許 卓，楊 杰，燕 樂，曹嘉峰，陳曉勇，丑修建

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引 言

隨著微電子技術(shù)日趨發(fā)展成熟，微傳感器、微執(zhí)行器和可攜帶電子器件等微型機(jī)電系統(tǒng)不斷推陳出新，廣泛滲透與社會生產(chǎn)、生活各方面，特別在健康狀況檢測、環(huán)境監(jiān)控和野外、太空等惡劣環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用［1］。目前，微型電池常作為供電器件為這類低功耗無線系統(tǒng)提供電能，如，微型鋰電池、溫差電池和微型核電池等。然而微型電池存在明顯缺陷:1)儲存能量和供能壽命有限，使用一段時(shí)間后需要更換或補(bǔ)充燃料，不利在惡劣條件下或者偏遠(yuǎn)地區(qū)使用;2)受外界環(huán)境變化影響較大，不能很好地滿足MEMS 器件發(fā)展要求;3)相對于微型傳感器來說其體積較大，使微傳感器系統(tǒng)的小型化受到制約。因此，新型能量采集技術(shù)成為微型傳感器供能研究的一個(gè)重要方向，并受到人們越來越多的關(guān)注。

能量采集是指收集環(huán)境中未利用的能源(光、熱、風(fēng)、機(jī)械振動(dòng)等)并將其轉(zhuǎn)換成可用電能的一種技術(shù)。機(jī)械振動(dòng)是環(huán)境中普遍的一種能量存在形式，微型振動(dòng)能量采集器是通過轉(zhuǎn)換自然界中廣泛存在的振動(dòng)能為電能實(shí)現(xiàn)全天候地為各種低功耗電子器件供電的供能裝置，一般包括能量采集與能量儲存兩大模塊。微機(jī)械振動(dòng)能量采集器是可自我維持的微電源，特別適用于物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)和生物微納機(jī)電器件電源供給，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 振動(dòng)能量采集模塊

目前，國內(nèi)外研究者提出了不同的振動(dòng)能量收集技術(shù)，主要包括［1，2］:電磁式、壓電式、靜電式、磁致伸縮式及復(fù)合式能量采集技術(shù)。

1.1 電磁式振動(dòng)能量模塊

電磁式振動(dòng)能量采集模塊工作時(shí)遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，通過改變磁通量的大小，利用回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢獲取電能。根據(jù)振動(dòng)部件的不同可以分為動(dòng)鐵型、動(dòng)圈型和鐵圈同振型［3］三類。

目前關(guān)于電磁式振動(dòng)能量采集模塊的研究較多，模型較為成熟，已成功應(yīng)用在許多電能收集器中。英國南安普頓大學(xué)［4］在馬蹄形鐵芯上安裝一對釹鐵硼永磁鐵，通過懸臂梁振動(dòng)，在固定線圈上收集振動(dòng)能量。在振動(dòng)頻率為322 Hz的條件下，體積為240 mm3的器件輸出功率為0.53 mW。香港中文大學(xué)的研究者加工出微型能量發(fā)生器［5］，在60 ～110 Hz 頻率范圍內(nèi)、振幅低于200 μm 時(shí)，輸出平均功率達(dá)到830 μW。臺灣國立中山大學(xué)研究者設(shè)計(jì)的電磁式振動(dòng)能量采集模塊［6］包括多層銀平面線圈，輸出最大電壓達(dá)到25.19 mV，輸出功率達(dá)到1 mW。北京大學(xué)［7］研究的低頻電磁式MEMS 能量采集模塊，該模塊是標(biāo)準(zhǔn)的“彈簧、質(zhì)量塊、阻尼”動(dòng)力學(xué)振動(dòng)模型，其永磁鐵是通過表面電鍍技術(shù)加工完成，懸臂梁與線圈通過鍍銅技術(shù)完成(如圖1所示)。該器件在諧振頻率64 Hz，1 gn加速度激勵(lì)下，開路電壓峰峰值為7.5 μV，負(fù)載為1.9 Ω，對應(yīng)的輸出最大能量密度為0.03 μW/cm3。由于電磁式振動(dòng)能量采集模塊漏磁大，輸出功率過低等缺點(diǎn)，在MEMS 的實(shí)際應(yīng)用中仍然是一大挑戰(zhàn)。

圖1 集成低頻電磁式MEMS 能量采集器Fig 1 An integrated MEMS electromagnetic energy harvester with low frequency

1.2 壓電式振動(dòng)能量采模塊

壓電式能量采集模塊就是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在振動(dòng)能量采集中一般多采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)。由于d31模式的壓電能量采集模塊結(jié)構(gòu)簡單，國內(nèi)外相關(guān)研究較多。國外學(xué)者已對包括壓電材料［8，9］、能量收集裝置結(jié)構(gòu)［10～12］和儲能結(jié)構(gòu)［13，14］展開了研究。國內(nèi)研究的有浙江大學(xué)［15］、上海交通大學(xué)［16］、華中科技大學(xué)［17］等高校。2009 年，新加坡南洋理工大學(xué)Yang Yaowen 等人利用壓電纖維聚合物材料(macro－fiber composites，MFC)制備了一種壓電單晶片結(jié)構(gòu)能量采集模塊［18］。其懸臂梁尺寸為250 mm×62 mm×1.5 mm，輸出功率可達(dá)151.6 μW。2013 年，臺灣國立大學(xué)［19］研究利用氣溶膠沉積法制備鋯鈦酸鉛(PbZrxTi1－xO3，PZT)壓電厚膜的MEMS 不銹鋼結(jié)構(gòu)能量采集模塊(體積僅為2.36 mm3)，其諧振頻率為202 Hz，在1.5 gn加速度激勵(lì)下，其開路電壓為1.8 V，輸出功率達(dá)到34 μW。特別是，2003 ～2005 年間Jeon Y B 等人［20，21］研制了基于d33壓電模式的壓電能量采集模塊。2013 年，上海交通大學(xué)［22］對d33壓電模式的MEMS 振動(dòng)能量采集模塊進(jìn)行研究，該器件的采用鈮鎂酸鉛單晶厚膜材料作為壓電層。在諧振頻率406 Hz，1.5 gn加速度激勵(lì)下，輸出功率7.182 μW，能量密度為17，181.8 μW·cm－3。壓電式振動(dòng)能量采集模塊在集成化和環(huán)境適應(yīng)性方面具有優(yōu)勢，但是壓電材料硬而脆，承載能力有限，存在去極化現(xiàn)象，機(jī)電耦合系數(shù)低，在一定程度上降低了能量轉(zhuǎn)換效率。

1.3 靜電式振動(dòng)能量采集模塊

根據(jù)改變電容方式的不同將靜電式能量采集模塊分為變間距式和變面積式［23］兩種。目前主要有德國弗萊堡大學(xué)［24］、日本東京大學(xué)［25］、德國微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所［26］、臺灣國立交通大學(xué)［27］等機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究。靜電式能量采集模塊最大優(yōu)點(diǎn)是:與MEMS 集成效果好，不需要智能材料，適合應(yīng)用于小尺度場合，但由于該裝置需要外加電源，并且輸出的電壓高、電流低和過高的輸出阻抗，這些缺點(diǎn)都極大地限制其應(yīng)用發(fā)展。

1.4 磁致伸縮式振動(dòng)能量采集模塊

磁致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)(Villari 效應(yīng))是指當(dāng)鐵磁性材料受到機(jī)械力的作用時(shí)，它的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致導(dǎo)磁率發(fā)生變化。當(dāng)磁致伸縮材料受振動(dòng)變形后，纏繞在上面的線圈產(chǎn)生出電流［28］。磁致伸縮式能量采集模塊就是利用磁致伸縮材料這種效應(yīng)將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。

由于磁致伸縮能量轉(zhuǎn)換方式較為復(fù)雜，相關(guān)研究較少，主要集中在國外幾所研究院校，國內(nèi)鮮有報(bào)道。美國的Staley M E 等人采用Terfenol－D 和Galfenol 材料設(shè)計(jì)了低頻振動(dòng)能量收集裝置［29］，該裝置在45 Hz 的諧振頻率下獲得最大輸出功率為45 μW。美國北卡羅來納州立大學(xué)Wang Lei 等人［30］采用非結(jié)晶金屬玻璃Metglas 2605SC 磁致伸縮材料制備振動(dòng)能量采集器，該器件在頻率為1100 Hz 的振動(dòng)條件下輸出功率為606 μW/cm3(如圖2 所示)磁致伸縮式振動(dòng)能量采集器無需外加電源，不存在去極化問題，且具有高磁極耦合能力，輸出功率密度較大，但結(jié)構(gòu)需要能量拾取線圈，難以與MEMS 集成。該項(xiàng)研究目前仍處于初始探索階段。

圖2 磁致伸縮式振動(dòng)能量采集器Fig 2 Magneticelastic vibration energy harvester

1.5 復(fù)合式振動(dòng)能量采集模塊

復(fù)合式能量采集模塊是指將電磁式、靜電式、壓電式或磁致伸縮式能量采集技術(shù)中的兩種或多種互相結(jié)合而將環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成為電能的裝置。通過集成不同類型能量采集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可以增大輸出功率。Khaligh A 等人［31］于2008 年設(shè)計(jì)了一種新型壓電—電磁復(fù)合式能量采集模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖3 所示)。美國麻省理工大學(xué)的Huang Jiankang 等人［32］將磁致伸縮材料與壓電材料結(jié)合，設(shè)計(jì)了Terfenol－D/PZT/Terfenol－D 的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合能量采集模塊(體積為1 cm3)，在頻率為30 Hz，加速度為0.5 gn的激勵(lì)條件下獲得超過10 mW 的輸出功率。復(fù)合式能量采集器研究前景廣闊，但由于特性分析和參數(shù)優(yōu)化更為復(fù)雜，大量基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方法還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 壓電—電磁復(fù)合式能量采集模塊結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of hybrid energy harvesting module based on piezoelectric-electromagnetic effect

振動(dòng)式能量采集器具有使用壽命長，能夠提供長期可靠的電能等優(yōu)勢，其類型和結(jié)構(gòu)也較為豐富，但是并不適用于所有的應(yīng)用環(huán)境。

2 電源管理與儲能電路模塊

由于環(huán)境振動(dòng)所提供的能量本身較微弱、無規(guī)律，振動(dòng)頻譜廣，微能源的能源采集模塊所輸出的能量無法直接向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等微器件、系統(tǒng)提供充足、穩(wěn)定的電能。因此，需要設(shè)計(jì)合適的電源管理和存儲電路模塊以進(jìn)行交流/直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換、存儲、變頻進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量供給。

在AC/DC 轉(zhuǎn)換方面，橋式整流電路是目前的典型應(yīng)用，但其轉(zhuǎn)換效率較低。在儲能方面，常見的儲能媒介有電容器和可充電電池兩種。電容器一般包括普通電容器與超級電容器。普通電容器由于其儲能小，只能為微電子器件提供短暫的能量供給;而超級電容器具有容量大、壽命長，是一種理想的大功率物理二次電源。

Elvin N 等人［33］利用半電橋和電容器構(gòu)成電源管理電路，同時(shí)在電路中加入了控制電路，當(dāng)儲能電壓達(dá)到1.1 V時(shí)，控制電路開始工作，電容器進(jìn)入放電狀態(tài)，為微傳感器提供能量;當(dāng)電壓下降到0.8 V 時(shí)，控制電路關(guān)閉，電容器再次進(jìn)入充電狀態(tài)。為了提高電路轉(zhuǎn)換效率，Guyomar D 等人［34］設(shè)計(jì)出非線性自適合能量采集電路，稱為電感同步開關(guān)采集電路(SSHI)，電路中的電子開關(guān)在壓電器件位移達(dá)到最大或最小時(shí)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明:SSHI 電路的傳遞效率比只包含整流電橋和電容的標(biāo)準(zhǔn)電路提高了數(shù)倍。

在國內(nèi)對于能量存儲模塊也有相關(guān)研究，吉林大學(xué)［35］利用電容器儲存壓電振子產(chǎn)生的能量，將采集到的電能通過全橋電路整流收集在電容器中，實(shí)現(xiàn)能量的收集。重慶大學(xué)提出一種微功耗的電源智能管理電路的設(shè)計(jì)方案［36］，該電路由整流濾波電路、MOS 開關(guān)、儲能電路、輔助能量補(bǔ)充回路和主控制電路等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了自身功耗為40 μW 的能量儲存電路。中北大學(xué)提出了針對復(fù)合微能源的能量采集電路［37］，該電路整合兩種能量采集方式的優(yōu)勢，提高并改善了振動(dòng)能量的輸出和儲存效率。

能量存儲模塊的研究仍處于理論實(shí)驗(yàn)階段，如何高效實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和能量存儲仍是目前能量采集器在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的主要問題。

3 結(jié) 論

振動(dòng)能量采集器在低功耗電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)著巨大的潛能，與其微能源相比具有壽命長、體積小、無污染等優(yōu)勢。目前，壓電式和電磁式振動(dòng)能量采集器的研究相對較多，但壓電式能量轉(zhuǎn)換率低、磁電式存在漏磁現(xiàn)象等缺點(diǎn);電源管理與能量管理模塊的研究仍處于理論研究階段。以此實(shí)現(xiàn)高效能、低功耗、智能化的振動(dòng)式能量采集器是未來微能源發(fā)展趨勢。

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