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微型能量采集技術與自驅動傳感系統 版權信息
- ISBN：9787030727886
- 條形碼：9787030727886 ; 978-7-03-072788-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
微型能量采集技術與自驅動傳感系統 內容簡介
本書對微型能量采集技術和自驅動傳感技術進行了全面闡述，包括太陽能、熱能、生物化學能、機械能等不同能量源轉換成電能的采集技術，特別是采集機械能的多種能量采集器，如電磁式、壓電式、靜電式、摩擦式等，進而介紹了多種采集原理的復合、儲能技術以及主動式傳感和自驅動智能微系統的相關研究。 本書適合微電子、人工智能、互聯網、機械、電子等領域的高年級本科生、研究生以及相關領域的科研工作者和工程技術人員參考閱讀。
微型能量采集技術與自驅動傳感系統 目錄
目錄
前言
第1章 微型能量采集技術 1
1.1 信息時代的能源危機 1
1.2 常用的能量采集技術 2
1.2.1 太陽能發電技術 2
1.2.2 熱能發電技術 4
1.2.3 生物化學能發電技術 5
1.2.4 機械能發電技術 6
1.2.5 常見能量采集技術的比較 7
1.3 采集機械能的微型能量采集器 7
1.4 復合式能量采集系統 14
1.4.1 多能量采集器的復合供能 14
1.4.2 多能量采集器的復合儲能 16
1.5 主動傳感技術與自驅動智能微系統 17
1.5.1 主動傳感技術原理概述 17
1.5.2 自驅動智能微系統概述 18
1.6 本章小結 19
參考文獻 19
第2章 電磁式能量采集器 23
2.1 電磁能量采集原理 23
2.2 電磁式能量采集器的工作模式 24
2.3 電磁式能量采集器的結構設計與優化 26
2.4 電磁式能量采集器的制備工藝 29
2.4.1 硬磁材料的電鍍工藝 29
2.4.2 能量采集器的制備工藝 32
2.5 電磁式能量采集器性能測試與分析 34
2.6 本章小結 36
參考文獻 36
第3章 壓電式能量采集器 37
3.1 壓電能量采集原理 37
3.2 壓電材料 38
3.3 壓電式能量采集器的典型結構與仿真分析 40
3.4 壓電式能量采集器的制備工藝 43
3.5 壓電式能量采集器的性能測試與分析 45
3.5.1 壓電式能量采集器的測試平臺 45
3.5.2 壓電式能量采集器的輸出性能 46
3.6 本章小結 47
參考文獻 47
第4章 摩擦發電機 49
4.1 摩擦發電原理 49
4.1.1 材料的摩擦序列 49
4.1.2 摩擦發電機的工作原理 50
4.2 接觸分離式摩擦發電機 53
4.2.1 三明治結構 53
4.2.2 接觸分離式摩擦發電機的制備工藝 55
4.2.3 接觸分離式摩擦發電機的性能與應用 56
4.3 滑動式摩擦發電機 59
4.4 單電極式摩擦發電機 62
4.4.1 單電極式摩擦發電機的工作原理 62
4.4.2 單電極式摩擦發電機的結構設計 63
4.4.3 單電極式摩擦發電機的制備工藝 65
4.4.4 單電極式摩擦發電機的性能與應用 66
4.5 自由滑動式摩擦發電機 67
4.6 無電極式摩擦發電機 71
4.6.1 以大地為參考電極的工作原理 71
4.6.2 以大地為參考電極的結構設計 72
4.6.3 以大地為參考電極的性能與應用 73
4.6.4 以導體為參考電極的工作機理和結構設計 74
4.6.5 以導體為參考電極的性能與應用 76
4.7 摩擦發電機的性能優化 78
4.7.1 增加表面接觸面積 78
4.7.2 改變表面材料得失電子的能力 81
4.7.3 提升表面電荷密度 83
4.8 本章小結 86
參考文獻 86
第5章 三維能量采集器 89
5.1 三維結構的加工技術及應用 89
5.1.1 三維結構的加工技術 89
5.1.2 三維結構的應用 94
5.2 三維電磁式能量采集器 96
5.2.1 三維電磁式能量采集器的結構設計 97
5.2.2 三維電磁式能量采集器的制備工藝 98
5.2.3 三維電磁式能量采集器的性能與應用 99
5.3 三維壓電式能量采集器 103
5.3.1 三維壓電式能量采集器的結構設計 103
5.3.2 三維壓電式能量采集器的制備工藝 103
5.3.3 三維壓電式能量采集器的性能與應用 105
5.4 三維摩擦發電機 106
5.4.1 三維摩擦發電機的結構設計 106
5.4.2 三維摩擦發電機的制備工藝 109
5.4.3 三維摩擦發電機的性能與應用 110
5.5 液態環境下的三維摩擦發電機 112
5.5.1 液態環境下三維摩擦發電機的結構設計 112
5.5.2 液態環境下三維摩擦發電機的制備工藝 114
5.5.3 液態環境下三維摩擦發電機的性能與應用 116
5.6 本章小結 121
參考文獻 122
第6章 復合式能量采集器 125
6.1 電磁-摩擦復合式能量采集器 125
6.1.1 電磁-摩擦復合式能量采集器的工作原理 125
6.1.2 電磁-摩擦復合式能量采集器的結構設計 127
6.1.3 電磁-摩擦復合式能量采集器的制備工藝 128
6.1.4 電磁-摩擦復合式能量采集器的性能與應用 129
6.2 壓電-摩擦復合式能量采集器 131
6.2.1 壓電-摩擦復合式能量采集器的工作原理 132
6.2.2 簡單復合模式 135
6.2.3 異步工作模式 138
6.2.4 同步工作模式 142
6.3 光伏-摩擦復合式能量采集器 146
6.3.1 光伏-摩擦復合式能量采集器的工作原理 146
6.3.2 光伏-摩擦復合式能量采集器的結構設計 148
6.3.3 光伏-摩擦復合式能量采集器的制備工藝 149
6.3.4 光伏-摩擦復合式能量采集器的性能與應用 150
6.4 本章小結 152
參考文獻 153
第7章 主動傳感技術 155
7.1 主動傳感原理 155
7.1.1 模擬式主動傳感原理 155
7.1.2 數字式主動傳感原理 156
7.2 基于振幅的主動壓力傳感器 157
7.2.1 基于振幅的主動壓力傳感器的工作原理與設計 157
7.2.2 基于振幅的主動壓力傳感器的制備工藝 159
7.2.3 基于振幅的主動壓力傳感器的性能與應用 160
7.3 基于比例的主動定位傳感器 162
7.3.1 基于比例的主動定位傳感器的工作原理與設計 162
7.3.2 基于比例的主動定位傳感器的制備工藝 166
7.3.3 基于比例的主動定位傳感器的性能與應用 168
7.4 基于頻率的主動滑動傳感器 173
7.4.1 基于頻率的主動滑動傳感器的工作原理與設計 174
7.4.2 基于頻率的主動滑動傳感器的制備工藝 178
7.4.3 基于頻率的主動滑動傳感器的性能與應用 179
7.5 基于開關模式的主動判別傳感器 182
7.5.1 基于開關模式的主動判別傳感器的工作原理與設計 182
7.5.2 基于開關模式的主動判別傳感器的制備工藝 182
7.5.3 基于開關模式的主動判別傳感器的性能與應用 184
7.6 基于比較模式的主動判別傳感器 186
7.6.1 基于比較模式的主動判別傳感器的工作原理與設計 186
7.6.2 基于比較模式的主動判別傳感器的制備工藝 188
7.6.3 基于比較模式的主動判別傳感器的性能與應用 189
7.7 本章小結 191
參考文獻 191
第8章 自驅動智能微系統 192
8.1 系統構成 192
8.2 能量模塊 193
8.2.1 能量存儲 194
8.2.2 能量管理電路 197
8.2.3 自驅動能量單元 205
8.3 感知模塊 212
8.3.1 非接觸式電子皮膚的結構設計 213
8.3.2 標準化測試與性能表征 214
8.3.3 多通道人機交互界面的實時游戲平臺 217
8.4 響應模塊 219
8.4.1 基于無線傳輸的人體運動監測系統 220
8.4.2 自驅動可視化傳感技術 222
8.5 應用實例 226
8.6 自驅動智能微系統的未來 228
參考文獻 229
前言
第1章 微型能量采集技術 1
1.1 信息時代的能源危機 1
1.2 常用的能量采集技術 2
1.2.1 太陽能發電技術 2
1.2.2 熱能發電技術 4
1.2.3 生物化學能發電技術 5
1.2.4 機械能發電技術 6
1.2.5 常見能量采集技術的比較 7
1.3 采集機械能的微型能量采集器 7
1.4 復合式能量采集系統 14
1.4.1 多能量采集器的復合供能 14
1.4.2 多能量采集器的復合儲能 16
1.5 主動傳感技術與自驅動智能微系統 17
1.5.1 主動傳感技術原理概述 17
1.5.2 自驅動智能微系統概述 18
1.6 本章小結 19
參考文獻 19
第2章 電磁式能量采集器 23
2.1 電磁能量采集原理 23
2.2 電磁式能量采集器的工作模式 24
2.3 電磁式能量采集器的結構設計與優化 26
2.4 電磁式能量采集器的制備工藝 29
2.4.1 硬磁材料的電鍍工藝 29
2.4.2 能量采集器的制備工藝 32
2.5 電磁式能量采集器性能測試與分析 34
2.6 本章小結 36
參考文獻 36
第3章 壓電式能量采集器 37
3.1 壓電能量采集原理 37
3.2 壓電材料 38
3.3 壓電式能量采集器的典型結構與仿真分析 40
3.4 壓電式能量采集器的制備工藝 43
3.5 壓電式能量采集器的性能測試與分析 45
3.5.1 壓電式能量采集器的測試平臺 45
3.5.2 壓電式能量采集器的輸出性能 46
3.6 本章小結 47
參考文獻 47
第4章 摩擦發電機 49
4.1 摩擦發電原理 49
4.1.1 材料的摩擦序列 49
4.1.2 摩擦發電機的工作原理 50
4.2 接觸分離式摩擦發電機 53
4.2.1 三明治結構 53
4.2.2 接觸分離式摩擦發電機的制備工藝 55
4.2.3 接觸分離式摩擦發電機的性能與應用 56
4.3 滑動式摩擦發電機 59
4.4 單電極式摩擦發電機 62
4.4.1 單電極式摩擦發電機的工作原理 62
4.4.2 單電極式摩擦發電機的結構設計 63
4.4.3 單電極式摩擦發電機的制備工藝 65
4.4.4 單電極式摩擦發電機的性能與應用 66
4.5 自由滑動式摩擦發電機 67
4.6 無電極式摩擦發電機 71
4.6.1 以大地為參考電極的工作原理 71
4.6.2 以大地為參考電極的結構設計 72
4.6.3 以大地為參考電極的性能與應用 73
4.6.4 以導體為參考電極的工作機理和結構設計 74
4.6.5 以導體為參考電極的性能與應用 76
4.7 摩擦發電機的性能優化 78
4.7.1 增加表面接觸面積 78
4.7.2 改變表面材料得失電子的能力 81
4.7.3 提升表面電荷密度 83
4.8 本章小結 86
參考文獻 86
第5章 三維能量采集器 89
5.1 三維結構的加工技術及應用 89
5.1.1 三維結構的加工技術 89
5.1.2 三維結構的應用 94
5.2 三維電磁式能量采集器 96
5.2.1 三維電磁式能量采集器的結構設計 97
5.2.2 三維電磁式能量采集器的制備工藝 98
5.2.3 三維電磁式能量采集器的性能與應用 99
5.3 三維壓電式能量采集器 103
5.3.1 三維壓電式能量采集器的結構設計 103
5.3.2 三維壓電式能量采集器的制備工藝 103
5.3.3 三維壓電式能量采集器的性能與應用 105
5.4 三維摩擦發電機 106
5.4.1 三維摩擦發電機的結構設計 106
5.4.2 三維摩擦發電機的制備工藝 109
5.4.3 三維摩擦發電機的性能與應用 110
5.5 液態環境下的三維摩擦發電機 112
5.5.1 液態環境下三維摩擦發電機的結構設計 112
5.5.2 液態環境下三維摩擦發電機的制備工藝 114
5.5.3 液態環境下三維摩擦發電機的性能與應用 116
5.6 本章小結 121
參考文獻 122
第6章 復合式能量采集器 125
6.1 電磁-摩擦復合式能量采集器 125
6.1.1 電磁-摩擦復合式能量采集器的工作原理 125
6.1.2 電磁-摩擦復合式能量采集器的結構設計 127
6.1.3 電磁-摩擦復合式能量采集器的制備工藝 128
6.1.4 電磁-摩擦復合式能量采集器的性能與應用 129
6.2 壓電-摩擦復合式能量采集器 131
6.2.1 壓電-摩擦復合式能量采集器的工作原理 132
6.2.2 簡單復合模式 135
6.2.3 異步工作模式 138
6.2.4 同步工作模式 142
6.3 光伏-摩擦復合式能量采集器 146
6.3.1 光伏-摩擦復合式能量采集器的工作原理 146
6.3.2 光伏-摩擦復合式能量采集器的結構設計 148
6.3.3 光伏-摩擦復合式能量采集器的制備工藝 149
6.3.4 光伏-摩擦復合式能量采集器的性能與應用 150
6.4 本章小結 152
參考文獻 153
第7章 主動傳感技術 155
7.1 主動傳感原理 155
7.1.1 模擬式主動傳感原理 155
7.1.2 數字式主動傳感原理 156
7.2 基于振幅的主動壓力傳感器 157
7.2.1 基于振幅的主動壓力傳感器的工作原理與設計 157
7.2.2 基于振幅的主動壓力傳感器的制備工藝 159
7.2.3 基于振幅的主動壓力傳感器的性能與應用 160
7.3 基于比例的主動定位傳感器 162
7.3.1 基于比例的主動定位傳感器的工作原理與設計 162
7.3.2 基于比例的主動定位傳感器的制備工藝 166
7.3.3 基于比例的主動定位傳感器的性能與應用 168
7.4 基于頻率的主動滑動傳感器 173
7.4.1 基于頻率的主動滑動傳感器的工作原理與設計 174
7.4.2 基于頻率的主動滑動傳感器的制備工藝 178
7.4.3 基于頻率的主動滑動傳感器的性能與應用 179
7.5 基于開關模式的主動判別傳感器 182
7.5.1 基于開關模式的主動判別傳感器的工作原理與設計 182
7.5.2 基于開關模式的主動判別傳感器的制備工藝 182
7.5.3 基于開關模式的主動判別傳感器的性能與應用 184
7.6 基于比較模式的主動判別傳感器 186
7.6.1 基于比較模式的主動判別傳感器的工作原理與設計 186
7.6.2 基于比較模式的主動判別傳感器的制備工藝 188
7.6.3 基于比較模式的主動判別傳感器的性能與應用 189
7.7 本章小結 191
參考文獻 191
第8章 自驅動智能微系統 192
8.1 系統構成 192
8.2 能量模塊 193
8.2.1 能量存儲 194
8.2.2 能量管理電路 197
8.2.3 自驅動能量單元 205
8.3 感知模塊 212
8.3.1 非接觸式電子皮膚的結構設計 213
8.3.2 標準化測試與性能表征 214
8.3.3 多通道人機交互界面的實時游戲平臺 217
8.4 響應模塊 219
8.4.1 基于無線傳輸的人體運動監測系統 220
8.4.2 自驅動可視化傳感技術 222
8.5 應用實例 226
8.6 自驅動智能微系統的未來 228
參考文獻 229
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微型能量采集技術與自驅動傳感系統 節選
第1章 微型能量采集技術 顧名思義，能量采集就是將周圍環境的能量通過某種特定方式采集并轉化成電能，供給傳感器、集成電路芯片等器件使用。根據能量守恒定律，能量可以從一種形式轉化為另一種形式，如果某種技術能夠自動地對一種持續的能量源實現能量轉化，就可以使特定能量采集器持續地輸出電能，這種技術稱為能量采集技術。 1.1 信息時代的能源危機 電能自第二次工業革命以來，徹底改變了人類的生產生活方式，極大地提升了生產力和生產效率，火力發電 (如煤和石油 )廠、水力發電站、核能發電站、風力發電廠、大型的輸電網路和遍及家家戶戶的電力系統等已經成為世界各個國家和地區的核心基礎設施，為社會的正常運轉提供了基本保障。 進入21世紀以來，人類社會全面進入信息時代，電能的供給問題再次成為全社會的熱點問題，一方面傳統發電的弊端日益暴露，非可再生能源的日益枯竭以及發電站對生態環境的嚴重污染，困擾了人類的進一步發展。但這只是問題的冰山一角，隨著誕生于20世紀50年代的微電子產業在摩爾定律的指引下迅猛發展，計算機、互聯網等新興產業徹底改變了世界格局，將許多電子設備以及傳統意義上的巨型工作站模式過渡到個人化模式，越來越多的微型電子設備和系統進入了人類的生產和生活中，如圖1.1所示。這些微型電子設備和系統與功耗高、數目有限的初代電子產品不同，它們具有體積小、功耗低、數量大、分布廣等特點，這就對傳統上相對集中和有線的供電模式提出了挑戰 [1]，因為這些微型的電子器件或者系統需要長期持續穩定的低電量供給。目前它們主要依賴于各種分立的電池，但是電池的容量有限，而且頻繁地更換電池或充電會對電子器件的使用造成極大的不便，此外，電池的回收處理也仍伴隨著環境的污染等問題。 因此，圍繞微型電子產品的供能問題，研究者開始研發微型能量采集技術，即采集器件或系統所處環境中的能量(如機械能、風能、水能、熱能、太陽能等) 并將其轉化為電能，直接為這些微型化的電子設備供能 [2，3]。雖然這些微型能量采集器輸出的能量有限，但是對于當前諸多低功耗的微型電子設備所需要的電能來說，它們基本上在同一個數量級，能夠滿足這些微小型電子產品的能量需求。此外，由于微型能量采集器的尺寸很小，可以方便地與各種微型器件或系統進行集成，從而在確保能夠維持系統長期穩定工作的同時又能夠有效地減少整體的體積和重量，極大地提高了環境適應性和適用范圍。因此，微型能量采集器的研究得到了國際學術界和產業界的極大關注。 圖1.1 電子設備的發展趨勢 1.2 常用的能量采集技術 自然界中存在多種形式的能量，如光能、熱能、電磁波能、化學能、機械能等，可通過能量采集技術利用不同的能量轉化原理，將每一種形式的能量轉化成電能加以利用。 1.2.1 太陽能發電技術 太陽能是由太陽內部的氫原子發生核聚變產生的巨大核能，是地球能量的*主要來源。太陽能電池主要利用光伏效應，將太陽能中的光能部分轉化為電能。該過程不會產生任何污染物質，綠色環保，是一種極有競爭力的能量采集技術。 太陽能電池的工作原理是基于半導體的光伏效應，如圖1.2(a)所示。當太陽光中的光子發射到半導體 P-N結表面時，半導體將吸收光子的能量，從而產生電子-空穴對。材料內部的部分電子、空穴將復合，而在材料表面的電子和空穴則成功分離。此時將 P-N結的兩端連接，非平衡下的電子-空穴對將形成光電流，從而將光能轉化為電能。 太陽能電池的發展根據材料劃分為三代，如圖1.2(b)所示。**代是以單晶硅、多晶硅為材料的傳統太陽能電池。第二代是以非晶硅、CdTe等為主要功能材料的薄膜太陽能電池。第三代則以有機材料和新型無機材料為主要功能材料，如近年來效率迅猛提升的鈣鈦礦電池，目前第三代電池仍處于研發階段，尚未完全商用。*新的研究趨勢則是在上述材料的基礎上添加光學聚焦元件來提升太陽能采集轉換的效率。 圖1.2 太陽能發電技術 太陽能電池研究領域*為關心的問題在于能量轉化效率。截至目前，在已報道的數據中，能量*高轉化效率達到了47.1%[4]，從理論上來分析，太陽能電池的效率仍有一定的提升空間。 然而，束縛太陽能電池應用的關鍵問題在于器件的工作對環境的依賴性很強。陰雨天氣下，太陽能中的光能難以抵達日常的太陽能電池，從而導致太陽能電池無法工作，這種不確定性極大地降低了太陽能供電的可靠性和連續性。 1.2.2 熱能發電技術 熱能以多種形式廣泛地存在于環境之中，如太陽能中的熱能、地熱、機器散熱乃至人體熱等。熱電發電技術就是將這些環境中的熱能轉化為電能，常采用的原理一般有兩種：熱電效應和熱釋電效應。 熱電效應，也稱為塞貝克效應，主要借助空間中的溫度差，將器件兩端的溫度差轉化為電勢差，在用導線連接之后會產生電流，采用這種原理的熱電發電機又稱為塞貝克發電機，如圖1.3(a)所示。熱電發電機的關鍵在于制備合適的熱電材料。理想的熱電材料要求電阻較小而熱阻較大，以利于維持溫度差而增強電流。常用的熱電材料主要有 Bi2Te3、PbTe和SiGe，而這些材料往往價格昂貴，使得高性能熱電發電機的成本居高不下。盡管有不少研究者利用納米科學技術在一定程度上提高了材料的熱電性能，但是微納加工的高昂成本和不穩定性同樣束縛著熱電發電機的實用化。此外，因為日常生活中自然產生的溫度差有限，所以熱電發電機的效率很低，只能達到 8%。可見，高昂的成本和較低的能量轉化效率是熱電發電機發展的主要障礙。 圖1.3 熱電發電技術 熱釋電效應(見圖1.3(b))是另一種常見的熱能轉化為電能的原理，它主要依靠時間上的溫度差來進行能量轉換 [5]。具有熱釋電效應的材料稱為熱釋電材料，是壓電材料的一種，一般情況下是不具有中心對稱性的晶體。當熱釋電材料被加熱或冷卻時，溫度的變化會改變晶體結構中的原子位置，從而產生極化。極化效應使得在晶體兩端產生電勢差。不同于熱電效應，當外部溫度不再變化后，此電勢差會因為漏電流的原因而逐漸消失，因此熱釋電發電機從理論上來講效率很高，但是為了保證熱釋電發電機穩定持續工作，需要外部環境周期性變化，而這種情況在日常生活中幾乎不會自然存在。由于這種發電原理對環境的苛刻要求，到目前為止，仍沒有一款熱釋電發電機真正實現商用。 1.2.3 生物化學能發電技術 生物體本身具有復雜多樣的生物化學能，利用酶或微生物組織等作為催化劑，將生物質能轉化為電能的發電器件統稱為生物燃料電池。 生物燃料電池利用了燃料電池的工作原理，是一種將化學能轉化為電能的設備，通常是將燃料和氧化劑進行氧化還原反應變為電能[6]，不同于電池需要將活性物質存儲在器件內部，燃料電池本身并不包含活性物質，只是單純的換能元件，燃料和氧化劑都由外部供給。因此，原則上只要反應物不斷輸入、反應產物不斷排出，燃料電池就可以持續地將化學能轉化為電能，從而實現持續穩定的能量供給。*典型的燃料電池以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，通過化學反應將化學能轉化為電能，已經得到了廣泛的應用。 生物燃料電池則以生物質直接作為燃料，如人體大量產生的各種酶、乙醇、乳酸、葡萄糖等，利用生物體內存在與能量代謝關系密切的氧化還原反應，實現生物質能到電能的轉化。 基于血糖的生物燃料電池 (見圖1.4(a)[7])就是利用葡萄糖這種人體內廣泛存在且蘊含較多能量的物質，在葡糖糖酶的催化下，葡萄糖在陽極被氧化失去電子，而氧氣在陰極被還原變成水。從生物學上來看，基于血糖的生物燃料電池是模仿細胞中的線粒體的反應機制設計制成的，線粒體可以視為理想的葡萄糖基生物燃料電池。 除了血糖，人體汗液中的乳酸也是一種常見的生物燃料，基于汗液的生物燃料電池(見圖1.4(b)[8])，在酶的作用下，乳酸分子失去電子成為丙酮酸鹽，而陰極的金屬氧化物經過還原反應變為金屬單質，實現了生物質能向電能的轉化。 圖1.4 生物化學能發電技術 當前，生物燃料電池*大的優點是燃料來源豐富，但*大的問題是燃料的供給有限且不穩定。目前生物燃料電池的能量密度僅有幾十微瓦每平方厘米。盡管此類燃料電池的燃料直接來自人體本身，便于采集，但是人體可以產生的酶等畢竟有限，而且受環境變化影響較大且很不穩定，因此生物燃料電池在能量供給的輸出和長期穩定性上都存在很大挑戰。 1.2.4 機械能發電技術 機械能是存在形式*為廣泛的一種能量，大到自然界的海浪起伏，小到蝴蝶扇動翅膀，都是不同形式的機械能。圖1.5為當前人類對能源的利用方式及效率。可以看出，絕大多數自然界存在的能量都通過機械能轉化為電能，且具有非常高的轉化效率。因此，機械能轉化為電能是*受研究者關注的領域，無論是轉化機理還是結構和材料都極為豐富。機械能的發電技術主要基于電磁感應效應、靜電感應效應、壓電效應、摩擦起電效應等。 圖1.5 當前人類對能源的利用方式及效率 η. 能量轉化效率 電磁感應效應是當前很多宏觀發電機*主要的發電原理，即由磁通量的變化產生感應電動勢，當閉合電路中的導體在外界機械能的作用下在磁場中做切割磁感線的運動時，導體中便會產生電流，從而將磁鐵運動的動能轉化為電能。 靜電感應式發電機是基于靜電感應效應或者摩擦起電效應、由外界的機械運動引起電場分布的改變，從而實現機械能到電能的轉換。 壓電效應基于壓電材料的特性，由于材料本身在晶格結構上無對稱中心，在機械能作用下產生形變，會引起電極化強度的變化，進而形成電流。 摩擦起電效應則是基于摩擦等機械運動的過程中會在摩擦副表面產生表面電荷的分布和轉移從而在外電路形成電流。 盡管以上感應原理都能將機械能轉化為電能，但是轉化之后的電能輸出特點
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