚合物渗透到纳米线的间距中，从而提高驱动电压来改善。7 纳米发电机在微机电装置上的应用为了在挤压和释放的一个完整的机械变形循环中充分利用纳米发电机获得的电能，使用由四个二极管组成的商用全波桥式整流器实现了电流整流和储能系统，每个二极管的阈值电压为 0.30.4 V。接下来，通过并联连接八个 22F 电容器，将产生的电荷脉冲连续存储，开关设置在位置“1”。通过监测电容器两端的电压/电势来记录整个充电过程，在能量转换过程的每个循环中，可以清楚地看到储存能量的逐步增加。随着充电过程的继续，电容器的电压饱和至0.42V，低于纳米发电机的峰值输出电压，这可能是由于整流二极管处消耗的电压降和/或电容器的泄漏，尤其是当电容器电压高时（用于电容器的电荷存储效率）。然后，通过将开关调整到位置“2”，将八个充电的电容器串联连接，总输出电压达到 Vtot=0.428=3.36 V。这足够高，可以用约1.5 V 的导通电压驱动 LD，前提是放电时输出功率足够。通过使用这种电压放大技术，我们通过存储电荷的快速放电成功地为商用 LD 供电。放电过程后，电容器两端的电压降从0.42 降至 0.35 V。这意味着大约 16.7%的存储电荷被有效地用于驱动 LD。剩余的电荷仍然存储在电容器中并且被LD 的阈值操作电压阻挡。电容器的下一轮充电将在 0.35 V而不是 0 V 的基极电压下开始，因此接下来的充电周期应该花费更少的时间。用于产生电荷和为 LD 供电的纳米发生器的投影表面积约为 6mm2。这种小型纳米发电机产生的功率无法驱动LD 的连续操作。然而，在一段时间内产生的电荷的累积足以驱动 LD 几分之一秒。这对于具有待机和活动模式的设备（如用于健康监测的葡萄糖传感器和血压传感器），甚至对于只需要定期处于活动模式的个人电子设备（如蓝牙发射器驱动功率 5 mW；数据传输速率 500 kbits s-1；每位功耗 10 nW）都有实际用途。设备处于待机状态时产电子乐园2023.01042电子技术 Electronic Technology生/收获的多余能量可能足以在设备处于活动模式时驱动设备。8 纳米发电机的频率依赖性本文提出的储能技术旨在充分利用实际应用中随机可用的机械能。其预期用途是通过收集自然可用的机械搅拌能量来实现能量的存储，而不是通过故意创建常规动作来驱动纳米发电机。这意味着纳米发电机能够在一系列低频条件下工作，例如人类行走、心脏跳动和血管收缩等生理活动，并能够利用生物力学和/或生物流体液压能量为体内的生物传感器提供电力。此外，纳米发电机还可以配置为在相对较高的频率（约50 KHz21）下工作。在这样的频率范围内，纳米发电机的平均输出功率约为峰值输出功率的一半，因此可以实现 2.8 mW cm-3 的平均功率密度。这意味着在单位体积内可以获得相当可观的平均功率输出。通过储能技术和纳米发电机的应用，可以利用机械能源实现能量的收集和存储，同时在不同频率范围内提供持续而可靠的能量供应，满足生物传感器等应用的需求。这种技术的发展将为未来的能量收集和利用带来更多的可能性。9 讨论与薄膜纳米线相比，PZT 纳米线有几个优点。首先，通过湿化学方法进行的高结晶度 PZT 纳米线的表面生长显示出以低成本放大的巨大优势，并且有可能转移到柔性基底上，而单晶 PZT 薄膜是使用化学气相沉积在高温下制造的。其次，与多晶 PZT 纳米纤维相比，单晶 PZT 纳米线具有极高的弹性，并且耐疲劳，允许大程度的机械变形而不会断裂。由于非线性机械财产，这大大提高了能量转换效率。第三，与多晶 PZT 本体和纳米结构相比，单晶 PZT 纳米线预计具有更高的压电常数，因为不存在会束缚偶极矩的畴边界。第四，与使基于固体薄膜的能量采集器变形所需的力/应力相比，引起纳米线的机械变形所需要的力/应该力相当小，因此允许基于纳米线的纳米发电机在只有小触发力可用的情况下运行，例如在生物系统中，微小的振动甚至小的压力波动。最后，基于纳米线的纳米发电机不需要特定的驱动频率即可运行，但可以通过我们日常生活中丰富的各种不规则/随机低频机械搅拌来驱动。相比之下，基于薄膜的悬臂能量采集器仅在其高共振频率和谐波下工作，这可能不适合应用于我们的不规则物理运动和随时间变化的振幅的生活环境。10 结束语总之，本文首次证明了在 230下通过水热分解外延生长 PbZr0.52Ti0.48O3 纳米线阵列，开启了通过湿化学方法低温外延生长 PZT 纳米线阵列的可能性。使用单层 PZT 纳米线阵列制成的纳米发电机的输出峰值电压约为 0.7 V，峰值电流密度为 4a cm-2，平均功率密度为 2.8 mW cm-3，是PZT 悬臂 26，27 的 6-12 倍。通过使用整流电路，来自七层集成纳米发电机的电能被整流并存储到电容器中，然后用于点亮商业 LD。这是实现将纳米线纳米发电机应用于未来自供电、无线纳米设备甚至个人微电子的目标的一个里程碑。参考文献：1 圣邦微电子推出支持松耦合电源的新一代线性充电器J.世界电子元器件,2022(12):3132.2 SJ/T 11705-2018.微电子器件封装的地和电源阻抗测试方法S.3 黄斌,铁路微电子相敏轨道电路电源产生系统.广西壮族自治区,柳州铁道职业技术学院,2016-05-04.4 谢智娟,金学军.无线感应耦合充电系统仿真与设计J.电视技术,2013(13):135137+160.5 奥地利微电子推出有助于智能手机和平板电脑处理器散热的新款电源管理ICJ.中国集成电路,2013(6):84.作者简介：肖 奇（1988）性别：男，民族：汉族，籍贯：湖南衡阳，学历：大专，职称：电子工程师，毕业于：中国科学技术大学，从事工作：电子自动化检测设备设计。作者单位：广东华美骏达电器有限公司