振動能量收集技術的近況與展望

孟祥凱　侯玉亮

摘要：隨著人們對環(huán)境和能源越來越關注，振動能量收集技術已成為能量收集技術中的一大研究熱點，振動能量收集技術在微機電系統(tǒng)中主要起供電的作用，該技術主要通過電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換等將振動能轉(zhuǎn)化為電能。簡要介紹了振動能量收集技術的原理以及三種能量收集裝置的結(jié)構(gòu)形式，分析了以上三種能量轉(zhuǎn)化方式的優(yōu)點和缺點，并著重描述了國內(nèi)外研究人員的創(chuàng)新設計與研究成果，由此展望了振動能量收集技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：振動能量收集;電磁轉(zhuǎn)換;靜電轉(zhuǎn)換;壓電轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TM619

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.036

1 引言

近幾年來，隨著微機電系統(tǒng)（ MicroelectromechanicalSystems，MEMS）的快速發(fā)展，人們對MEMS元件的尺寸要求也越來越高，即要求元件尺寸的微小化與高精度化。由于MEMS在各個領域的應用更加廣泛，也將面臨越來越復雜的環(huán)境，所以對MEMS元件的性能要求也將更高，其中最重要的一點是元件的可持續(xù)性。因此，與MEMS元件的可持續(xù)性密切相關的能量收集技術受到廣大研究人員的關注。振動能是一種低頻率且功率穩(wěn)定的振動能量，它廣泛地分布于生活中的方方面面。在微納米技術、機械與材料工程方面的快速創(chuàng)新與發(fā)展使得振動能量收集成為可能，因此，振動能量采集技術將有廣闊的應用領域。目前，國內(nèi)外學者提出的振動能量收集技術主要包括電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換三種能量收集技術[1-2]。本文將介紹以上三種技術的創(chuàng)新方法、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 電磁轉(zhuǎn)換能量收集技術

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理設計的振動能量收集裝置是基于法拉第電磁感應定律將生活中的大量振動能轉(zhuǎn)化為可利用的電能，該裝置的結(jié)構(gòu)為閉合線圈和永磁體。法拉第電磁感應定律表明，只要通過閉合線圈的磁通量產(chǎn)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生電流，從而對外部系統(tǒng)輸出電能，這種現(xiàn)象稱為電磁感應現(xiàn)象。根據(jù)法拉第電磁感應定律，外界的振動使閉合線圈或永磁體二者發(fā)生相對運動，引起通過線圈的磁通量發(fā)生改變，導致感應電流的產(chǎn)生，使電能向外部系統(tǒng)輸出。

由于外界的振動引起電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置不同部件的振動，因此，可以將電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置的結(jié)構(gòu)分為三類，分別為動鐵型結(jié)構(gòu)（永磁體發(fā)生振動）、動圈型結(jié)構(gòu)（閉合線圈發(fā)生振動）、鐵圈同振型結(jié)構(gòu)（永磁體和閉合線圈一起振動）。動鐵型結(jié)構(gòu)即為閉合線圈不動，永磁體相對于閉合線圈振動，通過閉合線圈的磁通量產(chǎn)生變化，從而使閉合線圈中產(chǎn)生感應電動勢，將振動能轉(zhuǎn)化為電能輸出;動圈型結(jié)構(gòu)是永磁體不動，閉合線圈相對于永磁體發(fā)生振動，通過閉合線圈的磁通量產(chǎn)生變化，從而使閉合線圈中產(chǎn)生感應電動勢，將振動能轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了更進一步提高電能的輸出，改善上述兩種結(jié)構(gòu)，即出現(xiàn)了鐵圈同振型結(jié)構(gòu)，鐵圈同振型結(jié)構(gòu)是在外部環(huán)境給系統(tǒng)輸入振動時，永磁體和閉合線圈都發(fā)生振動，但二者之間有相對運動，從而在閉合線圈中產(chǎn)生感應電動勢，將振動能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

電磁轉(zhuǎn)換振動能量收集技術不需要額外的驅(qū)動電源與功能材料，且輸出電流大。但是有輸出電壓較低、磁體與線圈尺寸較大等缺點。電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置的各種結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分完善，國內(nèi)外很多學者也對電磁轉(zhuǎn)換裝置進行了相當深入的研究，比如英國南安普頓大學HAMI[3]的團隊、美國麻省理工學院AMIRTHARAJAHl4]的團隊、中國上海交通大學的王佩紅[5]博士等開發(fā)的不同結(jié)構(gòu)的電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置，這其中對懸臂梁形式結(jié)構(gòu)進行的探索最多，因為其結(jié)構(gòu)簡單，易于與MEMS兼容。

2.2 靜電轉(zhuǎn)換能量收集技術

靜電轉(zhuǎn)換振動能量收集技術的基本原理是靜電效應，其主要結(jié)構(gòu)為平行板電容器，通過改變電容來產(chǎn)生電能。在振動能量收集器開始對外傳輸電能之前，需要對電容器施加初始電壓，在電容器之間產(chǎn)生電勢差，進而感知振動激勵引起極板間距或相對位置的變化，當外界的振動發(fā)生變化時，會產(chǎn)生電流的流動，將振動能轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化。

國外的研究者對靜電轉(zhuǎn)換能量收集技術研究較多，比如伯克利大學的ROUND[6]等人針對電容器兩極板相對位置和間距的不同設計了兩種不同結(jié)構(gòu)的靜電轉(zhuǎn)換能量收集裝置，即變間距式結(jié)構(gòu)和變面積式結(jié)構(gòu)。

基于靜電轉(zhuǎn)換的振動能量收集方式不需要功能材料，輸出電壓較高，易與MEMS技術集成，且不需考慮諧振效應，因此具有較寬頻帶的能量收集范圍。但是，該技術需要外部電壓源，且產(chǎn)生的電流低、電容氣隙小，因此，其實現(xiàn)較困難、能量收集裝置的加工工藝比較復雜、效率較低，這些缺點限制了靜電轉(zhuǎn)換能量收集裝置的應用范圍。

2.3 壓電式能量收集技術

壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術的基本原理是壓電效應，是壓電材料發(fā)生正壓電效應，將外界的振動能轉(zhuǎn)化為可利用的電能的過程。壓電陶瓷在某個方向上受到外部作用力而發(fā)生變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并且在它的兩個相對表面上出現(xiàn)電荷量相等但正負相反的電荷，當作用力的方向發(fā)生變化時，電荷的極性也發(fā)生變化;當外力撤除后，它又會恢復到原來不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術就是由正壓電效應將振動能變化成電能。

國內(nèi)外科研學者也對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置作了深入的研究，其中包括對壓電材料的研究和對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置結(jié)構(gòu)的研究分析。上海交通大學的董璐[7]團隊、大連理工大學的褚金本[8]墩授的團隊、吉林大學的劉艷濤[9]和國外的SAADON[10]等團隊皆對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置的結(jié)構(gòu)進行了一定程度的分析研究和創(chuàng)新，設計出一系列結(jié)構(gòu)，比如懸臂梁結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、鈸式結(jié)構(gòu)、螺旋梁式結(jié)構(gòu)等，對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置的發(fā)展作出貢獻。在眾多結(jié)構(gòu)中，單懸臂梁結(jié)構(gòu)[11]是研究的最透徹的，在應用方面也取得不錯的發(fā)展。由于壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置不需要驅(qū)動電源，機電轉(zhuǎn)換性能高、輸出電壓高、環(huán)境適應能力好、結(jié)構(gòu)緊湊，并且與MEMS集成度高，所以在國內(nèi)外掀起了對此領域的研究熱潮，但無論結(jié)構(gòu)形式、設計參數(shù)如何變化，其最終目的就是能夠投入到實際應用中。

目前，壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置在濾波器、傳感器、信息技術[11-12]領域得以廣泛應用。但由于該裝置存在充電泄漏、電容性、高輸出阻抗、非線性效應和壓電材料比較脆、容易疲勞等缺點，因此，還需要大量的研究和創(chuàng)新才能讓壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術在MEMS中廣泛使用。

3 研究展望

目前，對電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術做了大量研究，電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和研究還在不斷改進和完善，一些更先進的結(jié)構(gòu)也逐步被研究人員開發(fā)出來，并投入實際工程應用。盡管對各種振動能量收集方式和結(jié)構(gòu)進了大量的分析研究，但還有多項問題有待解決，比如提高收集效率、耦合性能、集成性能，擴大頻率范圍，降低成本等問題，且很多設計僅處于實驗與猜想階段。從振動能量收集技術的研究進展來看，未來的研究工作應注重于新型振動能量收集裝置的微型化和集成化、多功能化、壽命、結(jié)構(gòu)等方面的研究，以期獲得更加有工程應用前景的技術。

參考文獻：

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