自给电PVDF薄膜键盘设计及探究

摘要：利用聚偏氟乙烯（PVDF）压电材料研究并设计一种自给电无线薄膜键盘。此键盘能量是通过以PVDF压电薄膜为主要组成部分的能量转换装置，把振动机械能转换成可供键盘正常工作的电能。同时，利用一种由整流电路、超级电容、单节锂电池充电管理芯片及锂电池组成的电能储存装置来保证所产生电能持续、稳定地为键盘供电。根据理论计算及实验结果，对优化自发电键盘的方法进行了探究，指出了该种键盘代表着一类新型电子产品开发思路，具有良好的发展前景。

关键词：聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜；电能储存装置；无线薄膜键盘；自给电装置；超级电容

收稿日期：2012-10-29

作者简介：伍东玲（1990—），女，湖南常德人，土家族，中南大学能源科学与工程学院大学生。

中图分类号：TM215文献标识码：A文章编号：1674-9944（2012）11-0254-03

1引言

PVDF压电薄膜作为一种新型有机压电材料，是目前可实现批量生产的压电性能最好的压电材料之一。与传统有机压电材料相比，其力电转换灵敏度高，材质柔韧，厚度薄，质量轻，电容小，耐腐蚀，动态范围大等特点尤为突出。

在压电材料及PVDF压电薄膜的应用上，美国、日本等很多国家已经取得了一些较可观的成果，但国内压电发电技术仍处在起步阶段.[1]。其中，对“压电发电鞋”的研究各种报道较多，压电发电鞋原理就是把压电材料发电装置置入鞋底，通过走路时脚对鞋底的冲击使压电材料变形而产生电量.[2]，达到保暖效果。1976年，Hiroji Ohigashi等将PVDF薄膜作为力传感器发明了PVDF压电薄膜按键.[3]，该按键采用机械式弹簧加载装置，具有高的稳定性和信噪比。2011年靳亚静等提出了单层PVDF压电薄膜作为敏感层的键盘设计方案.[4]。该设计利用PVDF压电薄膜产生的压力信号实现键盘的接触响应。本文利用单层PVDF压电薄膜，提出一种可自发电的无线键盘设计方案，该设计可在一定程度上减少无线键盘对电池的依赖。

2键盘设计方案

2.1PVDF压电薄膜的压电方程

PVDF压电薄膜的压电方程遵循一般压电原理。其坐标系示意图如图1所示，当PVDF压电薄膜受到外力作用时，将在z方向上的上、下两表面产生等量异种电荷。图中极化方向P为z轴（或3方向）的正方向，并规定垂直于z轴的两个方向分别为x轴（1方向）和y轴（2方向）。

PVDF压电薄膜常数包括d.31、d.32、d.33、d.15、d.24（d.ij为压电系数，表示由i方向检出在j方向作用的应力）。