最近由上海市科學(xué)學(xué)研究所、中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院和上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所三家機(jī)構(gòu)共同研究的《全球城市科技創(chuàng)新策源點(diǎn)觀察》，發(fā)布了15個(gè)最可能預(yù)見未來的科研方向，其中包括納米發(fā)電機(jī)等。

我們的生活環(huán)境中充滿了各種各樣能量，例如振動(dòng)能、化學(xué)能、生物能、太陽能和熱能等，但這些能量多數(shù)未被利用起來或者利用率極低。基于納米技術(shù)的納米發(fā)電機(jī)是基于規(guī)則的氧化鋅納米線，在納米范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，是世界上最小的發(fā)電機(jī)。

無處不在的納米發(fā)電機(jī)

它的問世完全打破了人們對(duì)“發(fā)電機(jī)”尺寸的認(rèn)識(shí)極限。納米發(fā)電機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中特別微小機(jī)械能的進(jìn)行收集和利用。例如，空氣或水的流動(dòng)、引擎的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)等引起的各種頻率的噪音、人行走時(shí)肌肉伸縮或腳對(duì)地的踩踏、甚至在人體內(nèi)由于呼吸、心跳或血液流動(dòng)帶來的體內(nèi)某處壓力的細(xì)微變化，都可以帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。因此，納米發(fā)電機(jī)理論為目前實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)絡(luò)以及大數(shù)據(jù)提供了理想的電源解決方案。

目前納米發(fā)電機(jī)可以分為三類：第一類是壓電納米發(fā)電機(jī)；第二類是摩擦納米發(fā)電機(jī)；第三類為熱釋電納米發(fā)電機(jī)。一般被應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無線通信、無線傳感等領(lǐng)域。

在可拉伸和可穿戴電子器件飛速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，研究柔性機(jī)械能收集器件具有十分重要的價(jià)值和意義。近年，以柔性材料代替聚合物商業(yè)薄膜和金屬片組裝柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究成為亮點(diǎn)。近來柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)研究成果不少，例如，普渡大學(xué)研發(fā)出基于殼聚糖的柔性可降解摩擦納米發(fā)電機(jī)，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士研究團(tuán)隊(duì)研究了基于仿生水母的摩擦納米發(fā)電機(jī)、用于自供電醫(yī)療產(chǎn)品的多級(jí)納米結(jié)構(gòu)纖維素纖維基摩擦納米發(fā)電機(jī)等。

小信號(hào)的精確測試充滿挑戰(zhàn)

由于納米發(fā)電自身的技術(shù)特點(diǎn)，在研究過程中需要測試單位面積機(jī)械能產(chǎn)生的電能，測試產(chǎn)生的電壓、微小的電流及功率信號(hào)，電壓基本在幾伏甚至幾十伏，而電流一般都是uA甚至nA級(jí)別，功率在mW甚至uW級(jí)別。如何精確測試微小電流及功率信號(hào)比較困難，對(duì)測試儀器精度和穩(wěn)定性要求非常高。泰克吉時(shí)利公司專注于微小電信號(hào)測試，史上多位物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者都使用和信賴吉時(shí)利測試儀器。在納米發(fā)電研究中，吉時(shí)利的產(chǎn)品仍是業(yè)內(nèi)的首選，尤其在微小信號(hào)測試值得信賴。

測量靈敏度的理論極限取決于在電路中的電阻所產(chǎn)生的噪聲。電壓噪聲是與電阻、帶寬和絕對(duì)溫度的乘積的平方根成正比的。圖中可見，源電阻限制了電壓測量的理論靈敏度，也就是說能準(zhǔn)確測量一個(gè)1Ω源電阻的1uV信號(hào)時(shí)，如果該信號(hào)的源電阻變成1TΩ，則該測量就會(huì)變得不可能。因?yàn)樵谠措娮铻?MΩ時(shí)對(duì)于1uV的測量已經(jīng)接近理論極限了。這時(shí)候采用通常的數(shù)字萬用表是無法完成這類測量的，選擇合適的儀器是保證準(zhǔn)確測試微小信號(hào)前提。

納米發(fā)電測試解決方案

微小電流信號(hào)測試

方法一：采用絕緣材料納米發(fā)電技術(shù)，一般源內(nèi)阻在GΩ級(jí)，測試電流在pA級(jí)別，所以業(yè)內(nèi)都是采用靜電計(jì)6514+ Stanford SR570（低噪聲電流前置放大器）+專用的采集軟件來進(jìn)行發(fā)電電流數(shù)據(jù)采集。

方法二：通用的納米發(fā)電技術(shù)，一般源內(nèi)阻在幾十到幾百M(fèi)Ω，電流一般在nA、uA級(jí)別，推薦采用Keithley的SMU 2450+Kickstar軟件來測試。

電壓測試方案

方法一：對(duì)于電壓信號(hào)測試推薦選用示波器MDO3系示波器+電壓探頭測試V&T波形數(shù)據(jù)。

方法二：另外一個(gè)方法是采用高速采樣萬用表DMM7510+kickstart軟件，測試電壓變化波形。