王小麗， 方玉明， 丁立群， 楊孟媛， 鈕 飛， 鄧麗城

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

不同頻帶寬度的振動能量收集器研究進(jìn)展*

王小麗， 方玉明， 丁立群， 楊孟媛， 鈕 飛， 鄧麗城

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

振動能量收集器由于具有體積小、壽命長、高能量密度等特點，被廣泛用于微機電系統(tǒng)設(shè)備的供電。從頻率角度出發(fā)，介紹了單諧振頻率、寬頻式、頻率可調(diào)式三種不同頻帶寬度的振動能量收集器，并系統(tǒng)介紹了上述結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。其中，單諧振頻率能量收集結(jié)構(gòu)最為簡單，研究較早，技術(shù)比較成熟。而寬頻式和頻率可調(diào)式由于更加符合外界環(huán)境振動條件，成為研究熱點。

振動能量收集器； 單諧振頻率； 寬頻式； 頻率可調(diào)式

0 引 言

振動在環(huán)境中普遍存在，例如:車輛電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動、公路鐵路橋梁的振動、由風(fēng)激勵轉(zhuǎn)化而來的振動等。振動能量采集器就是將這些振動所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，為各種電子設(shè)備供電。由于其具有體積小、壽命長、高能量密度、無污染等特點，被國內(nèi)外研究者廣泛研究。根據(jù)工作頻帶寬度不同，可將其分為單頻式、寬頻式和頻率可調(diào)式等結(jié)構(gòu)。

本文介紹了三種不同頻帶寬度振動能量采集器，并對它們的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較。其中,寬頻式和頻率可調(diào)式由于更加符合外界環(huán)境振動條件，成為研究熱點。

1 單諧振頻率振動能量收集結(jié)構(gòu)

研究表明，當(dāng)振動能量收集器的固有頻率與外界振動頻率相同，即發(fā)生諧振時，其能量轉(zhuǎn)換效率最高。單諧振頻率能量采集器固有頻率單一，且工作頻率范圍較小。其結(jié)構(gòu)簡單、研究較早、技術(shù)比較成熟。根據(jù)換能原理不同，振動能量采集器又可分為壓電式、電磁式和靜電式。

1.1 單諧振頻率壓電式振動能量收集結(jié)構(gòu)

壓電式結(jié)構(gòu)的工作原理是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)受到某固定方向外力作用時，壓電材料會產(chǎn)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在兩個表面上產(chǎn)生等量異號的束縛電荷，由此將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能。在目前研究的單頻壓電式結(jié)構(gòu)中，單懸臂梁結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)最為簡單，而得到了廣泛的研究，并且發(fā)展最為成熟。通常，單懸臂梁結(jié)構(gòu)的固有頻率比較高，而外界環(huán)境振動源的頻率比較低，因此，在懸臂梁的末端增加一金屬質(zhì)量塊以減小單懸臂梁結(jié)構(gòu)振動的固有頻率，如圖1所示。

圖1 單懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of single cantilever structure

矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)是目前單頻能量收集器最常用的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單且易于集成，同時還有很多研究者對其他結(jié)構(gòu)形式也進(jìn)行了研究。謝濤等人[1]對矩形、梯形和三角形的懸臂梁進(jìn)行了研究，研究表明，在相同的外部激勵下，三角形單懸臂梁收集的能量最多，梯形單懸臂梁次之，矩形單懸臂梁收集的能量最少。Chen S等人[2]對厚度不均勻的壓電支撐梁進(jìn)行了研究，在壓電支撐梁上挖三個大小相等的矩形凹槽，研究發(fā)現(xiàn)，帶有凹槽的矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)與普通的矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，收集的能量更多。Ting Y等人[3]對曲線型懸臂梁進(jìn)行了研究，研究表明，采用曲線形懸臂梁比采用同種壓電材料的矩形結(jié)構(gòu)性能更好。

對于單懸臂梁結(jié)構(gòu)，其承受的壓力或沖擊載荷不能太大，在一些沖擊載荷較大的場合中就限制了其應(yīng)用。Kim H W等人[4，5]設(shè)計了一種Cymbal形振動能量收集結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在壓電圓片兩側(cè)分別粘結(jié)一個相同的碟形金屬帽，其示意圖如圖2所示。該結(jié)構(gòu)能承受更大的載荷，且比相同體積的懸臂梁結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更大的電能。

圖2 Cymbal形振動能量收集結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of cymbal shape vibration energy harvesting

1.2 單諧振頻率電磁式振動能量收集結(jié)構(gòu)

電磁式能量收集器是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，將外界隨機的機械振動轉(zhuǎn)換為線圈回路或永磁體的運動，實現(xiàn)兩者之間的相對運動，從而使線圈回路內(nèi)磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)振動部件的不同又可分為動鐵型、動圈型和鐵圈同振型[6]。王佩紅等人[7，8]采用MEMS工藝，設(shè)計并制作了一種三明治夾層結(jié)構(gòu)的動鐵型振動能量收集器，如圖3所示。它采用上、下兩層線圈串聯(lián)以提高輸出電壓，中間是由硅基平面鎳彈簧和永磁體構(gòu)成的拾振結(jié)構(gòu)。實驗測試表明，在頻率為280.9 BZ的外界振動激勵下，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生的最大輸出電壓為125 mV。

圖3 三明治夾層結(jié)構(gòu)的電磁式能量收集器Fig 3 Electromagnetic energy harvester with sandwiched structure

Zhang Q等人[9]提出了一種動圈型能量收集結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分別將多個磁鐵和線圈并聯(lián)以提高輸出。此外，Zuo L等人[10]設(shè)計了一種鐵圈同振型能量收集結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在2.5 m/s的相對速度下，能產(chǎn)生2.01 W的平均功率。

1.3 單諧振頻率靜電式振動能量收集結(jié)構(gòu)

靜電式能量收集器是通過靜電效應(yīng)將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能。靜電式能量收集器根據(jù)其改變電容的方式不同可分為變間距式和變面積式。其中,Guilllemet R[11]研制了一種矩形截面的梳齒狀結(jié)構(gòu)靜電式能量采集器，通過改變極板間的間距改變電容,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該器件能產(chǎn)生距中心頻率30 %的高的半功率帶寬，當(dāng)振動頻率和加速度分為為150 BZ和1gn的條件下，輸出功率為2.2 μW。另外，Renaud M等人[12]研制出了一種用于胎壓監(jiān)測的變面積式的能量采集器，該器件的一個電極表面凹凸不平，利用狹谷效應(yīng)使之具有好的機電線性。在與輪胎內(nèi)振動相似的環(huán)境中測試時，該器件能產(chǎn)生10～50 μW的功率輸出。

圖4 梳齒狀靜電式振動能量采集結(jié)構(gòu)示意圖Fig 4 Diagram of comb shape electrostatic vibration energy harvesting structure

2 寬頻帶振動能量收集結(jié)構(gòu)

上述的單諧振頻率振動能量收集結(jié)構(gòu)的工作的頻率范圍比較小，以單懸臂梁結(jié)構(gòu)為例，其頻帶寬度為2ξωn(ξ為能量收集結(jié)構(gòu)的阻尼比，ωn為結(jié)構(gòu)振動的固有頻率)，當(dāng)工作在十幾赫茲的振動頻率下，阻尼比為0.025時，其頻帶寬度不到1 BZ[13]。而實際環(huán)境中的振動頻率一般在一個范圍內(nèi)，若采用上述單頻率的振動能量收集結(jié)構(gòu)工作，則能量收集的效率就比較低。因此，就需要拓寬能量采集結(jié)構(gòu)的頻帶寬度，使其能夠收集更多振動頻率下的能量。

2.1 寬頻帶壓電式振動能量收集結(jié)構(gòu)

在拓寬頻帶寬度方面，壓電式振動能量收集結(jié)構(gòu)有許多研究。Shahruz S M等人[14]設(shè)計了一系列固有頻率相近的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將它們進(jìn)行組合，研究了單懸臂梁陣列式能量收集結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)問題。這樣即使環(huán)境中振源振動的頻率不斷變化，也總會有某些單懸臂梁處在工作狀態(tài)。

Erturk A等人[15]研究了一種L型懸臂梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的懸臂梁相比，將結(jié)構(gòu)的一階和二階固有頻率之間相差的倍數(shù)從6倍降低到1倍，其振幅有時甚至比直線型懸臂梁還要大，輸出電能更大。他們設(shè)計的懸臂梁的一階和二階固有頻率分別為23.8，46.5 BZ(開路時)。

圖5 L型懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig 5 Diagram of L shape cantilever structure

2.2 寬頻帶電磁式振動能量收集結(jié)構(gòu)

單諧振頻率能量收集結(jié)構(gòu)是直線共振結(jié)構(gòu)，僅工作在其共振頻率下，能量收集效率不高，與之相比，非共振型能量采集結(jié)構(gòu)更適用于寬頻帶的外界振動能量的采集。而純轉(zhuǎn)動型能量采集器，往往需要連續(xù)的推動力運轉(zhuǎn)，不適合用于自然界振動的能量收集?；旌闲头枪舱褶D(zhuǎn)動型能量收集器結(jié)合了兩者的特點，通過非平衡轉(zhuǎn)子將直線振動轉(zhuǎn)化為永磁體的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)能量收集。其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 混合型電磁式振動能量采集結(jié)構(gòu)示意圖Fig 6 Hybrid electromagnetic vibration energy harvesting structure

Lu C H等人[16]根據(jù)呼啦圈的工作原理研制出了一種轉(zhuǎn)動型能量收集器。該收集器由線圈定子、非平衡永磁體轉(zhuǎn)子和中間的轉(zhuǎn)軸組成。外界的直線振動轉(zhuǎn)化為非平衡永磁體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，通過電磁感應(yīng)定律收集能量。

靜電式振動能量采集器由于需要接入外部電源作為啟動電壓，限制了其應(yīng)用，目前研究較少，在拓寬頻帶寬度和調(diào)節(jié)頻率方面的研究更是很少見，本文就不再敘述。

3 頻率可調(diào)式振動能量收集結(jié)構(gòu)

由于外界環(huán)境中振源的振動頻率不是固定不變的，這就需要調(diào)節(jié)振動能量收集器的固定頻率，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。

3.1 頻率可調(diào)壓電式振動能量收集器

可以通過調(diào)節(jié)振動結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性來改變結(jié)構(gòu)振動的固有頻率，壓電式能量收集器的具體調(diào)節(jié)方式有改變彈性體的彈性系數(shù)，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置等。Calla V R等人[17]提出了一種共振頻率可調(diào)的能量收集器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 頻率可調(diào)節(jié)的能量收集器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 7 Structure diagram of frequency tunable energy harvester

該結(jié)構(gòu)在懸臂梁末端設(shè)置四塊永磁體，通過改變上下永磁體的距離來改變結(jié)構(gòu)的共振頻率。Calla V R通過實驗研究了一共振頻率為26 BZ的壓電懸臂梁，在上下永磁體的作用下，頻率可調(diào)范圍為22～32 BZ。Wu X M等人[18]提出一種通過調(diào)整懸臂梁上的質(zhì)量塊的位置來實現(xiàn)共振頻率調(diào)節(jié)的振動能量收集器，實驗結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置，該能量收集器的共振頻率的范圍為130～180 BZ。

3.2 頻率可調(diào)電磁式振動能量收集器

Liu H C等人[19]設(shè)計一種面內(nèi)近似非線性電磁式振動能量采集結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由一個MEMS能量采集芯片和一個圓柱形永磁體構(gòu)成。芯片上集成了1個大的彈簧—質(zhì)量塊系統(tǒng)和4個小的彈簧—質(zhì)量塊系統(tǒng)，如圖8所示，其中質(zhì)量塊上集成有線圈。小的彈簧—質(zhì)量塊系統(tǒng)作為大的彈簧—質(zhì)量塊系統(tǒng)的驅(qū)動力，使之發(fā)生非線性振動。非線性振動中彈簧剛度隨形變大小而變化，因而，系統(tǒng)的固有頻率也隨振動幅度大小而變化。

圖8 MEMS能量采集芯片示意圖Fig 8 Diagram of MEMS energy harvesting chip

4 不同頻帶寬度的能量收集結(jié)構(gòu)的比較

對三種不同換能方式的結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 三種能量采集器的對比Tab 1 Comparison of three kinds of energy harvester

5 結(jié)束語

振動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，與其他微能源相比具有壽命長、體積小、無污染等優(yōu)勢。振動能量采集器的發(fā)展方向有兩個方面：一方面，對單諧振頻率能量收集器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高其各項性能指標(biāo)，從而使其更快地得到實際應(yīng)用；另一方面，完善和改進(jìn)能量收集器的基礎(chǔ)原理和仿真模型，拓寬頻帶寬度，使其能夠應(yīng)用于更寬的頻率范圍內(nèi)。綜合全文所述，可以通過以下三種方式來拓寬能量采集器的頻帶寬度：1)增加結(jié)構(gòu)的諧振頻率的數(shù)量；2)縮小結(jié)構(gòu)的一階、二階固有頻率之間相差的倍數(shù)；3)利用非線性振動。

[1] 單小彪,袁江波,謝 濤，等.不同截面形狀懸臂梁雙晶壓電振子發(fā)電能力建模與實驗研究[J].振動與沖擊,2010,29(4):177-180.

[2] Chen S,Zhou J,Sun J,et al.Piezoelectric beam with non-uniform thickness for vibration energy harvesting[C]∥2012 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications(SPAWDA),IEEE,2012:61-64.

[3] Ting Y,Hariyanto G,Hou B K,et al.Investigation of energy harvest and storage by using curve-shape piezoelectric unimorph[C]∥2009 IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE)，IEEE,2009:2047-2052.

[4] 文 晟,張鐵民,劉 旭,等.基于壓電效應(yīng)的振動能量回收裝置的研究進(jìn)展[J].機械科學(xué)與技術(shù),2010,29(11):1515-1520.

[5] Kim H W,Batra A,Priya S,et al.Energy harvesting using a piezoelectric“cymbal”transducer in dynamic environment[J].Japanese Journal of Applied Physics,2004,43(9):6178.

[6] 王佩紅,戴旭涵,趙小林.微型電磁式振動能量采集器的研究進(jìn)展[J].振動與沖擊,2007,26(9):94-98.

[7] 王佩紅,劉慧婷,楊卓青,等.基于MEMS技術(shù)的三明治型電磁式微振動能量采集器[J].納米技術(shù)與精密工程,2010,8(6):510-515.

[8] 陳 勇,丁杰雄.電磁型振動能量收集器研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].微納電子技術(shù),2012(8):9.

[9] Zhang Q,Kim E S.Vibration energy harvesting based on magnet and coil arrays for Watt-level handheld power source[J].Procee-dings of the IEEE,2014,102(11):1747-1761.

[10] Zuo L,Scully B,Shestani J,et al.Design and characterization of an electromagnetic energy harvester for vehicle suspensions[J].Smart Materials and Structures,2010,19(4):045003.

[11] Guilllemet R,Basset P,Galayko D,et al.Wideband MEMS electrostatic vibration energy harvesters based on gap-closing interdigited combs with a trapezoidal cross section[C]∥2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),IEEE,2013:817-820.

[12] Renaud M,Altena G,Goedbloed M,et al.A high performance electrostatic MEMS vibration energy harvester with corrugated inorganic SiO2—Si3N4electret[C]∥2013 Transducers & Eurosensors XXVII:The 17th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems(Transducers & Eurosensors XXVII),IEEE,2013:693-696.

[13] 劉祥建,陳仁文.壓電振動能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].振動與沖擊,2012,31(16):169-176.

[14] Shahruz S M.Design of mechanical band-pass filters with large frequency bands for energy scavenging[J].Mechatronics,2006,16(9):523-531.

[15] Erturk A,Renno J M,Inman D J.Modeling of piezoelectric energy harvesting from an L-shaped beam-mass structure with an application to UAVs[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2009,20(5):529-544.

[16] Lu C H,Wang Y J,Sung C K,et al.A hula-hoop energy-harvesting system[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10):2395-2398.

[17] Challa V R,Prasad M G,Shi Y,et al.A vibration energy harvesting device with bidirectional resonance frequency tenability[J].Smart Materials and Structures,2008,17:1-10.

[18] Wu X M,Lin J H,Kato S,et al.A frequency adjustable vibration energy harvester[C]∥Proceedings of Power MEMS 2008,Sendai,Japan,2008:245-248.

[19] Liu H C,Qian Y,Wang N,et al.An in-plane approximated non-linear MEMS electromagnetic energy harvester[J].Jounal of Micro-electro-mechanical Systems,2014,23(3):740-749.

方玉明，通訊作者,E—mail：fangym@njupt.edu.cn。

Research progress of vibration energy harvesters with different bandwidth*

WANG Xiao-li， FANG Yu-ming， DING Li-qun， YANG Meng-yuan, NIU Fei， DENG Li-cheng

(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China )

Vibration energy harvester is widely used in power supply of micro-electro-mechanical system(MEMS)devices because of characteristics of small size,long lifetime and high energy density.Three types of vibration energy harvesters with different bandwidth,which are single resonant frequency,wide frequency,and frequency tunable type,are introduced from the aspect of frequency,and advantages,disadvantages,currently situation at home and abroad and future development trends of these structures are systematically introduced.The single resonant frequency energy harvesting structure is the simplest among them and has relatively mature technology,which has been researched for a long time.While broadband structure and frequency tunable structure have become hot topics of research because they are more suitable for external environmental vibration condition.

vibration energy harvester; single resonant frequency; broadband type; frequency tunable type

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0005—04

2015—09—10

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20131380)；南京郵電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目(XYB2015519，XZD2015025)；江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室項目

TM 919

A

1000—9787(2016)07—0005—04

王小麗(1990-)，女，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向為微機電系統(tǒng)、振動能量采集。