羅　元，萬沙浪

(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展

羅元，萬沙浪

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是二十一世紀影響人們生活的關(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)點供電，已成為國內(nèi)外的研究熱點。重點介紹了國內(nèi)外壓電式及磁電式微型能量采集器的研究進展；分析了其結(jié)構(gòu)設(shè)計、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儲存模塊的優(yōu)缺點，對未來研究工作所面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢進行了討論。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(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世紀最具影響的21項技術(shù)之一的無線傳感器網(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)點供電是一個重點，基于微機電系統(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)把機械能主要是振動的能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，一般多采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)[4]。

壓電式振動能量采集器，較早的研究是1969年Wen.H.Ko[5]在專利(US Patent 3,456,134)中提出的一種小型壓電懸臂梁，用于采集人體活動時產(chǎn)生的能量。2003年，美國UC Berkeley的Roundy研究團隊在壓電式振動能量采集方面做出了較為深入的理論和實驗研究，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，并對其輸出性能進行了測試分析，器件如圖1所示。一年之后，通過優(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等組成的跨國研究團隊研制了一種適用于低頻振動和寬頻帶振動的壓電能量采集器，其方案是集成了平行的10個陶瓷能量采集器，如圖2所示。

圖2　壓電振動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，新加坡國立大學(xué)Lokesh Dhakar牽頭的研究小組設(shè)計了一個新型的壓電復(fù)合梁，如圖3所示。整個懸臂梁由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，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%，達到12.8 μW。同時，該裝置還可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合梁長度比例來有效地降低頻率，增加輸出功率，不過缺點在于尺寸過大，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)頭的研究團隊設(shè)計了一款螺旋式3D MEMS振動能量采集器，如圖4所示。其目標是為射頻天線供能，文中研究重點為器件工作頻帶，其工作帶寬[12]可達到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能量采集器，如圖5所示。通過調(diào)節(jié)3個梁(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。研究團隊設(shè)計的2個陶瓷梁尺寸均為45 mm×19 mm×0.58 mm，4個控制梁尺寸為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，不過代價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，日本神戶大學(xué)的Yuichi Tsujiura等人設(shè)計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)計并制造了一種壓電薄膜，針對能量采集器的電能儲存設(shè)計了一套電路系統(tǒng)，并對電能的輸出進行了研究分析。實驗證明，利用設(shè)計的電路，在整流階段有效地減少了電壓突降[15]，提高了電能儲存的穩(wěn)定性。

國內(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)的研究團隊設(shè)計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，最大輸出功率達到0.8 mW；對于陣列結(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，最大輸出功率[16]達到0.29 mW。

2012年，南京航空科技重點實驗室的侯志偉教授研究了一款V型壓電能量采集器，并對其進行了實驗分析。實驗結(jié)果表明，在諧振頻率為159 Hz施加0.3 N激勵力負載為0.84 MΩ時，輸出功率達到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)的團隊設(shè)計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振動式微型能量采集器，在加速度為10 g時，壓電單元單位面積輸出電壓[18]達到1.19 mV/mm2；華北電力大學(xué)何青教授團隊研制的雙質(zhì)量塊懸臂梁振動能量采集器，通過調(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)劉景全研究員帶隊研制了基于壓電厚膜的MEMS振動能量采集器，建立了硅矩形及銅梯形的理論模型，并對MEMS加工工藝和壓電厚膜制備進行了研究，制作出實物如圖8所示。實驗證明，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加速度的增加，對應(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特性，進而影響其輸出電信號。器件在1 g振源加速度，最優(yōu)負載70 kΩ條件下，輸出的功率達到11.56 μW，電流為12.06 μA，對應(yīng)的負載電壓[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)定性有待進一步研究。

2014年，北京大學(xué)微電子研究院及三星先進技術(shù)研究院設(shè)計并制造了一種基于螺旋形PVDF懸臂梁壓電能量采集器，并對其性能進行了測試。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，安徽精密機械與精密儀器科技大學(xué)的王海團隊利用質(zhì)量塊個數(shù)與安放位置不同，設(shè)計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)量塊的同時會增加器件應(yīng)變，器件穩(wěn)定性還需要深入研究。

2014年，重慶制造裝備機構(gòu)設(shè)計與控制重慶市重點實驗室的喻其炳與韓國高麗大學(xué)的李川組成的跨國研究團隊，在傳統(tǒng)的懸臂梁壓電能量采集器的基礎(chǔ)上，增加一個具有較大末端質(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驗樣機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]。該器件的缺點有諧振頻率不夠穩(wěn)定、尺寸比較大、穩(wěn)定性差而無法集成。

2014年，揚州大學(xué)的龔俊杰等人設(shè)計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)實驗證明，裝置的發(fā)電電壓基本不變，而發(fā)電功率可達單層的6倍[24]，不過器件較大，在穩(wěn)定性和實用性方面有待進一步研究。

綜上，壓電能量采集器結(jié)構(gòu)與性能的對比如表1所列。

表1　壓電能量采集器結(jié)構(gòu)及性能對比表

通過上述研究與分析，我們認為國內(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)計也是研究的熱點；而新型壓電材料的使用常與外圍的電路設(shè)計聯(lián)合進行研究，以高效地實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換和電能的穩(wěn)定儲存。

2磁電復(fù)合式能量采集器研究進展

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。通過器件振動，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，使振動能更有效地轉(zhuǎn)化為電能輸出。

2009年，美國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，并搭建了實驗測試平臺，測得整體輸出能量為340 μW，而壓電和電磁單獨發(fā)電輸出能量[25]分別為300 μW和120 μW。該結(jié)果說明耦合裝置的總輸出功率并不是單個系統(tǒng)輸出功率的簡單疊加。

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)合能量采集器在負載為40 Ω時，輸出功率為2.3 mW，相對于單個能量收集器的輸出功率0.5 mW高出4倍有余，而在負載為50 Ω時，復(fù)合式功率為3.5 mW，單個采集器為1 mW，高出3.5倍[26]。

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

2014年，德國學(xué)者Thomas Keutel和突尼斯學(xué)者Slim Naifar組成的跨國研究團隊設(shè)計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]。

國內(nèi)對磁電能量采集器也展開了深入研究。2009年重慶大學(xué)文玉梅教授帶領(lǐng)的團隊設(shè)計了一種新型懸臂梁能量采集器，材料為Terfenol-D/PZT/Terfenol-D。對所制備樣品的磁電電壓系數(shù)進行了測試，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。同時對采集器共振頻率激勵下的輸出電壓、振動加速度與輸出電壓關(guān)系以及系統(tǒng)響應(yīng)頻帶等特性進行了測試。實驗表明，在振動頻率為33 Hz，振動加速度為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和磁性材料的磁滯性，使得輸出電壓峰峰值與振動激勵間存在滯回現(xiàn)象，還有待進一步研究。2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽中國科學(xué)院單曉彪和劉長師帶領(lǐng)的團隊設(shè)計研發(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個峰值：11.6 mW與21.6 mW，相對于同樣尺寸的單個壓電能量采集器的輸出功率17.8 mW與單個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隊設(shè)計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的初始激勵下，諧振頻率為20 Hz，峰值輸出功率達到了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輛上安裝測試，輸出功率[31]最高可達到6.89 μW。

2015年，中北大學(xué)楊杰帶領(lǐng)的團隊對2013年研究的四懸臂梁—中心質(zhì)量塊壓電能量采集器進行了改進，設(shè)計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)實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)與永磁鐵的微組裝。該器件在10 g激勵下，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。

通過對國內(nèi)外磁電能量采集器相關(guān)研究可知，時至今日，針對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，但對磁電式結(jié)構(gòu)能量采集器的理論研究還處于剛剛開始的階段，其結(jié)構(gòu)設(shè)計也處在探索階段，電路控制系統(tǒng)還不完善。要設(shè)計并制造一個能夠為MEMS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)及性能對比表

3發(fā)展趨勢與結(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)計和如何微型化集成等等。而隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)和微電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，壓電能量采集器無疑會成為傳統(tǒng)電池最具競爭力的代替品之一。不過研究至此，還未出現(xiàn)一個成功的產(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方面：①目前，大部分研究人員研究內(nèi)容針對的是壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電路優(yōu)化來提高轉(zhuǎn)換效率，而對壓電材料的研究相對較少，而壓電材料是影響壓電能量采集器結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素之一，同時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，對于壓電材料的研究將會成為未來壓電能量采集器的研究重點之一；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，工藝研究必然會成為以后的研究重點之一；③壓電能量采集器一直處于基于單頻諧振的研究階段，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共振頻率來獲得最大輸出能量，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，對于壓電能量采集器的多頻諧振研究必然會成為壓電能量采集器未來發(fā)展的必要研究；④壓電能量采集器的壽命研究，因為目前還沒有特別完善的壓電能量采集器，所以針對器件的壽命研究甚是缺乏，隨著研究的不斷深入，對于能量采集器的壽命研究必然會成為研究重點。

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：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能驅(qū)動，實現(xiàn)了微器件自供能，工作壽命長、適應(yīng)廣。但起步要晚于壓電能量采集器，其系統(tǒng)模型的建立還待進一步完善。主要研究趨勢有以下幾個方面：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)計是磁電能量采集器的研究重點；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的研究重點；③對于磁電能量采集器電路儲存模塊的研究，因磁電能量采集器起步較晚，國內(nèi)外研究人員的工作重心還停留在能量獲取部分，對于能量儲存部分研究相對較少，因此，未來對于磁電能量采集器的電路儲存部分的研究將會成為磁電能量采集器的研究重點。

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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：萬沙浪517253077@qq.com

基金項目：重慶市科委項目(cstc2012jcsf-jfzhX0028)

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

中圖分類號：TN384;TM919

文獻標志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)01-0001-08

作者簡介：

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

萬沙浪(1990-)，男，重慶人，碩士研究生。主要研究方向為MEMS能量采集器設(shè)計與研究。E-mail:517253077@qq.com。

(編輯：劉勇)