壓電式能量收集器發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)品研究

李　旭

（中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司，北京102209）

0　引言

過(guò)去幾十年，便攜式電子設(shè)備和無(wú)線傳感網(wǎng)（WSN）得到了快速發(fā)展，其在人體健康檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)控制、軍事安全、動(dòng)物追蹤、智能樓宇、智能家居等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。一直以來(lái)，這些器件依靠傳統(tǒng)的化學(xué)電池提供能量，然而化學(xué)電池相對(duì)于微電子器件體積較大，需要長(zhǎng)時(shí)間提供能量的無(wú)線傳感器需要定期更換電池。這不僅給無(wú)線傳感器帶來(lái)很多不便和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)而且還造成環(huán)境的污染。有些場(chǎng)合，比如嵌入在動(dòng)物和人體內(nèi)的電子設(shè)備更換電池相當(dāng)困難[2]?；瘜W(xué)電池固有的缺點(diǎn)限制了便攜式電子設(shè)備和無(wú)線傳感網(wǎng)的應(yīng)用，成為其發(fā)展的瓶頸之一。為了解決這一問(wèn)題，除了研發(fā)高性能的電化學(xué)電池外，越來(lái)越多的學(xué)者將目光投向從環(huán)境中收集能量為微電子器件供電，以取代傳統(tǒng)電池[3-7]。能量收集器作為能量收集的器件可以從環(huán)境中收集不同類(lèi)型的能量，如靜電、太陽(yáng)能、射頻輻射、機(jī)械振動(dòng)等。機(jī)械振動(dòng)在自然界無(wú)處不在，具有較高的能量密度，使得基于機(jī)械振動(dòng)的能量收集器具有可以長(zhǎng)期供電、不易受天氣和應(yīng)用場(chǎng)合限制等優(yōu)點(diǎn)，從而越來(lái)越成為一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域[8-9]。機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的方式有三種：電磁式、靜電式和壓電式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。壓電式能量收集器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高能量密度[1 0]、壽命長(zhǎng)、可以與MEMS兼容等優(yōu)點(diǎn)，最近幾十年得到快速發(fā)展，成為最具潛力的能量收集器件之一。伴隨著智能化設(shè)備的普及、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及便攜式電子設(shè)備的推廣，能量收集器件和系統(tǒng)的需求進(jìn)一步增加，國(guó)際上相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和公司紛紛投入巨資進(jìn)行能量收集器的研究與開(kāi)發(fā)，從材料、結(jié)構(gòu)、采集電路等影響壓電能量收集器的性能關(guān)鍵因素突破，來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。本文主要對(duì)比歸納了壓電式能量收集器的應(yīng)用領(lǐng)域、研發(fā)機(jī)構(gòu)和上市產(chǎn)品。然后對(duì)壓電式能量收集器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深刻的探討。

1　壓電式能量收集器關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1　工業(yè)應(yīng)用

智能道路中大量的傳感器件以及交通工程中各種信息板、信號(hào)燈、反光路鈕等都需要能量供應(yīng)，因此鋪面技術(shù)的發(fā)展對(duì)道路能量收集技術(shù)也有廣闊的需求[11]。

2008年以色列的Innowattech公司與海法理工學(xué)院共同研發(fā)了應(yīng)用于道路工程的壓電能量收集系統(tǒng)Innowattech Piezo Electric Generator（IPEG）。采用該能量收集系統(tǒng)，交通量為600的一條雙車(chē)道道路上能產(chǎn)生0.4以上的電量，可支持400~600戶家庭的日常用電。

Innowattech[12]采用的壓電裝置包括嵌入在粘合劑多個(gè)PZT材質(zhì)壓電桿，將這些壓電裝置進(jìn)行陣列，嵌入在道路中可以收集人行道、公路、鐵軌、飛機(jī)跑道振動(dòng)所產(chǎn)生的能量，并將這些能量應(yīng)用于為各種信息板、信號(hào)燈、反光路紐、路燈、電動(dòng)車(chē)充電站等多個(gè)裝置的供電。此外，還可以將壓電裝置嵌入在工廠設(shè)備的基座下，用以收集設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)產(chǎn)生的能量，并將能量應(yīng)用于其他設(shè)備的供電。如圖1所示。

圖1　Innowattech公司能量收集系統(tǒng)

1.2　物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域

如今人類(lèi)正跨入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能化的設(shè)備裝置都將實(shí)現(xiàn)互通，其中無(wú)線傳感器組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，而它的發(fā)展卻受到電源供電的很大限制，為實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)線組網(wǎng)，應(yīng)該為其配備自供電模塊，壓電能量采集器便能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

MicroGen Systems公司（下稱(chēng)“MicroGen”）去年于美國(guó)伊利諾伊州羅斯蒙特舉辦的“Sensors Expo and Conference”展覽會(huì)（會(huì)期為2013年6月5日至6日）上宣布：振動(dòng)能量收集器 BOLT Power Cell實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），其采用凌力爾特（Linear Technology）公司的Dust Networks LTC5800-IPM SmartMeshTMIP片內(nèi)微塵。凌力爾特微塵由MicroGen的壓電式微機(jī)電系統(tǒng)（壓電式 MEMS）振動(dòng)能量收集器或微功率發(fā)電機(jī)（MPG）技術(shù)進(jìn)行供電。

1.3　日常便攜式電子設(shè)備

隨著現(xiàn)在電子設(shè)備功耗越來(lái)越低，能量收集器所輸出的功率可以滿足電子設(shè)備的功率要求，進(jìn)而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電池能源?？蓴y帶電子器件在過(guò)去幾十年得到了快速的發(fā)展，在人類(lèi)各個(gè)生活領(lǐng)域得以應(yīng)用。早在1998年，MIT就利用PVDF制作了壓電發(fā)電鞋，它們采用的是一種PZT壓電材料，由于這種材料為脆性材質(zhì)，不能彎曲，因而研究者將PZT壓電器件安置在一個(gè)附屬裝置里，并間接地將人行走時(shí)的能量轉(zhuǎn)換為電能[13]。如圖2所示。

圖2　MIT研發(fā)的壓電發(fā)電鞋

Granstrom等利用PVDF作為背包的肩部背帶，當(dāng)人行走時(shí)，肩部產(chǎn)生的力傳給背帶，背帶就會(huì)把這種力轉(zhuǎn)換為電能。該能量收集裝置的壓電器件采用的材質(zhì)為2024-T351 Aircraft grade aluminum，結(jié)構(gòu)采用柔性結(jié)構(gòu)，輸出平均功率為0.176 mW.見(jiàn)圖3.

圖3　壓電發(fā)電背包

Paradiso和Feldmeier等[14]人在2001年發(fā)明了一種按鈕發(fā)電機(jī)，將手按壓時(shí)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換為電能。MIDE公司將壓電能收集器應(yīng)用于日常無(wú)線鼠標(biāo)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池為無(wú)線鼠標(biāo)進(jìn)行充電，其原理為通過(guò)壓電材料，將人在滾動(dòng)鼠標(biāo)中間滾輪時(shí)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)收集起來(lái)轉(zhuǎn)換為電能，并反過(guò)來(lái)為鼠標(biāo)進(jìn)行充電。

丹麥Danfoss PolyPower[1]公司開(kāi)發(fā)出一款名為“stretch sensor”的運(yùn)動(dòng)腕帶，能夠在使用者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或從事體育活動(dòng)時(shí)采集能量，所采集的能量可為腕帶中的感測(cè)器供電，為用戶提供有關(guān)其運(yùn)動(dòng)的訊息至無(wú)線裝置上。該公司表示，這款穿載式的腕帶有助于用戶改善在運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)，讓他們?cè)谂懿綍r(shí)知道自己的步伐，或協(xié)助用戶在打高爾夫球時(shí)確認(rèn)揮桿的手肘角度是否正確。此外，這款具彈性的感測(cè)器還能用于其它應(yīng)用中，例如測(cè)試混凝土鋼架的結(jié)構(gòu)是否正常或測(cè)試地下儲(chǔ)存室的壓力以采集風(fēng)能。Danfoss還表示，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)將用于從海洋波浪中采集能量，該公司目前正致力于開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的材料。

紐約新創(chuàng)公司Uncharted Play[2]開(kāi)發(fā)出一款稱(chēng)為SOCCKET的足球原型，可在足球被踢出或拋開(kāi)時(shí)擷取所產(chǎn)生的動(dòng)能，并將能量?jī)?chǔ)存在足球內(nèi)建的電池中備用。該設(shè)計(jì)可用于發(fā)展中國(guó)家一些常常缺乏足夠照明電力的地區(qū)。SOCCKET采用柔軟的塑料制成，觸感就和足球一樣，足球內(nèi)部還建置了一款可隨足球動(dòng)作搖擺的能量采集器。透過(guò)內(nèi)部電路板將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能后，再儲(chǔ)存于電池中，即可用于小型電子產(chǎn)品中。踢拋SOCCKET足球半小時(shí)的時(shí)間大約可維持至少三小時(shí)的燈光照明。

1.4　生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

人體植入式電子設(shè)備供電，如人造耳蝸麥克風(fēng)、植入式助聽(tīng)器，埋藏式心臟起搏器（ICD）、心臟除顫器（AICD）、心臟再同步化治療設(shè)備（CRT）。人體植入式電子設(shè)備目前大部分采用電池進(jìn)行供電，但有些裝置體積小不能容下電池，如人工耳蝸，而且電池的使用壽命嚴(yán)重影響電子設(shè)備的使用。

通過(guò)基于心臟跳動(dòng)壓電能量收集器，可以將心臟的跳動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，為埋藏式起搏器、AICD、CRT供電，無(wú)需電池和其他附屬機(jī)械設(shè)備、導(dǎo)線等等，可以作為病人的終身攜帶設(shè)備。早在1969年，美國(guó)就有一項(xiàng)專(zhuān)利提出利用一種小型壓電懸臂梁收集人體心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量。美國(guó)專(zhuān)利US20130226260中提出了一種利用心臟振動(dòng)能量的能量收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)類(lèi)似于一個(gè)能量存儲(chǔ)“衛(wèi)星”，由嵌入式電路、控制器、電容、多個(gè)彈性壓電陶瓷片（“小葉”）構(gòu)成，壓電陶瓷采用懸臂梁結(jié)構(gòu)[15]。

除此之外，密歇根大學(xué)、UC Berkeley（加州大學(xué)伯克利分校，MEMS研究室、Southampton（南安頓大學(xué)），國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、臺(tái)灣積體電路制造有限公司也在能量收集方面也做了很多工作。值得一提的是北京大學(xué)已經(jīng)制備出微型復(fù)合式低頻寬頻帶能量收集器，但是目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)的研究水平不論是從材料還是結(jié)構(gòu)、工藝等方面都與國(guó)外有著很大的差距。造成這種情況的原因是多方面的，筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，積累較少，加之國(guó)內(nèi)科研經(jīng)費(fèi)投入相對(duì)較少造成實(shí)驗(yàn)條件有限也是造成這種狀況的原因之一。雖然最近幾年，國(guó)內(nèi)許多高校和科研單位開(kāi)始投入大量人力物力搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，許多科研人員投入大量精力在MEMS領(lǐng)域，微機(jī)械加工有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但依然任重道遠(yuǎn)。單單就能量收集器而言，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家單位制成產(chǎn)品投入市場(chǎng)，依然需要不懈的追趕。

表1對(duì)以上所述壓電能量收集器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，世界各大科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)及其相關(guān)成果與產(chǎn)品進(jìn)行總結(jié)與對(duì)比，以供讀者參考。

表1　壓電能量收集器的應(yīng)用

2　壓電式能量收集器發(fā)展趨勢(shì)

（1）理論方面。目前，壓電能量收集器建模主要基于線性模型，非線性振動(dòng)模型還停留在概念上?；诜蔷€性振動(dòng)理論建立收集器精確的數(shù)學(xué)模型以滿足實(shí)際需求是大勢(shì)所趨，這一方面需深入研究。另外，對(duì)一些材料如弛豫型鐵電單晶等的壓電機(jī)理需要深入研究，建立壓電材料精確的等效電路模型是提高收集效率的關(guān)鍵。

（2）器件設(shè)計(jì)方面。壓電材料是壓電能量收集器的核心，不管是現(xiàn)在還是將來(lái)壓電材料的研究必是一個(gè)熱點(diǎn)。一方面研究人員將探索新的高新能材料；另一方面也將著力研究現(xiàn)有材料的壓電性能。器件結(jié)構(gòu)和收集電路也對(duì)壓電能量收集器的性能有重要影響。為了適應(yīng)各種振動(dòng)環(huán)境、提高收集器的轉(zhuǎn)換率，寬頻帶、多方向、頻率可調(diào)式的器件結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定可靠、耗能小、效率高、適用性強(qiáng)的收集電路將備受科研工作者關(guān)注。

（3）應(yīng)用領(lǐng)域方面。目前能量收集器比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域是便攜式電子設(shè)備，其他領(lǐng)域則涉及較少。然而，其他領(lǐng)域如：航空、航天、生物植入器件等急需高性能的能量收集器件。研究應(yīng)用于高溫、高壓、強(qiáng)輻射等極端條件的能量收集器已經(jīng)受到各國(guó)的重視；研發(fā)生物相容性好的植入在人體內(nèi)的能量收集器也將備受關(guān)注。