利用流體加熱實現千伏級熱釋電電壓產生和靜電驅動

核心概念

本文展示了一種分佈式熱釋電高壓產生機制，利用交替暴露於冷熱水（30°C 至 90°C 水溫）的晶體為千伏級致動器供電，並探討了其在實現不受束縛的微型機器人方面的潛力。

摘要

分佈式熱釋電高壓產生系統介紹

本文介紹了一種利用流體加熱和冷卻實現分佈式熱釋電電壓產生和驅動的系統，作為先前報導的電阻加熱方法的替代方案。該系統能夠收集環境中廣泛存在的熱能並將其轉化為電能，使不受束縛的微型機器人無需電池充電即可運行。

系統組成

該系統由熱釋電高壓產生 (PHVG) 單元和用於連接 3D 打印合金晶體支架的流體通道組成。每個鈮酸鋰晶體都充當熱釋電電壓產生器。由於其低介電常數、低介電損耗、適度的熱釋電係數以及易於獲得高品質晶圓，鈮酸鋰是該系統的理想材料。

工作原理

多個 PHVG 單元通過流體通道串聯連接。蠕動液體泵用於將儲液罐中的冷熱液體泵入管道中循環，從而將熱能轉化為多個晶體位置的電能。在加熱/冷卻的同時，鈮酸鋰晶體的表面會產生熱釋電電壓。累積的電荷在熱釋電晶體和與其中一個晶體電極串聯連接的機電靜電開關的電容之間共享。當熱釋電電壓達到吸合不穩定點時，機械開關閉合併將熱釋電電壓傳遞到負載，負載可以是儲能電容器或電容式致動器。

系統優勢

該系統能夠在分佈式 PHVG 位置產生高電壓，其限制僅受空氣介電擊穿的限制。這種架構將有助於為具有許多致動器的機器人供電，例如 [17] 中介紹的軟體機器人，其中每個蛇形機器人的彎曲關節處都採用了介電彈性體致動器 (DEA)。這種設計的主要優點是千伏級電壓的局部驅動和存儲，避免了電荷傳遞過程中的電荷耗散和電弧。

等效熱路模型

模型建立

本文建立了一個 PHVG 單元的等效熱路模型，該模型考慮了元件的熱阻和熱容。將液體建模為熱源，並假設其溫度在傳熱過程中保持恆定。與金屬合金和晶體相比，流水的熱容和等效熱容以及質量要高得多，因此這是一個合理的假設。為簡單起見，該模型中未包含流體的熱力學。

熱傳遞過程

鈮酸鋰晶體通過導熱膠粘合到金屬通道上，以實現從循環流體到晶體的最佳熱傳遞。來自液體的熱量需要通過金屬通道和導熱膠層才能到達晶體，因此這三個模塊（金屬通道、導熱膠、晶體）串聯連接。每個模塊都被建模為具有溫降的熱阻和儲熱電容器的組合。

模型驗證

實驗測量了在不同溫度下用水加熱的晶體的溫度變化率 dT/dt，並與等效電路模型的仿真結果進行了比較。由於串聯的熱阻是線性元件，因此該模型預測了熱源與熱釋電晶體處的溫度變化率之間存在線性關係。

實驗結果

電壓和能量存儲

PHVG 系統經過測試，可以向儲能電容器提供高電壓。實驗使用了三個電容值分別為 2pF、10pF 和 47pF 的電容器作為負載，分別存儲由流體傳熱驅動的熱釋電晶體產生的電壓。實驗在室溫（25°C）下進行。電容器越大，建立電壓所需的電荷就越多。在 90°C 的流體溫度下，2pF 儲能電容器上達到的最大電壓為 2.47kV。

靜電致動器驅動

實驗使用 PHVG 系統驅動靜電致動器。該致動器由兩塊填充有柱陣列的部件組成，因此它可以具有較高的表面積體積比，從而產生較高的能量密度。當由 PHVG 系統驅動時，最大位移達到 2.5µm，對應於 1033V 的電壓。該演示表明 PHVG 系統可以成功地通過流體控制機器人驅動。

結論

主要成果

本文展示了一種利用熱釋電效應和機械開關的分佈式高壓產生系統。流體通道用於將熱能傳遞到多個高壓產生器，這為構建具有多個致動器和單個環境加熱/冷卻源的微型機器人平台提供了一條途徑。這種架構不僅允許在多個位置產生千伏級電壓，而且其設計初衷就是利用從環境中收集的額外熱能來實現可持續運行。

未來方向

需要進一步努力來簡化設置並減小系統的尺寸、重量和功耗 (SWaP)。例如，[18] 為利用液-汽相變來引起溫度變化和消除外部泵的使用提供了靈感。為了驅動具有大電容或高電壓要求的致動器，可以使用多個晶體將電壓傳遞到單個儲能電容器。

統計資料

使用 30°C 至 90°C 的水溫進行流體溫度控制。
在 2pF 儲能電容器上產生了 2470V 的熱釋電電壓。
向 2pF 電容器傳輸了 6.10 µJ 的儲能。
向 47pF 電容器傳輸了 17.46 µJ 的最大能量，電壓為 861V。
靜電致動器實現了 2.5 µm 的最大位移，對應於 1033V 的電壓。

引述

"The development of this distributed system would enable untethered micro-robot to be operated with a flexible body and free of battery recharging, which advances its applications in the real world."
"The key advantage of this design is the localized actuation and storage of kilovolts of voltages, which avoids the charge dissipation and arcing in charge delivery."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Kilovolt Pyroelectric Voltage Generation and Electrostatic Actuation With Fluidic Heating

by Di Ni, Ved G... 於 arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.02295.pdf

深入探究

除了水之外，還有哪些其他流體可以有效地用於該系統的熱傳遞？

除了水之外，還有許多其他流體可以用於該熱釋電能量收集系統，具體取決於工作溫度範圍、熱傳遞效率和系統要求。以下列舉幾種可能的替代流體：

低溫應用:

乙醇: 乙醇具有比熱容較低、沸點較低的特點，適用於低溫環境下的熱能收集。
液氮: 液氮擁有極低的沸點和高熱傳導率，適用於極低溫環境下的熱能收集，但需要考慮其揮發性和安全性。

高溫應用:

導熱油: 導熱油具有高沸點和良好的熱穩定性，適用於高溫環境下的熱能收集。
熔鹽: 熔鹽具有更高的沸點和熱容量，適用於更高溫環境下的熱能收集，但需要考慮其腐蝕性和粘度。

其他特殊流體:

奈米流體: 奈米流體是將奈米顆粒分散在基礎流體中形成的懸浮液，具有比傳統流體更高的熱傳導率，可以提高熱傳遞效率。
離子液體: 離子液體具有低蒸汽壓、高熱穩定性和可調控的物理化學性質，可以根據需求定制其熱學性質。
需要注意的是，選擇替代流體時需要考慮其化學穩定性、與系統材料的相容性、安全性以及成本等因素。

如何提高該系統的能量轉換效率以滿足更廣泛的應用需求？

提高該分佈式熱釋電能量收集系統的能量轉換效率對於其更廣泛的應用至關重要。以下列舉幾種可能的優化方向：

材料方面:

選用高性能熱釋電材料: 例如 PMN-PT 或 PZT 等具有更高熱釋電係數的材料，可以有效提高電荷產生效率。
優化電極材料和結構: 採用低電阻率的電極材料和優化電極結構可以降低能量損耗，提高輸出功率。

結構設計方面:

增加熱釋電晶體數量和面積: 在有限空間內串聯更多或更大面積的晶體可以提高總體電壓和電流輸出。
優化流道設計: 設計合理的流道結構可以提高流體與熱釋電晶體之間的熱交換效率，進一步提高能量轉換效率。
降低寄生電容: 優化電路設計和佈局可以降低寄生電容，減少能量損耗。

能量管理方面:

採用高效能量收集電路: 例如使用同步整流技術或多級電壓轉換電路可以提高能量收集效率。
開發低功耗控制和儲能系統: 降低系統自身的功耗可以提高整體能量利用效率。
此外，還可以結合環境溫度變化規律，優化系統工作模式，例如利用相變材料儲存熱能，提高系統的持續工作能力。

如果將這種分佈式熱釋電能量收集系統應用於人體，有哪些潛在的醫療應用？

將這種分佈式熱釋電能量收集系統應用於人體，可以利用人體自身產生的熱能為植入式或穿戴式醫療設備供電，具有巨大的潛在醫療應用價值。以下列舉幾種可能的應用方向：

植入式醫療設備供電:

心臟起搏器: 利用體溫差異為心臟起搏器提供持續電力，延長其使用壽命，減少手術次數。
神經刺激器: 為治療帕金森病、癲癇等疾病的神經刺激器提供能量，實現長期穩定的治療效果。
藥物遞送系統: 為植入式藥物遞送系統提供能量，實現按需釋放藥物，提高治療效果。

穿戴式醫療設備供電:

健康監測設備: 利用體溫為穿戴式健康監測設備供電，實現長時間連續監測心率、血壓、血糖等生理指標。
運動追踪設備: 為運動追踪設備提供能量，實現更長時間的運動數據記錄和分析。
此外，該系統還可以與其他能量收集技術（如機械能收集、射頻能量收集等）相結合，構建自驅動的醫療設備，進一步提高醫療設備的智能化和便捷性。
需要注意的是，將該系統應用於人體需要克服生物相容性、安全性、長期穩定性等方面的挑戰，需要進行深入的研究和開發。