杜小振，張龍波，曾慶良

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

近年來,環(huán)境振動(dòng)能量采集技術(shù)研究越來越廣泛，其特有的機(jī)/電轉(zhuǎn)換性能有望實(shí)現(xiàn)為微型傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等低功耗微電子器件持續(xù)供能[1,2]。電池的研發(fā)一直滯后于便攜式電子設(shè)備功能多樣化的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)化學(xué)電池除了廣泛普及、技術(shù)相對(duì)成熟、成本低廉等優(yōu)勢外，同樣存在壽命有限需定期更換、溫度適應(yīng)性差、污染環(huán)境等缺點(diǎn)[3]。然而周圍環(huán)境振動(dòng)場合隨處可見，采集環(huán)境振動(dòng)能換能技術(shù)的新型微電源未來可替代傳統(tǒng)化學(xué)電池為低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供穩(wěn)定持久、高效環(huán)保能源[4]。

當(dāng)前研究的環(huán)境振動(dòng)能量采集形式主要包括靜電式、電磁式、壓電式、摩擦發(fā)電效應(yīng)及復(fù)合式等[5～13]，比較各種能量轉(zhuǎn)換形式的特點(diǎn)可知,靜電式能量采集器需外加電壓源，實(shí)用性差；電磁式易受外圍磁場干擾；壓電式,傳統(tǒng)工藝采用的含鉛壓電陶瓷材料，脆性大易產(chǎn)生應(yīng)變疲勞，同時(shí)鉛具有毒性危害人體健康，污染環(huán)境[14,15]；摩擦發(fā)電效應(yīng)在微能源領(lǐng)域研究中起步較晚，2012年，美國科學(xué)家王中林提出了利用耦合摩擦起電和靜電感應(yīng)原理將環(huán)境中極其微小的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，成功研發(fā)出了世界首臺(tái)納米發(fā)電機(jī)，其制造工藝相對(duì)簡單、成本低廉易于批量生產(chǎn)，為未來微能源領(lǐng)域提供新的能量供給模式[16]。當(dāng)前研究振動(dòng)能采集形式主要表現(xiàn)為固定頻率形式，而環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)多表現(xiàn)為頻率低、頻域廣、振幅小且多方向性，并且受工藝和微電源尺寸限制，目前，研究的大多數(shù)環(huán)境振動(dòng)能采集器自身諧振頻率較高，不利于在低頻振動(dòng)環(huán)境中高效采集能量，鑒于以上特點(diǎn)，需調(diào)整拾振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，滿足低寬頻隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境能量采集要求[17，18]。當(dāng)前研究拾振結(jié)構(gòu)頻變方式主要有接觸式和非接觸式。

本文分析總結(jié)了多種發(fā)電裝置頻率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)及其實(shí)用性，為拾振型微電源優(yōu)化設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 接觸式頻率轉(zhuǎn)換法

1.1 直接碰撞拾振體進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換

當(dāng)前多數(shù)環(huán)境振動(dòng)能量收集裝置采用懸臂梁作為拾振換能結(jié)構(gòu)，尺寸設(shè)計(jì)過小則裝置自身固有頻率很大，然而傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周圍環(huán)境振動(dòng)頻率一般低于100 Hz，二者難以匹配實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電，必須進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換使高頻發(fā)電裝置更好適應(yīng)低頻振動(dòng)環(huán)境。韓國光云大學(xué)的Halim M A等人[19]提出了頻率轉(zhuǎn)換寬頻壓電能量采集裝置，如圖1，低頻驅(qū)動(dòng)梁自由端固定長方體質(zhì)量塊，在其正下方適當(dāng)垂直距離固定兩根自由端無質(zhì)量塊的高頻壓電懸臂梁。裝置受到外界振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，質(zhì)量塊隨低頻驅(qū)動(dòng)梁上下運(yùn)動(dòng)碰撞高頻壓電懸臂梁。外接最優(yōu)阻抗180 kΩ，施加0.4gn激勵(lì)加速度，在低諧振頻率13.5 Hz下輸出峰值功率247 μW。裝置可實(shí)現(xiàn)低/高頻轉(zhuǎn)換并拓寬采集頻帶8 Hz。新加坡國立大學(xué)的Liu H 等人[20]設(shè)計(jì)了如圖2所示壓電式MEMS微電源，高頻壓電懸臂梁和自由端固定質(zhì)量塊的低頻壓電懸臂梁對(duì)向分布固定于上、下硅基底，對(duì)其金屬封裝并上、下固定于中間設(shè)置墊片的PCB上。低頻壓電懸臂梁自由端質(zhì)量塊受環(huán)境振源激勵(lì)，自由振動(dòng)碰撞高頻壓電懸臂梁驅(qū)使其諧振變形。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：外界施加0.6gn激勵(lì)加速度，裝置適應(yīng)環(huán)境采集頻帶30～48 Hz，輸出最優(yōu)功率34～100 nW，滿足低寬頻振動(dòng)環(huán)境工作要求。

圖1 低高頻組合梁壓電式發(fā)電裝置

圖2 壓電式MEMS微電源結(jié)構(gòu)

立陶宛考納斯科技大學(xué)的Dauksevicius R等人[21]設(shè)計(jì)了多懸臂梁組合式頻率轉(zhuǎn)換能量采集裝置,如圖3，兩端豎直基板中間位置橫向固定兩根諧振驅(qū)動(dòng)梁，對(duì)應(yīng)其上、下位置分別固定兩根高頻壓電懸臂梁，通過多組適當(dāng)間隔的低頻諧振梁相互碰撞驅(qū)動(dòng)高頻壓電懸臂梁，可實(shí)現(xiàn)在低頻振動(dòng)環(huán)境下寬頻發(fā)電。實(shí)驗(yàn)測試：激勵(lì)頻率范圍10～40 Hz，在1gn激勵(lì)加速度下兩根諧振梁共振頻率范圍10～30 Hz，裝置輸出功率范圍30～37 μW，有效拓寬采集頻帶9 Hz。

圖3 多梁組合式壓電能量采集裝置

泰國曼谷國王科技大學(xué)的Janphuang P等人[22]設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式頻率轉(zhuǎn)換MEMS微電源如圖4，其中,壓電懸臂梁、半圓形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和齒盤上下依次同軸固定，半圓形質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒盤與壓電懸臂梁端齒發(fā)生嚙合運(yùn)動(dòng)，每次嚙合過程中均驅(qū)使壓電懸臂梁彎曲變形產(chǎn)生電能。當(dāng)齒盤旋轉(zhuǎn)速度為3～19 rad/s，裝置可獲得幾十毫瓦平均功率輸出。同時(shí)這種垂直布置可降低裝置高度、保證結(jié)構(gòu)緊湊性，適合為智能手表、電子手環(huán)等可穿戴式低功耗設(shè)備供能。韓國光云大學(xué)的Miah M A H等人[23]設(shè)計(jì)了一種圓柱結(jié)構(gòu)式電磁能量采集裝置如圖5，其尺寸大小類似于單節(jié)普通干電池。圓柱磁鐵固定在外殼兩端內(nèi)置彈簧上，同時(shí)外殼兩端外部纏繞線圈，中間非磁性圓球可在外殼內(nèi)部通道自由運(yùn)動(dòng)碰撞圓柱磁鐵，在彈簧作用下兩圓柱磁鐵高頻振動(dòng)，穿過外圍線圈的磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)交變電流。外接負(fù)載電阻16 Ω，施加激勵(lì)加速度2.5gn，在振動(dòng)頻率15 Hz下裝置輸出功率227.52 μW。

圖4 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊壓電式MEMS微電源

圖5 圓柱結(jié)構(gòu)式電磁能量采集裝置

直接作用于發(fā)電裝置拾振結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量采集頻率轉(zhuǎn)換來適應(yīng)低頻振動(dòng)環(huán)境，基本通過相互碰撞方式實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往會(huì)增大裝置體積、降低能量密度，持續(xù)碰撞拾振體會(huì)損失部分機(jī)械能,同時(shí)產(chǎn)生額外振動(dòng)噪聲，并且直接接觸式機(jī)械磨損極大地降低了裝置工作壽命。

1.2 間接碰撞拾振體進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換

韓國光云大學(xué)的Halim M A等人[24]設(shè)計(jì)了如圖6所示手動(dòng)驅(qū)動(dòng)式頻率轉(zhuǎn)換復(fù)合能量采集裝置，手動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下頂部非磁性圓球可在矩形通道內(nèi)來回?cái)[動(dòng)，壓電懸臂梁中心位置上方固定弧度質(zhì)量塊，下方固定圓柱磁鐵，感應(yīng)線圈位于磁鐵正下方。頂部圓球來回?cái)[動(dòng)擠壓弧度質(zhì)量塊，間接驅(qū)使壓電懸臂梁自由振動(dòng)，同時(shí)圓柱磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在手動(dòng)驅(qū)動(dòng)頻率5 Hz下，壓電和電磁發(fā)電各自輸出峰值功率0.98，0.64 mW。Halim M A課題組[25]還提出了通過碰撞兩側(cè)柔性壁間接作用于壓電懸臂梁沖擊力進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，中間金屬球可在兩端通口圓柱通道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，每次碰撞柔性壁均將沖擊力傳遞給壓電懸臂梁，驅(qū)使其變形產(chǎn)生電能。實(shí)驗(yàn)測得以手動(dòng)驅(qū)動(dòng)頻率4.96 Hz搖晃發(fā)電裝置實(shí)物原型，可輸出峰值功率175 μW。

圖6 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)復(fù)合式能量采集裝置

圖7 頻率轉(zhuǎn)換壓電式能量采集裝置

通過擠壓弧度質(zhì)量塊或碰撞柔性壁間接作用于壓電懸臂梁，相互之間沖擊力將環(huán)境低頻振動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電裝置高頻諧振發(fā)電，避免對(duì)懸臂梁直接接觸碰撞磨損，減小振動(dòng)噪聲，延長系統(tǒng)壽命。

2 非接觸式頻率轉(zhuǎn)換法

2.1 驅(qū)使振動(dòng)體形變進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換

韓國西江大學(xué)的Jun S M等人[26]提出了如圖8所示機(jī)械式頻率轉(zhuǎn)換能量采集裝置，兩根細(xì)長柔性梁共用中心大質(zhì)量塊，其底部粘貼兩根自由端固定小質(zhì)量塊的壓電懸臂梁。裝置受到外部環(huán)境激勵(lì)超過細(xì)長梁穩(wěn)態(tài)閾值加速度，此時(shí)壓電懸臂梁隨柔性梁中心質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生諧振，將環(huán)境低頻激勵(lì)振動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓電懸臂梁高頻能量采集振動(dòng)。在30 Hz諧振頻率下，輸出峰值功率131 μW，有效拓寬工作頻帶15～40 Hz。同樣來自韓國西江大學(xué)的Han D等人[27]也提出了類似頻率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如圖9所示，中間柔性驅(qū)動(dòng)梁兩端連接柔性側(cè)壁，壓電懸臂梁固定于柔性驅(qū)動(dòng)梁中心質(zhì)量塊上。當(dāng)外部激勵(lì)加速度超過柔性驅(qū)動(dòng)梁穩(wěn)態(tài)閾值加速度時(shí)，質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)兩側(cè)柔性壁擴(kuò)張或收縮，施加沖擊力于壓電懸臂梁驅(qū)使其形變。在激勵(lì)加速度0.5gn，振動(dòng)頻率15 Hz下，裝置可輸出10 μW的峰值功率。

圖8 機(jī)械式頻率轉(zhuǎn)換壓電發(fā)電裝置

圖9 采用柔性側(cè)壁頻變結(jié)構(gòu)的壓電能量采集裝置

韓國梨花女子大學(xué)的Ju S等人[28]利用蹦床效應(yīng)設(shè)計(jì)了如圖10所示的低頻能量采集裝置，頂部腔室內(nèi)放置永久磁性圓球，兩端S型彈簧提高磁球碰撞彈速。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的磁球可實(shí)時(shí)對(duì)底部磁電復(fù)合材料提供垂直變化的磁場，根據(jù)其形狀記憶效應(yīng)，變化的磁場控制上、下磁性形狀記憶合金(MSMA)層發(fā)生形變并驅(qū)使中間MFC(一種柔韌性壓電材料)層變形產(chǎn)生電能。在手動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下，裝置輸出峰值開路電壓11.2 V，外接負(fù)載電阻50 kΩ,輸出功率0.57 μW。韓國西江大學(xué)的Jang M等人[29]設(shè)計(jì)了用半圓形殼式懸臂梁替代傳統(tǒng)平板懸臂梁進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換的壓電能量采集裝置，如圖11，殼式懸臂梁固定于基座作為驅(qū)動(dòng)梁，其自由端質(zhì)量塊上固定壓電懸臂梁。當(dāng)外部激勵(lì)加速度超過驅(qū)動(dòng)梁閾值加速度，此時(shí)驅(qū)動(dòng)梁會(huì)隨質(zhì)量塊向下彎曲運(yùn)動(dòng)，激勵(lì)加速度反向時(shí)驅(qū)動(dòng)梁則停止運(yùn)動(dòng)將沖擊力傳遞給壓電懸臂梁驅(qū)使其彎曲變形。實(shí)驗(yàn)測得在振動(dòng)頻率20 Hz下輸出峰值功率101 μW。

圖10 基于蹦床效應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換低頻能量采集裝置

圖11 半圓形殼式驅(qū)動(dòng)梁壓電能量采集裝置

驅(qū)使振動(dòng)體形變也可實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置能量采集結(jié)構(gòu)諧振頻率低、高頻之間轉(zhuǎn)換，避免了與拾振體相互碰撞，從而提高了裝置工作壽命。由于需要滿足較大振動(dòng)結(jié)構(gòu)形變空間往往整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不緊湊，導(dǎo)致裝置體積過大，降低能量密度，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性也決定了此類發(fā)電裝置一般僅適用于低頻大振幅且振動(dòng)方向固定的場合。

2.2 磁力耦合作用進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換

英國帝國理工學(xué)院的Pillatsch P等人[30]設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式MEMS壓電微電源，如圖12所示，繞中心軸旋轉(zhuǎn)的偏心盤轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊外邊緣固定永久磁鐵，自由端同樣設(shè)置了永久磁鐵的壓電懸臂梁，固定于外蓋下表面且正對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊磁鐵。裝置體積約5 cm3，直徑30 mm，約為一英鎊硬幣尺寸。轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊持續(xù)旋轉(zhuǎn)速度20 m/s2，激振頻率2 Hz時(shí)裝置輸出峰值功率43 μW。韓國全南國立大學(xué)的Wu X和Lee D W[31]提出了如圖13所示非接觸式磁力耦合寬頻發(fā)電裝置，懸臂梁采用折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小尺寸空間并提高應(yīng)力分布。低高頻聚偏氟乙烯(PVDF)懸臂梁通過自由端磁鐵組相互耦合，無論激勵(lì)頻率過高或者過低，這種頻率轉(zhuǎn)換機(jī)制均可提高兩組PVDF懸臂梁的能量采集效率。外接負(fù)載電阻50 kΩ，在30 Hz激勵(lì)頻率下，低、高頻PVDF懸臂梁分別輸出功率7.2，11.25 μW，滿足低功率無線傳感網(wǎng)絡(luò)供能需求。

圖12 旋轉(zhuǎn)式MEMS微電源結(jié)構(gòu)

圖13 折疊式懸臂梁磁力耦合寬頻發(fā)電裝置

巴西圣保羅大學(xué)的Olympio Raul B等人[32]同樣提出了對(duì)壓電懸臂梁施加磁力耦合作用進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，如圖14，在壓電懸臂梁自由端磁鐵質(zhì)量塊相對(duì)位置設(shè)置豎直陣列磁鐵組，對(duì)壓電懸臂梁施加非線性磁力作用。裝置外接負(fù)載電阻并固定于衣服口袋內(nèi)，在人體步行頻率2 Hz和跑步頻率3 Hz下測試，分別輸出功率12.7 mW和5.3 mW。美國密歇根大學(xué)的Galchev T等人[33]設(shè)計(jì)了如圖15所示的低寬頻壓電發(fā)電裝置，固定磁鐵質(zhì)量塊的螺旋式壓電彈簧梁分別位于裝置頂部和底部，中間懸浮彈簧固定鎢質(zhì)量塊，分別與頂部和底部磁鐵質(zhì)量塊發(fā)生磁力耦合作用，驅(qū)使壓電彈簧梁諧振形變。在1gn激勵(lì)加速度下，裝置輸出峰值功率100 μW，有效拓寬采集頻帶24 Hz。

圖14 非接觸式磁力耦合壓電能量采集裝置

圖15 螺旋式彈簧梁低寬頻壓電發(fā)電裝置

土耳其中東技術(shù)大學(xué)的Zorlu O等人[34]設(shè)計(jì)了如圖16所示的低、高頻轉(zhuǎn)換電磁式MEMS微電源，底部高頻隔膜上表面設(shè)置平面線圈四周通過聚對(duì)二甲苯微型懸臂梁與基底相連，平面線圈中心區(qū)域鍍有鎳層，正對(duì)頂部低頻隔膜下表面固定的磁鐵質(zhì)量塊。磁鐵隨低頻隔膜運(yùn)動(dòng)對(duì)中間鎳層施加磁力作用驅(qū)使高頻隔膜振動(dòng)，同時(shí)磁鐵與平面線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流。外接負(fù)載電阻10 kΩ，在0.6gn激勵(lì)加速度下，裝置輸出峰值電壓和功率分別為6.94 mV和8.1 nW。

圖16 低高頻轉(zhuǎn)換電磁式MEMS微電源

引入磁鐵與拾振結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁力耦合實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換可減小發(fā)電裝置整體尺寸、簡化結(jié)構(gòu)提高緊湊性，更好適應(yīng)隨機(jī)振動(dòng)多變的復(fù)雜環(huán)境。同時(shí)由于非線性磁力耦合特性作用，還可實(shí)現(xiàn)裝置能量采集諧振頻率轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)的連續(xù)性，提高裝置在低寬頻隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的實(shí)用性。此外,磁鐵的外輻射磁場會(huì)干擾其周邊近距離電子元器件的正常工作，因此,若不能解決磁干擾問題，該技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)受到一定程度的局限性。

3 環(huán)境振動(dòng)能采集微電源的研究趨勢

環(huán)境振動(dòng)能采集微電源因具備工作壽命持久、可靠性高、環(huán)保無污染、微型易集成等特性。其實(shí)用化研究過程需要解決微電源拾振結(jié)構(gòu)自身諧振頻率與環(huán)境振源激勵(lì)頻變匹配、采集振動(dòng)能機(jī)/電轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)化能量儲(chǔ)存管理模塊等問題[35～37]。

環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激振頻率較低且不穩(wěn)定、振源多方向性，微電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。當(dāng)前研究的振動(dòng)式能量采集發(fā)電裝置在尺寸微型化的同時(shí)自身諧振頻率較高，與周圍環(huán)境振源激勵(lì)頻差較大，頻率不匹配問題降低了發(fā)電裝置的機(jī)/電轉(zhuǎn)換效率。需拓寬發(fā)電裝置的能量采集頻帶，實(shí)現(xiàn)微電源自適應(yīng)低寬頻隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境多頻段發(fā)電；研制新型高性能無鉛壓電材料替代傳統(tǒng)壓電陶瓷材料[38]，改進(jìn)微加工工藝，在結(jié)構(gòu)緊湊基礎(chǔ)上融合多種換能形式，提高微電源機(jī)電轉(zhuǎn)換效率；為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)微電源對(duì)低功耗系統(tǒng)直接供能，需設(shè)計(jì)優(yōu)化電源儲(chǔ)能管理模塊對(duì)采集到的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)完全自主供能微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

環(huán)境振動(dòng)能采集微電源應(yīng)用于低功耗微機(jī)電系統(tǒng)自供電，其特有供能優(yōu)勢有望成為微能源領(lǐng)域重要補(bǔ)充。當(dāng)前研究的微型發(fā)電裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中存在機(jī)/電換能效率低、環(huán)境適用性差等不足，如何提高其高效實(shí)用性仍為待攻克的研究難題。直接或間接碰撞拾振體振動(dòng)穩(wěn)定性差，造成工作壽命短；振動(dòng)體形變的頻率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)空間體積大，能量密度低，與自供能系統(tǒng)微型化研究相矛盾；磁力耦合調(diào)頻可有效縮減裝置體積，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)頻，但存在磁干擾問題。優(yōu)化微電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到多頻段、多方向適應(yīng)環(huán)境振源改進(jìn)傳統(tǒng)型發(fā)電裝置僅單頻諧振高效發(fā)電不足、深入微加工工藝研究并提高微組裝技術(shù)、與電能儲(chǔ)存管理模塊智能化匹配等方面仍將是以后的研究重點(diǎn)。

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