微型振動式能量采集器研究進展*

許 卓，楊 杰，燕 樂，曹嘉峰，陳曉勇，丑修建

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

隨著微電子技術日趨發(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，使用一段時間后需要更換或補充燃料，不利在惡劣條件下或者偏遠地區(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，新型能量采集技術成為微型傳感器供能研究的一個重要方向，并受到人們越來越多的關注。

能量采集是指收集環(huán)境中未利用的能源(光、熱、風、機械振動等)并將其轉換成可用電能的一種技術。機械振動是環(huán)境中普遍的一種能量存在形式，微型振動能量采集器是通過轉換自然界中廣泛存在的振動能為電能實現(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。微機械振動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)點和生物微納機電器件電源供給，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 振動能量采集模塊

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

1.1 電磁式振動能量模塊

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

目前關于電磁式振動能量采集模塊的研究較多，模型較為成熟，已成功應用在許多電能收集器中。英國南安普頓大學［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，在固定線圈上收集振動能量。在振動頻率為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、振幅低于200 μm 時，輸出平均功率達到830 μW。臺灣國立中山大學研究者設計的電磁式振動能量采集模塊［6］包括多層銀平面線圈，輸出最大電壓達到25.19 mV，輸出功率達到1 mW。北京大學［7］研究的低頻電磁式MEMS 能量采集模塊，該模塊是標準的“彈簧、質量塊、阻尼”動力學振動模型，其永磁鐵是通過表面電鍍技術加工完成，懸臂梁與線圈通過鍍銅技術完成(如圖1所示)。該器件在諧振頻率64 Hz，1 gn加速度激勵下，開路電壓峰峰值為7.5 μV，負載為1.9 Ω，對應的輸出最大能量密度為0.03 μW/cm3。由于電磁式振動能量采集模塊漏磁大，輸出功率過低等缺點，在MEMS 的實際應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把機械能轉換為電能的裝置，在振動能量采集中一般多采用懸臂梁式結構。由于d31模式的壓電能量采集模塊結構簡單，國內外相關研究較多。國外學者已對包括壓電材料［8，9］、能量收集裝置結構［10～12］和儲能結構［13，14］展開了研究。國內研究的有浙江大學［15］、上海交通大學［16］、華中科技大學［17］等高校。2009 年，新加坡南洋理工大學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構能量采集模塊［18］。其懸臂梁尺寸為250 mm×62 mm×1.5 mm，輸出功率可達151.6 μW。2013 年，臺灣國立大學［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 不銹鋼結構能量采集模塊(體積僅為2.36 mm3)，其諧振頻率為202 Hz，在1.5 gn加速度激勵下，其開路電壓為1.8 V，輸出功率達到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［22］對d33壓電模式的MEMS 振動能量采集模塊進行研究，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加速度激勵下，輸出功率7.182 μW，能量密度為17，181.8 μW·cm－3。壓電式振動能量采集模塊在集成化和環(huán)境適應性方面具有優(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，機電耦合系數(shù)低，在一定程度上降低了能量轉換效率。

1.3 靜電式振動能量采集模塊

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［24］、日本東京大學［25］、德國微系統(tǒng)與信息技術研究所［26］、臺灣國立交通大學［27］等機構進行相關研究。靜電式能量采集模塊最大優(yōu)點是:與MEMS 集成效果好，不需要智能材料，適合應用于小尺度場合，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，這些缺點都極大地限制其應用發(fā)展。

1.4 磁致伸縮式振動能量采集模塊

磁致伸縮效應的逆效應(Villari 效應)是指當鐵磁性材料受到機械力的作用時，它的內部產(chǎn)生應變，導致導磁率發(fā)生變化。當磁致伸縮材料受振動變形后，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將環(huán)境中的振動能轉換為電能。

由于磁致伸縮能量轉換方式較為復雜，相關研究較少，主要集中在國外幾所研究院校，國內鮮有報道。美國的Staley M E 等人采用Terfenol－D 和Galfenol 材料設計了低頻振動能量收集裝置［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Wang Lei 等人［30］采用非結晶金屬玻璃Metglas 2605SC 磁致伸縮材料制備振動能量采集器，該器件在頻率為1100 Hz 的振動條件下輸出功率為606 μW/cm3(如圖2 所示)磁致伸縮式振動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，但結構需要能量拾取線圈，難以與MEMS 集成。該項研究目前仍處于初始探索階段。

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

1.5 復合式振動能量采集模塊

復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中的兩種或多種互相結合而將環(huán)境振動能轉換成為電能的裝置。通過集成不同類型能量采集技術的優(yōu)點可以增大輸出功率。Khaligh A 等人［31］于2008 年設計了一種新型壓電—電磁復合式能量采集模塊的拓撲結構(如圖3 所示)。美國麻省理工大學的Huang Jiankang 等人［32］將磁致伸縮材料與壓電材料結合，設計了Terfenol－D/PZT/Terfenol－D 的三明治結構復合能量采集模塊(體積為1 cm3)，在頻率為30 Hz，加速度為0.5 gn的激勵條件下獲得超過10 mW 的輸出功率。復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)化更為復雜，大量基礎設計理論和技術方法還需要進一步優(yōu)化。

圖3 壓電—電磁復合式能量采集模塊結構圖Fig 3 Structure diagram of hybrid energy harvesting module based on piezoelectric-electromagnetic effect

振動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，其類型和結構也較為豐富，但是并不適用于所有的應用環(huán)境。

2 電源管理與儲能電路模塊

由于環(huán)境振動所提供的能量本身較微弱、無規(guī)律，振動頻譜廣，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)點等微器件、系統(tǒng)提供充足、穩(wěn)定的電能。因此，需要設計合適的電源管理和存儲電路模塊以進行交流/直流(AC/DC)轉換、存儲、變頻進而實現(xiàn)穩(wěn)定的能量供給。

在AC/DC 轉換方面，橋式整流電路是目前的典型應用，但其轉換效率較低。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成電源管理電路，同時在電路中加入了控制電路，當儲能電壓達到1.1 V時，控制電路開始工作，電容器進入放電狀態(tài)，為微傳感器提供能量;當電壓下降到0.8 V 時，控制電路關閉，電容器再次進入充電狀態(tài)。為了提高電路轉換效率，Guyomar D 等人［34］設計出非線性自適合能量采集電路，稱為電感同步開關采集電路(SSHI)，電路中的電子開關在壓電器件位移達到最大或最小時觸發(fā)。實驗表明:SSHI 電路的傳遞效率比只包含整流電橋和電容的標準電路提高了數(shù)倍。

在國內對于能量存儲模塊也有相關研究，吉林大學［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，實現(xiàn)能量的收集。重慶大學提出一種微功耗的電源智能管理電路的設計方案［36］，該電路由整流濾波電路、MOS 開關、儲能電路、輔助能量補充回路和主控制電路等構成，實現(xiàn)了自身功耗為40 μW 的能量儲存電路。中北大學提出了針對復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驗階段，如何高效實現(xiàn)電能轉換和能量存儲仍是目前能量采集器在實際應用中所面臨的主要問題。

3 結 論

振動能量采集器在低功耗電子器件領域展現(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能量采集器的研究相對較多，但壓電式能量轉換率低、磁電式存在漏磁現(xiàn)象等缺點;電源管理與能量管理模塊的研究仍處于理論研究階段。以此實現(xiàn)高效能、低功耗、智能化的振動式能量采集器是未來微能源發(fā)展趨勢。

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