面向大气灰霾监测的自供电低功耗纳米谐振器基础研究

In recent years, there are serious environmental problems especially the atmospheric haze. We propose a self-powered nano resonator with low power consumption for atmospheric haze monitoring. It will collect the energy from the environment and store in the micro/nano energy storage device to drive the low-power nano resonator. The PM2.5 data could be measured accurately through the resonant frequencsy shift caused by gas particles. After that, the wireless sensor can share the data in the network. We propose the combination of novel nano materials, novel structure and advanced micro/nano fabrication methods to make integrated self-power systems including energy harvesting, energy storage, nano sensors and wireless transceiver. The main research contents include: 1. Research on the mechanism of nanogenerator and improve its efficiency. 2. Research on the mechanism of the energy storage device and improve its capacity. 3. Research on the mechanism of the nano resonator and reduce its power; 4. Research on the circuit design method of low power energy management, sensor signal detection and wireless signal transmission. The team has a strong research background in micro/nano sensors, nano generators, nano energy storage, integrated circuit design and other related aspects. This project will lay a foundation for the core technology of monitoring atmospheric in large range haze environment, which is of great strategic significance for the atmospheric haze monitoring and treatment.

近年来以大气灰霾为代表的环境问题凸显，本项目提出面向大气灰霾监测的自供电低功耗纳米谐振器基础研究，将利用环境收集能源并存储到微储能器件中以驱动低功耗纳米谐振器，通过负载大气灰霾颗粒产生的频移精确测得PM2.5等数据，经无线传感网络进行数据交互。首次提出了结合新型纳米材料、新型器件结构、先进微纳加工方法将能量收集、能量存储、纳米传感器和无线收发功能进行片上集成的研究思想。主要研究内容包括：1. 高能效、复合纳米能量收集机理及新型器件研究；2. 高容量、复合微纳储能机理及新型器件研究；3. 低功耗纳米谐振器的机理及新型器件研究；4. 低功耗能量管理、传感器信号检出以及无线信号传递电路设计方法。申请人团队在微纳传感器、微纳能量收集与存储、集成电路设计等方面具有雄厚的研究基础，本项目研究成果将为大气灰霾环境的大范围动态组网监测奠定核心技术基础，对于我国大气灰霾的监控和治理具有重大战略意义。

近些年来，大气灰霾对我国的环境产生了重大的影响，因此本项目通过研究制备自供电低功耗的纳米谐振器来实现大气灰霾监测，为彻底治理灰霾提供重要支持。本项目主要从以下四个层面展开研究并取得了相关的成果：1.基于驻极体发电机理论模型，研制了具有表面电势自恢复能力的EVA/BOPP复合驻极体薄膜，在频率为5 Hz的5 N大小的力的激励下，最高输出峰值功率可达~1.45 mW；研制了半透明太阳能钙钛矿电池，最高效率可达16.02%。2.使用盐辅助法合成的电极材料体积电容可达~ 978 F/cm3，基于这种材料制备柔性固态超级电容器最大能量密度和功率密度分别为 2 mWh/cm-3和1.5 W/cm-3；研制了能适应锂离子电池用硅负极在循环过程中的大体积变化的高伸缩性导电胶，使得Si负极在0.2C下循环700次后仍可以提供1500 mAh/g的稳定容量，初始库仑效率高达80％；并且在8400 mA/g高倍率下具有737 mAh/g容量。3.从理论计算和有限元仿真出发，成功设计并制备了线宽500nm的高性能的纳米谐振器；从谐振器的电路模型提取，结合相关的仿真，成功设计了和谐振器相匹配的高频振荡电路，实际的灰霾监测灵敏度高达382Hz/(μg/m ^3)。4.提出并实现了一种基于相位检测的高分辨率快速测量电路技术，创新性地使用相位差检测电路配合二分查找快速调节锁相环分数分频比，实现快速收敛；同时提出了混频的方法在较短的时间内检测微小相位差；提出一种新型单电感双输出结构，采用伪连续导通模式控制续流时间和续流电流，采用混合控制模式使得子转换器分别工作于峰值电流模式和跳脉冲模式，使电源转换器能够同时兼顾输出功率和效率；基于1bitΣ-Δ调制器和植入式FIR滤波器技术，提出一种新型发射机架构，直接在开关模DPA阵列上实现信号调制和放大，有效降低功耗。上述的研究成果从能量采集、能量存储、谐振器理论及设计、配套的电路等多个层次，全面深入的进行了相关的研究，并取得了一系列重要的成果，有望于为我国彻底治理大气灰霾提供重要的技术保障。