微型壓電及磁電式能量采集器的研究進(jìn)展

羅　元，萬(wàn)沙浪

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

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微型壓電及磁電式能量采集器的研究進(jìn)展

羅元，萬(wàn)沙浪

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是二十一世紀(jì)影響人們生活的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景，而微型能量采集器因最有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池為其節(jié)點(diǎn)供電，已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外壓電式及磁電式微型能量采集器的研究進(jìn)展；分析了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件性能，包括器件固有頻率、輸出電壓以及輸出功率等關(guān)鍵性參數(shù)，總結(jié)了其能量收集模塊與能量?jī)?chǔ)存模塊的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)未來(lái)研究工作所面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；微型能量采集器；壓電式；磁電式

0引言

作為改變世界的十大技術(shù)和21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在深刻地改變著人們的生產(chǎn)和生活，其研究受到廣泛關(guān)注[1]。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要得以廣泛應(yīng)用，存在著一系列技術(shù)難題，其中如何為網(wǎng)絡(luò)中大量分散的傳感器節(jié)點(diǎn)供電是一個(gè)重點(diǎn)，基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-mlectro-machanical system，MEMS)技術(shù)的微型能量采集器能夠?qū)崿F(xiàn)與微器件的集成和自供能而成為重要的解決方案，其研究受到國(guó)內(nèi)外的極大重視[2]。微型能量采集器目前主要有壓電式、靜電式和電磁式3種[3]，其中，壓電式和壓電與電磁復(fù)合的磁電式能量采集器最具潛力。

1壓電式能量采集器研究進(jìn)展

壓電式能量采集器是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)把機(jī)械能主要是振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，一般多采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)[4]。

壓電式振動(dòng)能量采集器，較早的研究是1969年Wen.H.Ko[5]在專(zhuān)利(US Patent 3,456,134)中提出的一種小型壓電懸臂梁，用于采集人體活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量。2003年，美國(guó)UC Berkeley的Roundy研究團(tuán)隊(duì)在壓電式振動(dòng)能量采集方面做出了較為深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，制作了雙壓電晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電式能量采集器模塊，并對(duì)其輸出性能進(jìn)行了測(cè)試分析，器件如圖1所示。一年之后，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，器件的輸出功率密度最高可增加到375 μW/cm3；整流后的輸出電壓[6-8]可達(dá)到0.7 V。

圖1　Roundy小組研制的雙壓電晶片懸臂梁器件Fig.1　Piezoelectric bimorph cantilevergenerator by Roundy

2007年，美國(guó)US Berkeley[9]的Soundy博士系統(tǒng)地研究并建立了微型壓電能量采集器的理論模型。2011年，劉慧聰、Cho Jui Tay和TakeshiKobayashi等組成的跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)研制了一種適用于低頻振動(dòng)和寬頻帶振動(dòng)的壓電能量采集器，其方案是集成了平行的10個(gè)陶瓷能量采集器，如圖2所示。

圖2　壓電振動(dòng)能量采集器組裝及局部光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.2　Microfabricated piezoelectric cantilever deviceassembled and optical microscope photo

該采集器在1.0 g加速度作用下，頻率為30—47 Hz，負(fù)載為330 kΩ的條件下，輸出功率[10]為32.3—85.5 nW。2013年，新加坡國(guó)立大學(xué)Lokesh Dhakar牽頭的研究小組設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的壓電復(fù)合梁，如圖3所示。整個(gè)懸臂梁由2部分組成：前段壓電陶瓷梁和后段的聚合物梁。未采用復(fù)合梁時(shí)，裝置的諧振頻率為125 Hz，在0.1 g加速度下輸出功率為9.7 μW；而采用復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，諧振頻率降低到36 Hz，輸出功率[11]提高了32%，達(dá)到12.8 μW。同時(shí)，該裝置還可以通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合梁長(zhǎng)度比例來(lái)有效地降低頻率，增加輸出功率，不過(guò)缺點(diǎn)在于尺寸過(guò)大，不利于MEMS集成。

圖3　壓電復(fù)合梁能量采集器Fig.3　Piezoelectric energy harvester with composite beam

2012年，意大利羅馬大學(xué)Konstantin Kholostov領(lǐng)頭的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款螺旋式3D MEMS振動(dòng)能量采集器，如圖4所示。其目標(biāo)是為射頻天線供能，文中研究重點(diǎn)為器件工作頻帶，其工作帶寬[12]可達(dá)到55—85 GHz。但論文未提供其電學(xué)參數(shù)。

圖4　螺旋式3D振動(dòng)能量采集器Fig.4　3D spiral energy harvester

2013年，意大利的布雷西亞大學(xué)的M.Ferrari, F.Cerini,V.Ferrari等人研制了一種寬帶低頻多梁振動(dòng)能量采集器，如圖5所示。通過(guò)調(diào)節(jié)3個(gè)梁(陶瓷梁T、陶瓷梁B和控制梁D)的體積和質(zhì)量塊尺寸，得到不同的諧振頻率。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的2個(gè)陶瓷梁尺寸均為45 mm×19 mm×0.58 mm，4個(gè)控制梁尺寸為20 mm×70 mm×0.2 mm,質(zhì)量MT=4.4 g，MB=1.4 g，MD=7 g。諧振頻率分別為40 Hz，65 Hz和20 Hz[13]。此能量采集器結(jié)構(gòu)能有效地提高帶寬，不過(guò)代價(jià)是器件整體尺寸的變大，不利于集成。

圖5　多梁能量采集器Fig.5　Energy harvester of multi-beam

2013年，日本神戶(hù)大學(xué)的Yuichi Tsujiura等人設(shè)計(jì)制作了一款壓電單晶懸臂梁能量采集器，如圖6所示。在5 m/s2加速度下，器件的諧振頻率為75 Hz，匹配20 kΩ的負(fù)載，最大輸出功率[14]為1.1 μW。

圖6　基于陶瓷薄膜的能量采集器Fig.6　Piezoelectric EH based on PZT thin-film

2014年，印度維迪莎Samrat Ashok技術(shù)研究所Dhananjay Kumar等學(xué)者設(shè)計(jì)并制造了一種壓電薄膜，針對(duì)能量采集器的電能儲(chǔ)存設(shè)計(jì)了一套電路系統(tǒng)，并對(duì)電能的輸出進(jìn)行了研究分析。實(shí)驗(yàn)證明，利用設(shè)計(jì)的電路，在整流階段有效地減少了電壓突降[15]，提高了電能儲(chǔ)存的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也致力于壓電能量采集器的研究。2011年，華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種壓電雙晶片能量采集器，其結(jié)構(gòu)為電性能隔層相連的新型疊層結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

器件在不增大壓電振子有效面積的情況下，實(shí)現(xiàn)多片壓電片的并聯(lián)，提高其輸出電流。在串、并聯(lián)最佳匹配電阻分別為10 kΩ和2.6 kΩ時(shí)，最大輸出功率達(dá)到0.8 mW；對(duì)于陣列結(jié)構(gòu)能量收集器，在串、并聯(lián)最佳匹配電阻分別為3.6 kΩ和1 kΩ時(shí)，最大輸出功率[16]達(dá)到0.29 mW。

2012年，南京航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的侯志偉教授研究了一款V型壓電能量采集器，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在諧振頻率為159 Hz施加0.3 N激勵(lì)力負(fù)載為0.84 MΩ時(shí)，輸出功率達(dá)到22 μW[17]。

圖7　單層及疊層結(jié)構(gòu)能量收集器Fig.7　Single layer and multilayer of energy harvester

2014年，中北大學(xué)丑修建領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款硅基壓電功能材料的四懸臂梁—中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)MEMS振動(dòng)式微型能量采集器，在加速度為10 g時(shí)，壓電單元單位面積輸出電壓[18]達(dá)到1.19 mV/mm2；華北電力大學(xué)何青教授團(tuán)隊(duì)研制的雙質(zhì)量塊懸臂梁振動(dòng)能量采集器，通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量塊之間的距離和方位，有效地降低能量采集器的固有頻率[19]。

上海交通大學(xué)劉景全研究員帶隊(duì)研制了基于壓電厚膜的MEMS振動(dòng)能量采集器，建立了硅矩形及銅梯形的理論模型，并對(duì)MEMS加工工藝和壓電厚膜制備進(jìn)行了研究，制作出實(shí)物如圖8所示。實(shí)驗(yàn)證明，器件分別在0.25，0.5，0.75，1.0，1.25和1.5 g不同大小的加速度條件下，所對(duì)應(yīng)的頻率分別為523.1，520.1，516.9，514.1，512.8和510.3 Hz，這種現(xiàn)象可能是由于隨著振動(dòng)加速度的增加，對(duì)應(yīng)的空氣阻尼以及器件自身的結(jié)構(gòu)阻尼也在增加，這增大的阻尼將減弱器件的振動(dòng)特性，進(jìn)而影響其輸出電信號(hào)。器件在1 g振源加速度，最優(yōu)負(fù)載70 kΩ條件下，輸出的功率達(dá)到11.56 μW，電流為12.06 μA，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電壓[20]為2.72 VP-P，該電壓大于整流電路中的二極管工作所需的最小電壓，完全可應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)外界電路。但是，器件的輸出功率與低功耗微器件的供電要求之間還有一段距離，器件的諧振頻率也比較高，無(wú)法在更低的環(huán)境里面獲取能量，器件的集成和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究。

2014年，北京大學(xué)微電子研究院及三星先進(jìn)技術(shù)研究院設(shè)計(jì)并制造了一種基于螺旋形PVDF懸臂梁壓電能量采集器，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，在0.2 g加速度下，器件的諧振頻率為20 Hz，輸出電壓峰值達(dá)到1.8 V，輸出功率[21]為0.81 μW/cm3。器件模型如圖9所示。

圖8　基于PZT材料的硅矩形結(jié)構(gòu)器件樣機(jī)Fig.8　Silicon rectangular structure device prototypebased on PZT materials

圖9　螺旋式PVDF懸臂梁壓電能量采集器Fig.9　PEH with spiral-shaped PVDF cantilever

2014年，安徽精密機(jī)械與精密儀器科技大學(xué)的王海團(tuán)隊(duì)利用質(zhì)量塊個(gè)數(shù)與安放位置不同，設(shè)計(jì)并制造了一種寬頻帶壓電能量采集器，此器件的諧振頻率隨著質(zhì)量塊的個(gè)數(shù)發(fā)生變化，質(zhì)量塊越多，諧振頻率越低，輸出電壓越高[22]。不過(guò)此器件的整體尺寸太大，不利用集成，而增加質(zhì)量塊的同時(shí)會(huì)增加器件應(yīng)變，器件穩(wěn)定性還需要深入研究。

2014年，重慶制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的喻其炳與韓國(guó)高麗大學(xué)的李川組成的跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)，在傳統(tǒng)的懸臂梁壓電能量采集器的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)具有較大末端質(zhì)量的附加梁，提出了一種多頻響應(yīng)的壓電能量采集器，如圖10所示。

圖10　懸臂梁附加梁壓電能量采集器及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.10　PEH with additional beam and experience prototype

器件將壓電梁的一階固有頻率設(shè)計(jì)在附加梁的前兩階固有頻率之間，該能量采集器可以獲得多頻振動(dòng)響應(yīng)。器件三階共振峰從9.92 Hz一直延伸到132.70 Hz，而傳統(tǒng)的能量采集器只是在39.62 Hz附近[23]。該器件的缺點(diǎn)有諧振頻率不夠穩(wěn)定、尺寸比較大、穩(wěn)定性差而無(wú)法集成。

2014年，揚(yáng)州大學(xué)的龔俊杰等人設(shè)計(jì)了一種新型的蝴蝶式多層壓電懸臂梁，制作了多層壓電發(fā)電裝置，并將發(fā)電裝置中的6層壓電片串聯(lián)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，裝置的發(fā)電電壓基本不變，而發(fā)電功率可達(dá)單層的6倍[24]，不過(guò)器件較大，在穩(wěn)定性和實(shí)用性方面有待進(jìn)一步研究。

綜上，壓電能量采集器結(jié)構(gòu)與性能的對(duì)比如表1所列。

表1　壓電能量采集器結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比表

通過(guò)上述研究與分析，我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)外關(guān)于微型壓電能量采集器的研究主要集中在壓電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、新型壓電材料的制備應(yīng)用、相應(yīng)的電源管理與匹配電路的設(shè)計(jì)等方面。在結(jié)構(gòu)中，除了常用的懸臂梁結(jié)構(gòu)外，新型的螺旋形結(jié)構(gòu)、復(fù)合梁結(jié)構(gòu)以及小型化的設(shè)計(jì)也是研究的熱點(diǎn)；而新型壓電材料的使用常與外圍的電路設(shè)計(jì)聯(lián)合進(jìn)行研究，以高效地實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和電能的穩(wěn)定儲(chǔ)存。

2磁電復(fù)合式能量采集器研究進(jìn)展

磁電式能量采集器是把壓電式和電磁式復(fù)合使用的一種能量采集器。通過(guò)器件振動(dòng)，利用壓電式的壓電效應(yīng)再結(jié)合電磁式法拉第電磁感應(yīng)定律，使振動(dòng)能更有效地轉(zhuǎn)化為電能輸出。

2009年，美國(guó)Stevens Institute of Technology大學(xué)的V.R.Challa等人利用壓電電磁集成發(fā)電原理模型，如圖11所示，推導(dǎo)了壓電電磁復(fù)合發(fā)電微能量采集器輸出功率，并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)得整體輸出能量為340 μW，而壓電和電磁單獨(dú)發(fā)電輸出能量[25]分別為300 μW和120 μW。該結(jié)果說(shuō)明耦合裝置的總輸出功率并不是單個(gè)系統(tǒng)輸出功率的簡(jiǎn)單疊加。

圖11　壓電電磁發(fā)電原理圖Fig.11　Principle schematic of the piezoelectric electromagnetic

2013年，馬來(lái)西亞Mohd Fauzi.Ab Rahman等人研制了一種新型的兩極式磁電復(fù)合式懸臂梁能量采集器，如圖12所示。此兩極式磁電復(fù)合能量采集器在負(fù)載為40 Ω時(shí)，輸出功率為2.3 mW，相對(duì)于單個(gè)能量收集器的輸出功率0.5 mW高出4倍有余，而在負(fù)載為50 Ω時(shí)，復(fù)合式功率為3.5 mW，單個(gè)采集器為1 mW，高出3.5倍[26]。

圖12　磁鐵兩極式能量采集器測(cè)試圖及橫截面視圖Fig.12　Testing two poles magnets type harvesterand cross section view

2014年，德國(guó)學(xué)者Thomas Keutel和突尼斯學(xué)者Slim Naifar組成的跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的磁電復(fù)合式能量采集器，如圖13所示。

圖13　磁電能量采集器示意圖Fig.13　Schematic of the magnetoelectric harvester

器件采用的是橫縱雙向電磁式復(fù)合采集結(jié)構(gòu)，諧振頻率為29 Hz，振幅為1 mm，輸出功率為30 μW[27]。

國(guó)內(nèi)對(duì)磁電能量采集器也展開(kāi)了深入研究。2009年重慶大學(xué)文玉梅教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型懸臂梁能量采集器，材料為T(mén)erfenol-D/PZT/Terfenol-D。對(duì)所制備樣品的磁電電壓系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，頻率為10—100 Hz換能器的平均磁電電壓系數(shù)約為64.2 mV/Oe。同時(shí)對(duì)采集器共振頻率激勵(lì)下的輸出電壓、振動(dòng)加速度與輸出電壓關(guān)系以及系統(tǒng)響應(yīng)頻帶等特性進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，在振動(dòng)頻率為33 Hz，振動(dòng)加速度為0.5 g的條件下，輸出電壓峰值為45.1 V，輸出功率為112.1 μW，系統(tǒng)輸出功率密度[28]為0.56 mW/cm3。由于懸臂梁的非線性振動(dòng)和磁性材料的磁滯性，使得輸出電壓峰峰值與振動(dòng)激勵(lì)間存在滯回現(xiàn)象，還有待進(jìn)一步研究。2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽(yáng)中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)螘员牒蛣㈤L(zhǎng)師帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型的磁電懸臂梁能量采集器，器件的頻帶寬度為6—20 Hz，輸出功率在帶寬內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)峰值：11.6 mW與21.6 mW，相對(duì)于同樣尺寸的單個(gè)壓電能量采集器的輸出功率17.8 mW與單個(gè)電磁能量采集器的輸出功率11.4 mW有一定提高[29]。器件如圖14所示。

圖14　磁電復(fù)合能量采集器Fig.14　Schematic of a hybrid energy harvester

2014年，重慶大學(xué)設(shè)計(jì)了一種采集雙向式電流線的磁電能量采集器，在懸臂梁末端安置了6塊不同極向的釹鐵硼磁鐵，如圖15所示。

圖15　雙向式電流線磁電能量采集器Fig.15　Magnetelectric harvester of two-wire power cords

此器件的工作頻率在50 Hz(或者60 Hz)，最優(yōu)匹配負(fù)載為991 kΩ下，輸出功率為671.2 μW，輸出電流為6 A[30]。

2015年，清華大學(xué)的李欣欣與唐翹楚研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的低頻寬帶磁電懸臂梁能量采集器，如圖16所示。

圖16　低頻寬帶磁電能量采集器Fig.16　Two-stage wideband magnetelectric energy harvester

此器件的工作頻率為10—30 Hz，在1 g的初始激勵(lì)下，諧振頻率為20 Hz，峰值輸出功率達(dá)到了24.56 μW，平均輸出功率為3.6 μW。此能量采集器已在行駛的車(chē)輛上安裝測(cè)試，輸出功率[31]最高可達(dá)到6.89 μW。

2015年，中北大學(xué)楊杰帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)2013年研究的四懸臂梁—中心質(zhì)量塊壓電能量采集器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制作了一種四懸梁臂—中心質(zhì)量塊的磁電能量采集器，如圖17所示。

圖17　四懸臂梁—中心質(zhì)量塊磁電能采集器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17　Schematic diagram of the magnetelectricenergy harvesting

器件利用溶膠—凝膠工藝完成鋯鈦酸鉛壓電功能薄膜制備，采用MEMS加工技術(shù)完成器件制作，并結(jié)合集成封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)與永磁鐵的微組裝。該器件在10 g激勵(lì)下，諧振頻率為247 Hz，串聯(lián)最大輸出電壓為244.80 mV，壓電單元單位有效體積輸出電壓為2.066×107mV/cm3；磁電部分最大輸出電壓為15.00 mV，電感線圈單位體積有效輸出電壓[32]為5.002×106mV/cm3。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外磁電能量采集器相關(guān)研究可知，時(shí)至今日，針對(duì)電磁式和壓電式微型能量采集器的研究，已經(jīng)建立了較為完善的理論模型，但對(duì)磁電式結(jié)構(gòu)能量采集器的理論研究還處于剛剛開(kāi)始的階段，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也處在探索階段，電路控制系統(tǒng)還不完善。要設(shè)計(jì)并制造一個(gè)能夠?yàn)镸EMS器件提供持續(xù)穩(wěn)定供電的磁電能量器，還需要做大量的研究。

磁電能量采集器結(jié)構(gòu)與性能情況如表2所示。

表2　磁電能量采集器結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比表

3發(fā)展趨勢(shì)與結(jié)論

壓電能量采集器的研究包括理論模型的建立，器件材料的性能比較,結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和如何微型化集成等等。而隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和微電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，壓電能量采集器無(wú)疑會(huì)成為傳統(tǒng)電池最具競(jìng)爭(zhēng)力的代替品之一。不過(guò)研究至此，還未出現(xiàn)一個(gè)成功的產(chǎn)品，真正代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池為微電系統(tǒng)供電。主要原因有以下幾個(gè)方面：①目前，大部分研究人員研究?jī)?nèi)容針對(duì)的是壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電路優(yōu)化來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率，而對(duì)壓電材料的研究相對(duì)較少，而壓電材料是影響壓電能量采集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)也是影響壓電能量采集器微集成加工工藝的重要因素，因此，對(duì)于壓電材料的研究將會(huì)成為未來(lái)壓電能量采集器的研究重點(diǎn)之一；②工藝研究，包括如何制備壓電膜，如何使壓電膜與結(jié)構(gòu)更好的粘合以及如何集成與封裝制備好的壓電能量采集器。目前，制備壓電膜的方法有濺射、固膠凝膠以及正在開(kāi)展研究的鍵合技術(shù)[33]，但工藝技術(shù)水平還不夠完善，工藝研究必然會(huì)成為以后的研究重點(diǎn)之一；③壓電能量采集器一直處于基于單頻諧振的研究階段，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共振頻率來(lái)獲得最大輸出能量，但頻率的調(diào)節(jié)非常困難，特別是在多變的自然環(huán)境中，因此，對(duì)于壓電能量采集器的多頻諧振研究必然會(huì)成為壓電能量采集器未來(lái)發(fā)展的必要研究；④壓電能量采集器的壽命研究，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有特別完善的壓電能量采集器，所以針對(duì)器件的壽命研究甚是缺乏，隨著研究的不斷深入，對(duì)于能量采集器的壽命研究必然會(huì)成為研究重點(diǎn)。

磁電式能量采集器，綜合了壓電發(fā)電和電磁發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓高、電流大、能量密度大和轉(zhuǎn)換效率高；采用環(huán)境中普遍存在的振動(dòng)能驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了微器件自供能，工作壽命長(zhǎng)、適應(yīng)廣。但起步要晚于壓電能量采集器，其系統(tǒng)模型的建立還待進(jìn)一步完善。主要研究趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：①壓電采集與電磁采集如何更有效的結(jié)合，使輸出能量更大，其中，理論模型的建立分析與器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是磁電能量采集器的研究重點(diǎn)；②磁電式能量采集器如何微集成化，其中，材料的研究和工藝的研究同樣是磁電能量采集器未來(lái)的研究重點(diǎn)；③對(duì)于磁電能量采集器電路儲(chǔ)存模塊的研究，因磁電能量采集器起步較晚，國(guó)內(nèi)外研究人員的工作重心還停留在能量獲取部分，對(duì)于能量?jī)?chǔ)存部分研究相對(duì)較少，因此，未來(lái)對(duì)于磁電能量采集器的電路儲(chǔ)存部分的研究將會(huì)成為磁電能量采集器的研究重點(diǎn)。

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Research progress of micro-piezoelectric and micro-electromagnetic energy harvesters

LUO Yuan,WAN Shalang

(College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

Abstract:Micro energy harvesters have received much attention domestic and overseas attention according to their potential of replacing the traditional battery for wireless sensor networks which is the key technology in twenty-first century affecting people’s lives. Firstly we emphatically introduce the research of micro-piezoelectric and micro-electromagnetic energy harvesters, then the structural design and the characteristics of them including natural frequency, output voltage and output power are discussed to analyze the advantages and disadvantages of their energy-harvesting module and energy-storage module. Finally the challenges and trends are summarized in the end.

Keywords：wireless sensor network; micro energy harvesters; piezoelectric; electromagnetic

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.01.001

收稿日期：2015-04-17

修訂日期：2015-12-05通訊作者：萬(wàn)沙浪517253077@qq.com

基金項(xiàng)目：重慶市科委項(xiàng)目(cstc2012jcsf-jfzhX0028)

Foundation Item：The Science and Technology Committee Project of Chongqing(cstc2012jcsf-jfzhX0028)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN384;TM919

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)01-0001-08

作者簡(jiǎn)介：

羅元(1972-)，女，湖北人，教授，博士。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理,數(shù)字圖像處理。E-mail:luoyuan@cqupt.edu.cn。

萬(wàn)沙浪(1990-)，男，重慶人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)镸EMS能量采集器設(shè)計(jì)與研究。E-mail:517253077@qq.com。

(編輯：劉勇)