第一作者：徐超群，付贤鹏

通讯作者：陈远汾，王中林，张弛

通讯单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

研究亮点：

1. 提出了一种基于摩擦纳米发电机的雨滴能收集单元，基于该单元的阵列可以同时作为雨滴能采集器和雨量传感器。

2. 提出了一种雨滴能驱动的自主式无线雨量计，结合能量管理电路实现了整个系统的完全自驱动。

3. 该自主式无线雨量计可以自主的采集及无线发射降雨量信息，展示了其在无人值守环境中的天气监测的应用。

背景介绍

雨水是人类和其他陆地生物的主要淡水来源。雨量计是一种重要的雨量监测设备，通常分布于无人值守的环境，需要较长的使用寿命。迄今为止，常规雨量计的工作原理主要包括虹吸式、称重式和翻斗式，它们往往具有复杂的机械结构。此外，雨量计中的电子设备主要由化学电池供电，大大增加了维护成本和环境污染。因此，探索新结构、新原理的雨量计，并通过收集雨滴能量为其供电，将是一种可行的、最优的雨量测量方案。

自2012年摩擦纳米发电机(TENG)发明以来，其既可以作为雨滴能采集器也可以作为主动式降雨量传感器，为雨滴能的俘获与传感提供了新思路。作为雨滴能采集器，TENG可以基于固-液界面接触起电将雨滴能直接转化为电能，为分布式电子设备提供可持续的微/纳米能源。作为降雨量传感器，TENG可以直接将降雨信息转换成电信号，无需其他复杂的机械结构和外部电源供电。然而，传感信号处理和传输仍然需要外部电源供电。如果将基于摩擦纳米发电机的主动式降雨量传感器完全由基于摩擦纳米发电机的雨滴能采集器供电，建立一个自驱动无线传感系统，则有望实现永久续航的自驱动无线雨量计。

成果简介

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队设计了一种基于固-液界面接触起电摩擦纳米发电机的雨滴能驱动的自主式雨量计，同时实现了雨滴能的收集和降雨强度的传感。受益于雨滴和功能薄膜之间的接触带电特点，使得雨量计系统可以通过获取雨滴能量后自动激活。雨滴能摩擦纳米发电机阵列被分为能量输出端和信号输出端两部分：能量输出端输出的电能通过电源管理模块转化为稳定的2.5 V直流电压以驱动后端器件；信号输出端输出电信号用于传感雨量大小。当降雨强度为71 mm/min 时，降雨数据可以在10 m范围内每4 min 自动发射一次。当降雨强度降低，雨量计的储能减少时，其可以自主的调节发射频率以提高续航能力。该工作通过集成基于摩擦纳米发电机的雨滴能采集器和主动式雨量传感器，实现了一个完全自驱动的无线传感系统，在物联网、气象监测、地质灾害预警等领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以Raindrop energy-powered autonomous wireless hyetometer based on liquid–solid contact electrification为题，发表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上（DOI: 10.1038/s41378-022-00362-6）。

要点1：自主式无线雨量计（R-RMS）的结构设计及工作机理

R-RMS由雨滴能摩擦纳米发电机（R-TENG）、能量管理模块（EMM）、信号处理模块（SPM）和无线发射模块组成。R-TENG由能量输出端（H-TENG）和信号输出端（S-TENG）组成，分别用于雨滴能收集和降雨强度监测。H-TENG与EMM相连接，将转化的电能进行管理、存储及稳压以供能后端用电器件；S-TENG与SPM相连接，对输出的电信号进行解算以传感降雨量信息；无线发射模块电连接于信号处理模块的后端，用于无线发射监测数据。

图 1. 雨滴能驱动的自主式无线雨量计（R-RMS）的结构和工作机制。(a) R-RMS构成及工作流程图。(b) R-TENG 的封装结构设计。(c) PTFE表面的 SEM 图像及接触角。(d) R-TENG 单元的电荷转移原理图。

要点2：H-TENG阵列的电输出和能量管理特性

H-TENG与EMM电连接，将发电机输出的随机、脉冲式的电信号转化为稳定的2.5 V直流电压以驱动后端电子器件。EMM由能量管理电路、储能电容及调节器组成。H-TENG输出的电能经能量管理电路处理后储存在储能电容中，当储能电容的电压达到3.3 V时，调节器开始工作，EMM就可以为后端用电器件提供一个稳定的2.5 V直流电压。储能电容被充电到3.3 V所需的时间随着降雨强度的增大而缩短。当 H-TENG 在 71 mm/min 的降雨强度下工作时，储能电容的电压在33分钟内从0 V上升到3.3 V。

图 2. H-TENG 阵列的电输出和能量管理特性。(a) H-TENG阵列示意图(M×N)。(b) 串联H-TENG单元的开路电压波形(N=1)。(c) 开路电压与串联数 M (N=1) 的关系。(d) H-TENG 并联组数的平均短路电流波形 (M=12)。(e) 短路电流与组数N( M = 12)之间的关系。(f) 不同电阻下的H-TENG 的输出功率 (M=12; N=30, 60, 90)。(g) EMM等效电路图。(h)在EMM (C₂ =15 mF) 下的 H-TENG 的电压波形。(i) 对不同电容器 (C₂) 的充电特性。(j) 负载电阻为 1 MΩ 时 EMM 的能量存储和电压调节波形。(k) 不同降雨强度下 15 mF 电容器充电至 3.3 V 的时间。

要点3：降雨强度监测机制

S-TENG连接到SPM以监测降雨量。当雨滴落在S-TENG上时，SPM可以根据S-TENG输出的电压测量降雨量。SPM由信号调理电路和单片机（MCU）组成。信号调理电路将S-TENG的输出电压信号转换为MCU可检测的电压信号。MCU用于分析来自信号调理电路的降雨信息。当雨滴落在S-TENG上时，电容C₃的电压可以达到一个稳定值，电阻R₁两端的电压U_m也可以达到一个稳定值。随着降雨强度的不同，U_m可以达到不同的稳定值。因此，MCU可以根据电压U_m获取降雨量。该自驱动雨量计的灵敏度可以达到0.239 V/(mm/min)。同时，自驱动雨量计也具有优异的稳定性，在71 mm/min的降雨强度下连续测试25个小时，测量电压仅下降2.3%。

图 3. S-TENG的降雨监测原理和特点。(a) S-TENG 雨量监测示意图。(b) 不同电容器的测量电压波形。(c) 使用不同电容器监测降雨的电压波动和响应时间。(d) 实测电压与降雨强度之间的关系。(e) 雨量监测电压的稳定性。

要点4：自主式无线雨量计的应用

通过耦合雨滴能收集器和降雨强度传感器，R-RMS可以实现持续自主的降雨监测和无线数据传输。在模拟的实验环境下测试了雨量计的性能，在持续降雨的情况下，当储能电容的电压达到3.3 V，系统被启动以后，雨量计可以根据电容中剩余电能的多少，自主的调节降雨量监测和无线发射的频率。当降雨强度为71 mm/min时，雨量计可以每4分钟向10米范围内无线发射监测数据。在物联网、气象监测、地质灾害预警等领域具有广阔的前景。

图 4. 持续自主雨量监测和无线数据传输的应用。(a) R-RMS户外应用前景示意图。(b) 在模拟的多雨环境中演示 R-RMS系统。(c) R-TENG、EMM、MCU和无线模块的照片。(d) 存储电容器在几个发射周期内的电压变化。(e) 无线接收终端获取的降雨数据。

小结

综上所述，该工作基于固-液接触起电摩擦纳米发电机，既作为雨滴能收集器，又作为雨量传感器，结合能源管理模块、信号处理模块、无线发射模块，设计了一个完全自驱动的自主式无线雨量计。当降雨强度为 71 mm/min 时，降雨数据在 10 m 范围内每 4 min 自动传输一次。当雨量减小，雨量计的储能下降时，其可以自主的调节发射频率以提高续航能力。该工作通过集成基于摩擦纳米发电机的雨滴能采集器和主动式雨量传感器，实现了一个完全自驱动的无线传感系统，在物联网、气象监测、地质灾害预警等领域具有广阔的前景。

参考文献：

Xu, C., Fu, X., Li, C. et al. Raindrop energy-powered autonomous wireless hyetometer based on liquid–solid contact electrification. Microsyst Nanoeng 8, 30 (2022).

DOI：10.1038/s41378-022-00362-6

http://doi.org/10.1038/s41378-022-00362-6

作者简介：

张弛研究员，国家基金委“优青”获得者，北京市青年拔尖团队带头人、科技新星，中国科学院青年创新促进会会员，中国新锐科技人物。主要从事纳米发电机和自驱动微系统领域研究，开创了摩擦电子学新研究方向。发表论文140余篇，引用6300多次；获授权国内外专利40多项；出版中英文专著2章；做国际会议邀请报告30余次。主持国家和省部级科研项目10余项。

课题组主页：http://www.tribotronics-lab.cn/