未来无线物联网设备可望去电池化

 

　　该设备为仅有数厘米大的梳齿状构造体回路设备，采用驻极体(electret)制作而成。驻极体如同永久磁铁带有磁场一般，是一种经永久分极后保有电荷的材料，能透过静电诱导原理达到发电目的。

　　0.4g的重量设备以500Hz频率、均方根(Root Mean Square;RMS)加速度0.996G进行振动后，确认其能产出1.01毫瓦均方根 (mWrms)的电力。

　　在实验中，两个梳齿构造体对向排列，透过振动的方式产生库仑力变化，让各构造体内的电子发生移动(即产生电流)。虽然过去也有使用相同原理的研发，但仅能得到数十μW的电力，难以取代无线物联网设备的电池。

　　若能达到1mW电量，意即工厂内马达等回转设备所产生的振动、高架道路的振动等皆能成为能源获取来源。且1mW的电力也代表可以让无线电波传递达30公尺远，用在IoT设备，可望达到去电池化的目的。

　　另外，目前也正在研究10mW以上的发电可能性。驻极体永久分极后以电解液使其形成双电层，电荷能在比电极间距更短的距离下相互吸引，因此电极移动所得到的电量也将更大。

　　现阶段，振动发电有三种方式。分别为使用压电材料、使用电磁诱导、以及两者并行。然这些方法皆存在发电量不足，以及对于振动度迟钝的问题。因此该产学团队分别引进可提升静电导电技术发电效率的两项技术。

　　一是，运用钾离子(k+)，提高驻极体表面的电荷密度。将氢氧化钾(KOH)加温至摄氏数百度汽化后，接触梳齿状构造的晶圆体，再施以数百伏特的电压，使构造体分极化。在晶圆体冷却后，便保有高密度分极状态。

　　另一个方式是，极小化构造体与缝隙的技术。采用MEMS，将单一面积内的梳齿构造数量极大化，提升构造体动作时所产生的库仑力总变化量。在试作过程中，其中一个设备，就让1,283对梳齿构造体出现数μW的差距。

　　为能在实际环境中取得更大发电量，如何将各种频率的振动转换成电力，也是需要克服的技术课题。一般而言，MEMS所形成的构造体具有固定的共振频率，共振频率以外的振动所能产生的电力并不大。因此在实际操作时，往往无法取得大发电量。若能将Q值降低，就能减少发电效率随振动频率而变动的情况。具体而言，在制造阶段时，就在驻极体内蓄积电荷，提高施加电压后，就能降低Q值。

　　驻极体虽一般给人不耐热的印象，但透过实验可发现，在摄氏65度下的环境至少需8年，室温下甚至需400年以上，材料静电力才会降低1dB(功率单位)。