韩国全南国立大学Dong-Weon Lee等：仿生晶体管式摩擦纳米发电机与人机交互

人机界面(HMI)系统需要能够在低接触力下高效运行的能量收集器，但传统的触觉摩擦电纳米发电机存在表面电荷密度低和输出不稳定的问题。韩国全南国立大学Dong-Weon Lee等提出了一种受晶体管启发的人体皮肤电场诱导空气击穿摩擦电纳米发电机(AB-TENG)。该装置引入类似晶体管中的基极结构，通过空气击穿形成的电离气道从人体皮肤收集电子，结合间接(累积输出)和直接(瞬间高输出)电能输出，实现皮肤电场的高效转换。在直接输出模式下，AB-TENG可产生165 V(2 N)和 290 V(24 N)电压输出，峰值功率为 22 mW，是传统触觉 TENG 的 22 倍。通过组装制备自供电红外遥控器和超薄键盘，作者展示了该技术的自供能实用。本工作将空气击穿从限制转变为功能机制，推动皮肤静电增强机制的薄膜 TENG 向下一代人机交互平台迈进。

I AB-TENG的结构、工作机制及性能

图 1 空气击穿型摩擦纳米发电机(AB-TENG)。a 分别通过 COMSOL 仿真和实物实时演示，展示带异种电荷的人体皮肤与聚四氟乙烯(PTFE)之间的电场形成过程；b (i)实物实时演示验证, (ii)传统触觉式TENG机理图；c 本文所提出的 AB-TENG 结构示意图；d 人体皮肤与基极端之间的空气击穿机制；e 人体手指向 AB-TENG 靠近过程中电势分布的 COMSOL 仿真结果；f、g 所提出的 AB-TENG 在间接模式下的工作原理图及其等效电路；h 电压与电流输出特性；i 介电层厚度对间接模式下 AB-TENG 输出电压的影响。

图 1介绍了AB-TENG的核心结构与工作机制。图 1a通过 COMSOL 仿真验证带正电的人体皮肤与带负电的聚四氟乙烯(PTFE，介电材料) 之间的电场形成规律 —— 当皮肤与 PTFE 间距超过 20 mm 时，电场相互作用可忽略；间距减小时，电荷极化形成强电场，为后续空气击穿提供物理基础。图 1b (i)实物演示正电手指靠近 75 μm 厚负电 PTFE 胶带时，二者因静电引力形成电场，验证了仿真结论；而传统触觉 TENG的工作原理(图1b (ii)) —— 利用人体皮肤电场使介电层电荷极化，通过介电层下方的电极，以静电感应(ESI)方式将电场转化为电能，但该方式易因空气击穿导致表面电荷通过空气击穿通道转移，能量转换效率低。

图 1c为AB-TENG 的核心结构，采用晶体管仿生架构，包含基极(B，铜电极)、发射极(E)、电荷诱导层、介电层、集电极(C)，基极暴露于空气中，是收集皮肤电子的关键部件，区别于传统 TENG 的单一电极结构。基于AB-TENG 的空气击穿机制—— 人体手指(正电)靠近 AB-TENG 基极时，二者间形成强电场引发空气击穿，空气由绝缘体变为导体，形成电离空气通道，皮肤电子通过该通道向基极释放(静电放电，ESD)从而收集能量(图1d)。此外，通过 COMSOL 仿真呈现手指靠近 AB-TENG 过程中的电势分布，直观反映电场强度随手指 - 基极间距减小而增强，以及空气击穿前的电势变化规律，为机制提供量化支撑(图1e)。

图 1f-g展示 AB-TENG间接模式的工作原理与等效电路：(f) 手指未与电荷诱导层直接接触，PTFE 电荷诱导层稳定的负电荷调控发射极 - 集电极的电荷分布，皮肤电子通过空气击穿转移至基极后，进一步增强电荷诱导层的电场，引发发射极向集电极的感应电子流；(g) 间接模式的等效电路为二极管与晶体管串联。图 1h为间接模式 AB-TENG 的电输出性能，在 24 N 最大接触力下，可产生 95 V 的最大输出电压和 70 μA 的输出电流，反映间接模式的基础发电能力。图 1i：探究介电层厚度对间接模式输出电压的影响—— 输出电压随介电层厚度增加而降低，原因是电荷诱导层的间接感应机制形成了电子流的表面势垒，厚度越大能量损耗越多，为器件结构优化提供了关键参数依据。

II AB-TENG 在直接模式下的性能评估

图 2 工作于直接模式的AB-TENG。a 直接模式下 AB-TENG 的结构示意图；b 带电荷诱导层的 AB-TENG 实物图(标注基极 - 发射极接触点)；c 直接模式下 AB-TENG 的等效电路；d、e 输出电压与电流波形；f 负载电阻与电输出特性的关系；g AB-TENG 的输出电压尖峰特性；h 对 AB-TENG 进行 2000 次基极端连续敲击的耐久性及长期稳定性测试。

图 2 围绕该研究中直接模式的AB-TENG的性能进行了测试，解决了间接模式能量损耗大、转换效率低的问题，是 AB-TENG 实现高输出的核心模块。图 2a为直接模式 AB-TENG 的结构示意图，整体架构与间接模式一致(基极、发射极、电荷诱导层等)，核心改造为基极与发射极实现电气连接，让皮肤电子能直接从基极流向集电极，规避间接模式的感应能量损耗。图 2b展示了带电荷诱导层的直接模式 AB-TENG 实物图，展示了电荷诱导层表面4 mm×4 mm 的基极 - 发射极接触点，该接触点是实现电子直接传输的物理结构，也是区分直接 / 间接模式的直观特征。图 2c为直接模式 AB-TENG 的等效电路，因基 - 射极直接连通，电子可从基极直接流向集电极，电路结构相较于间接模式(二极管 + 晶体管串联)更简化，内部阻抗更低，为高电流、高功率输出提供电路基础。图2d-h为器件直接模式的电输出性能、负载特性及长期稳定性，在 24 N 最大接触力下，器件可产生290 V 的最大输出电压、210 μA 的输出电流，相较于间接模式(95 V/70 μA)性能大幅提升。直接模式 AB-TENG 的耐久性与长期稳定性测试，通过对基极端连续敲击 2000 次的循环测试，器件输出峰值仅出现微小衰减，证明其在长期重复的人机交互敲击场景中，具备稳定的发电性能，为实际应用奠定可靠性基础。

III AB-TENG空气击穿效应的性能分析

图 3 为AB-TENG在短路和负载条件下的性能分析，并与传统触觉 TENG 的性能进行了对比。图3a、b为负载对 AB-TENG 空气击穿电压(Vab)的影响示意图。从原理上阐释短路、负载条件下，AB-TENG 在手指接触基极和手指远离基极两个过程中空气击穿电压的变化机制：短路时，接触过程的正击穿电压与分离过程的负击穿电压峰值相等；带负载时，接触过程中发射极向集电极的瞬时电子转移会在负载上产生附加正电压，使此时的击穿电压高于短路值；而分离过程中电子反向转移会产生附加负电压，使击穿电压低于短路值。

图3c为AB-TENG 在无负载(短路)、20 MΩ 和 100 MΩ 电阻负载下的输出电压，直观体现负载电阻增大可强化接触过程的空气击穿效应，提升击穿电压，进而促进皮肤电子的静电放电(ESD)。在阻抗匹配条件下的定量对比：AB-TENG 的峰值功率远高于传统触觉 TENG，直接模式下的峰值功率约为传统 TENG 的 20 倍，从功率核心指标证明 AB-TENG 的能量转换效率具有显著优势。针对人机交互器件常用的低阻工作场景做性能验证，AB-TENG 在相同低阻下仍能输出高电压，可直接驱动低阻电子器件，解决了传统 TENG 低阻下输出不足的痛点，适配实际人机交互的应用需求。

图3f为AB-TENG 与传统 TENG 对 0.1 μF 电容器的充电性能对比，从能量存储能力验证 AB-TENG 的优势：利用整流后的输出对电容充电时，AB-TENG 因皮肤电子的瞬时静电放电，可将电容瞬间充电至 102 V，连续接触 - 分离后最高充至 130 V；而传统 TENG 仅能充至 8 V，且充电速率远低于 AB-TENG，直观反映 AB-TENG 的能量输出密度和瞬时放电能力远优于传统 TENG。基于图3 f 的电容充电电压，通过公式Q=CV计算出 AB-TENG 的电荷传输量，并进一步得到最大电荷密度达 20 mC?m?2，瞬时放电的电荷密度也达 15 mC?m?2，结果如图3g。

图3. 空气击穿型摩擦纳米发电机(AB-TENG)在短路及负载条件下的性能分析。a、b 负载对 AB-TENG 空气击穿电压影响的示意图；c AB-TENG 在不同电阻负载下的输出电压；d AB-TENG 与传统TENG的峰值功率对比；e 传统 TENG 与 AB-TENG 在 200 欧、500 欧低负载电阻下的输出电压；f 利用 AB-TENG 和传统 TENG 对 0.1 微法电容器进行充电的性能研究；g AB-TENG 的最大电荷密度。

IV 影响 AB-TENG 静电放电性能的外部参数——气隙间距和接触力

图 4 是针对 AB-TENG核心工作原理 —— 空气击穿效应进行了验证实验图，同时系统探究了气隙间距和接触力两个关键参数对器件电输出性能的影响。图 4a为气隙间距调控装置的结构示意图—— 通过 3D 打印的 PLA 塑料气隙层使手指与基极无物理接触，通过改变气隙层厚度精准控制二者间的气隙间距(0.5~2 mm)，规避手指直接接触的干扰，实现对空气击穿的定量测试。图 4b为不同气隙间距下的输出电压变化—— 间距从 0.5 mm 增至 2 mm 时，输出电压从 16 V 降至 6 V，原因是气隙越大，手指与基极间的电场强度越弱，空气击穿效应越不明显，电子转移量越少。即使无物理接触，AB-TENG 仍能通过空气击穿产生电压直接驱动 LED，直观证明空气击穿是器件发电的核心机制。图 4c为不同气隙间距下的 0.1 μF 电容充电测试，从能量存储角度进一步验证：更小的气隙间距能增强空气击穿的电子转移效率，提升器件的能量输出能力。

图 4d-e为接触力测量系统及接触力与输出电压的定量关系，从测试结果可知，接触力与输出电压呈正相关，2 N 低接触力下仍能输出 165 V 高压，24 N 最大接触力下输出电压达峰值(290 V)；这一结果是 AB-TENG 适配低力人机交互的核心依据，证明其能在日常手指敲击的弱力条件下实现高电压输出。图 4f为不同接触力下驱动 200 颗 LED 的实物演示——2 N 低接触力可点亮 LED(亮度较低)，24 N 接触力下 LED 亮度显著提升。

图4. AB-TENG空气击穿效应的验证实验。a 人体皮肤与基极端间距的调控装置示意图；b 人体皮肤与基极端不同气隙间距下的输出电压(内插图为利用空气击穿电压驱动发光二极管的实验现象)；c 不同气隙间距下对 0.1 微法电容器的充电测试；d 接触力测试系统实物图；e 接触力与输出电压的关系曲线；f 2N和24N接触力下驱动 200 颗发光二极管的实验演示。

V 基于AB-TENG的下一代超薄电子器件

图 5 是该研究将AB-TENG 从实验室性能测试推向实际工程应用，重点演示了基于 AB-TENG 的自供能红外遥控器和600 μm 超薄自供能键盘两款核心应用。图 5a展示AB-TENG 开发下一代超薄电子器件的整体应用示意图，明确其核心应用方向为遥控器、键盘、计算器等日常低力人机交互设备。图5b-g为自供能红外遥控器的研制与性能验证，设计四颗 AB-TENG 与 Atmel Tiny85 微控制器的连接电路，将 AB-TENG 产生的电信号转化为十六进制数字编码(每颗 AB-TENG 对应唯一编码)，并通过红外发射器实现无线数据通信，让 AB-TENG 既为微控制器供电，又作为遥控按键的信号输入源。通过测试2/8/15/24 N 四种接触力下，单次按压 AB-TENG 后电容器的存储电压及释放的对应能量 ——24 N 时电容存储 77 V、释放 0.3 mJ 最大能量，2 N 低力下也能存储 25 V、释放 0.024 mJ 能量。结合百次按压下的遥控成功速率，明确15 N 接触力时成功率超 80%(满足实际使用的标称要求)，≤8 N 时成功率低于 33%，2 N 时几乎无成功操控，为实际使用的操作力度提供参考。图5f展示红外遥控器无线调控四颗 LED 亮灭的实物图，直观验证该自供能设备的实际工作能力，证明 AB-TENG 可实现无线人机交互的核心功能。

图5g-i为基于 AB-TENG 的600 μm 超薄自供能键盘的研制与通信演示。在 A4 基材上制备自供能超薄键盘，共设计 4 行 8 列 32 个按键，每个按键均为一颗 AB-TENG，整体厚度仅600 μm，实现了器件的超轻薄化，适配柔性、超薄电子设备的设计趋势。图5h为有线通信演示：通过搭建键盘与电脑的有线连接电路(由 Atmel Tiny85 微控制器、Arduino Uno 板组成)，实现手指敲击按键→AB-TENG 产生电信号→信号转化为文字→电脑端显示的有线文字输入，验证键盘的基础输入功能。图5i为无线通信演示：基于红外通信协议，将键盘的电信号通过红外发射器无线传输至电脑，完成无线文字输入演示，实现了自供能键盘的无线化，进一步拓展了其应用场景(如无线便携键盘、柔性可穿戴输入设备)。

图5 a 基于AB-TENG开发下一代超薄电子器件的示意图；b通过红外发射器实现的十六进制数据通信示意图及c红外遥控器实物图；d 单次按压)后电容器的存储电压，及电容器释放的对应能量；e 不同接触力下，百次按压的操控成功率；f 红外遥控器调控发光二极管的演示图；g厚度为 600 微米的自供能超薄键盘实物图；h、i 基于 AB-TENG 的下一代键盘分别采用有线、红外无线通信协议的演示验证。

Dong-Weon Lee

本文通讯作者

韩国全南国立大学 教授

▍主要研究领域

MEMS/NENS领域，特别是生物医学传感器与系统、自供电无线传感器及个人医疗应用系统。

▍主要研究成果

Dong-Weon Lee博士于 2001 年在日本东北大学获得机电一体化博士学位，并于 2001 年至 2004 年间在 IBM 苏黎世研究实验室继续博士后研究。随后，李博士于 2004 年加入韩国全南国立大学机械工程学院，担任助理教授，并于 2011 年晋升为终身教职教授。李博士的研究兴趣主要集中在MEMS/NENS领域，特别是生物医学传感器与系统、自供电无线传感器及个人医疗应用系统。Dong-Weon Lee博士发表了 200 多篇 SCI 论文，h指数52。

▍Email：mems@jnu.ac.kr

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部