由於全球能源危機與地球暖化，人類對於使用綠能的意識提升。摩擦發電機(Triboelectric nanogenerator TENG)屬於乾淨能源並具備自供電、高電壓信號與高靈敏度響應的特性，因此具有很大的潛力製作成自供電的傳感器且TENG的發電性能與其力學靈敏度息息相關。 因此本文探討具不同微結構(緊鄰微針、分離微針、平台狀及重疊微錐)摩擦層TENG的力學靈敏度並分析其適用的範圍，透過上述分析製作能偵測不同流速(量)的感測器，其成?偵測人體單次呼氣的流量為67 2~96 6 L/min，具有潛力成為人體健康監測設備。在單位面積上具最高密度的結構為緊鄰其可摩擦表面積與輸出性能皆最優異，在製作摩擦層結構的方法有昂貴的半導體微奈米加工與便宜的雷射加工，因此本文選用具經濟效益的CO2雷射製作微結構，有別於傳統雷射加工利用單一參數控制形貌，本文提出新複合參數能加速找到製作緊鄰微針結構的雷射參數，其相較於平坦無結構的可摩擦表面積增加547 53%，另外分離微針結構及平台狀結構則分別僅增加254 08%及211 24%；在電動缸為100 N、頻率5 Hz的作動下開路電壓峰值分別增加548 78%、 495 12%及484 14%。此外尺寸5×5 cm2的緊鄰微針、分離微針及平台狀結構在0-3 N的力學靈敏度分別為0 368、0 258及0 015 VN-1。接著將緊鄰微針摩擦層的尺寸增加至7×7cm2在0-3 N的力學靈敏度則會提升至1 521 VN-1相較尺寸為5×5 cm2增加413 3%。 ?率密度在較大作動能量損耗的電動缸為100 N且頻率5 Hz下量測：尺寸為5×5 cm2的緊鄰微針、分離微針及平台狀結構摩擦層，?率密度分別為7 61、5 18及4 80 mW/m2；若在較高作動效率的氣動缸5 Hz下量測：5×5 cm2和7×7 cm2的緊鄰微針結構開路電壓峰值分別提升至28 7及47 2 V且輸出?率密度分別提升至42 44及122 74 mW/m2。越高的作動頻率也會有越大的輸出性能，因此將氣動缸頻率調至9 Hz，7×7 cm2的緊鄰微針摩擦層開路電壓峰值則提升至115 5 V並能點亮110顆LED。接著利用COMSOL模擬輔助驗證性能變化趨勢與摩擦層表面積的關係，藉由Origin繪製電流峰值圖並積分底下面積得到短路電荷Qsc且藉由理論計算得到相對應的表面電荷密度後，用平行電容板見模並模擬不同微結構摩擦層TENG的開路電壓峰值。 最後將具最佳力學靈敏度的微結構製作成流速(量)感測器，基於流速越快能使摩擦層與電極之間接觸分離的頻率與作用力隨之提升並造成電性能的增加。此感測器最低能偵測的流速為88 8 m/s並成?感測人體吐氣的信號。在流速為317 5 m/s下能成?點亮20顆LED，具有成為的自供電的人體健康監測設備潛力。
A study on the mechanical sensitivity of different microstructured triboelectric nanogenerators and its application
華倫, 紀. (Author). 2020
學生論文: Doctoral Thesis