微型振动式能量采集器研究进展*

许 卓，杨 杰，燕 乐，曹嘉峰，陈晓勇，丑修建

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

随着微电子技术日趋发展成熟，微传感器、微执行器和可携带电子器件等微型机电系统不断推陈出新，广泛渗透与社会生产、生活各方面，特别在健康状况检测、环境监控和野外、太空等恶劣环境下的监控系统等方面得到了广泛应用［1］。目前，微型电池常作为供电器件为这类低功耗无线系统提供电能，如，微型锂电池、温差电池和微型核电池等。然而微型电池存在明显缺陷:1)储存能量和供能寿命有限，使用一段时间后需要更换或补充燃料，不利在恶劣条件下或者偏远地区使用;2)受外界环境变化影响较大，不能很好地满足MEMS 器件发展要求;3)相对于微型传感器来说其体积较大，使微传感器系统的小型化受到制约。因此，新型能量采集技术成为微型传感器供能研究的一个重要方向，并受到人们越来越多的关注。

能量采集是指收集环境中未利用的能源(光、热、风、机械振动等)并将其转换成可用电能的一种技术。机械振动是环境中普遍的一种能量存在形式，微型振动能量采集器是通过转换自然界中广泛存在的振动能为电能实现全天候地为各种低功耗电子器件供电的供能装置，一般包括能量采集与能量储存两大模块。微机械振动能量采集器是可自我维持的微电源，特别适用于物联网各节点和生物微纳机电器件电源供给，具有广阔的发展前景。

1 振动能量采集模块

目前，国内外研究者提出了不同的振动能量收集技术，主要包括［1，2］:电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式及复合式能量采集技术。

1.1 电磁式振动能量模块

电磁式振动能量采集模块工作时遵循法拉第电磁感应定律，通过改变磁通量的大小，利用回路中产生的感应电动势获取电能。根据振动部件的不同可以分为动铁型、动圈型和铁圈同振型［3］三类。

目前关于电磁式振动能量采集模块的研究较多，模型较为成熟，已成功应用在许多电能收集器中。英国南安普顿大学［4］在马蹄形铁芯上安装一对钕铁硼永磁铁，通过悬臂梁振动，在固定线圈上收集振动能量。在振动频率为322 Hz的条件下，体积为240 mm3的器件输出功率为0.53 mW。香港中文大学的研究者加工出微型能量发生器［5］，在60 ～110 Hz 频率范围内、振幅低于200 μm 时，输出平均功率达到830 μW。台湾国立中山大学研究者设计的电磁式振动能量采集模块［6］包括多层银平面线圈，输出最大电压达到25.19 mV，输出功率达到1 mW。北京大学［7］研究的低频电磁式MEMS 能量采集模块，该模块是标准的“弹簧、质量块、阻尼”动力学振动模型，其永磁铁是通过表面电镀技术加工完成，悬臂梁与线圈通过镀铜技术完成(如图1所示)。该器件在谐振频率64 Hz，1 gn加速度激励下，开路电压峰峰值为7.5 μV，负载为1.9 Ω，对应的输出最大能量密度为0.03 μW/cm3。由于电磁式振动能量采集模块漏磁大，输出功率过低等缺点，在MEMS 的实际应用中仍然是一大挑战。

图1 集成低频电磁式MEMS 能量采集器Fig 1 An integrated MEMS electromagnetic energy harvester with low frequency

1.2 压电式振动能量采模块

压电式能量采集模块就是利用压电材料的正压电效应把机械能转换为电能的装置，在振动能量采集中一般多采用悬臂梁式结构。由于d31模式的压电能量采集模块结构简单，国内外相关研究较多。国外学者已对包括压电材料［8，9］、能量收集装置结构［10～12］和储能结构［13，14］展开了研究。国内研究的有浙江大学［15］、上海交通大学［16］、华中科技大学［17］等高校。2009 年，新加坡南洋理工大学Yang Yaowen 等人利用压电纤维聚合物材料(macro－fiber composites，MFC)制备了一种压电单晶片结构能量采集模块［18］。其悬臂梁尺寸为250 mm×62 mm×1.5 mm，输出功率可达151.6 μW。2013 年，台湾国立大学［19］研究利用气溶胶沉积法制备锆钛酸铅(PbZrxTi1－xO3，PZT)压电厚膜的MEMS 不锈钢结构能量采集模块(体积仅为2.36 mm3)，其谐振频率为202 Hz，在1.5 gn加速度激励下，其开路电压为1.8 V，输出功率达到34 μW。特别是，2003 ～2005 年间Jeon Y B 等人［20，21］研制了基于d33压电模式的压电能量采集模块。2013 年，上海交通大学［22］对d33压电模式的MEMS 振动能量采集模块进行研究，该器件的采用铌镁酸铅单晶厚膜材料作为压电层。在谐振频率406 Hz，1.5 gn加速度激励下，输出功率7.182 μW，能量密度为17，181.8 μW·cm－3。压电式振动能量采集模块在集成化和环境适应性方面具有优势，但是压电材料硬而脆，承载能力有限，存在去极化现象，机电耦合系数低，在一定程度上降低了能量转换效率。

1.3 静电式振动能量采集模块

根据改变电容方式的不同将静电式能量采集模块分为变间距式和变面积式［23］两种。目前主要有德国弗莱堡大学［24］、日本东京大学［25］、德国微系统与信息技术研究所［26］、台湾国立交通大学［27］等机构进行相关研究。静电式能量采集模块最大优点是:与MEMS 集成效果好，不需要智能材料，适合应用于小尺度场合，但由于该装置需要外加电源，并且输出的电压高、电流低和过高的输出阻抗，这些缺点都极大地限制其应用发展。

1.4 磁致伸缩式振动能量采集模块

磁致伸缩效应的逆效应(Villari 效应)是指当铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化。当磁致伸缩材料受振动变形后，缠绕在上面的线圈产生出电流［28］。磁致伸缩式能量采集模块就是利用磁致伸缩材料这种效应将环境中的振动能转换为电能。

由于磁致伸缩能量转换方式较为复杂，相关研究较少，主要集中在国外几所研究院校，国内鲜有报道。美国的Staley M E 等人采用Terfenol－D 和Galfenol 材料设计了低频振动能量收集装置［29］，该装置在45 Hz 的谐振频率下获得最大输出功率为45 μW。美国北卡罗来纳州立大学Wang Lei 等人［30］采用非结晶金属玻璃Metglas 2605SC 磁致伸缩材料制备振动能量采集器，该器件在频率为1100 Hz 的振动条件下输出功率为606 μW/cm3(如图2 所示)磁致伸缩式振动能量采集器无需外加电源，不存在去极化问题，且具有高磁极耦合能力，输出功率密度较大，但结构需要能量拾取线圈，难以与MEMS 集成。该项研究目前仍处于初始探索阶段。

图2 磁致伸缩式振动能量采集器Fig 2 Magneticelastic vibration energy harvester

1.5 复合式振动能量采集模块

复合式能量采集模块是指将电磁式、静电式、压电式或磁致伸缩式能量采集技术中的两种或多种互相结合而将环境振动能转换成为电能的装置。通过集成不同类型能量采集技术的优点可以增大输出功率。Khaligh A 等人［31］于2008 年设计了一种新型压电—电磁复合式能量采集模块的拓扑结构(如图3 所示)。美国麻省理工大学的Huang Jiankang 等人［32］将磁致伸缩材料与压电材料结合，设计了Terfenol－D/PZT/Terfenol－D 的三明治结构复合能量采集模块(体积为1 cm3)，在频率为30 Hz，加速度为0.5 gn的激励条件下获得超过10 mW 的输出功率。复合式能量采集器研究前景广阔，但由于特性分析和参数优化更为复杂，大量基础设计理论和技术方法还需要进一步优化。

图3 压电—电磁复合式能量采集模块结构图Fig 3 Structure diagram of hybrid energy harvesting module based on piezoelectric-electromagnetic effect

振动式能量采集器具有使用寿命长，能够提供长期可靠的电能等优势，其类型和结构也较为丰富，但是并不适用于所有的应用环境。

2 电源管理与储能电路模块

由于环境振动所提供的能量本身较微弱、无规律，振动频谱广，微能源的能源采集模块所输出的能量无法直接向物联网节点等微器件、系统提供充足、稳定的电能。因此，需要设计合适的电源管理和存储电路模块以进行交流/直流(AC/DC)转换、存储、变频进而实现稳定的能量供给。

在AC/DC 转换方面，桥式整流电路是目前的典型应用，但其转换效率较低。在储能方面，常见的储能媒介有电容器和可充电电池两种。电容器一般包括普通电容器与超级电容器。普通电容器由于其储能小，只能为微电子器件提供短暂的能量供给;而超级电容器具有容量大、寿命长，是一种理想的大功率物理二次电源。

Elvin N 等人［33］利用半电桥和电容器构成电源管理电路，同时在电路中加入了控制电路，当储能电压达到1.1 V时，控制电路开始工作，电容器进入放电状态，为微传感器提供能量;当电压下降到0.8 V 时，控制电路关闭，电容器再次进入充电状态。为了提高电路转换效率，Guyomar D 等人［34］设计出非线性自适合能量采集电路，称为电感同步开关采集电路(SSHI)，电路中的电子开关在压电器件位移达到最大或最小时触发。实验表明:SSHI 电路的传递效率比只包含整流电桥和电容的标准电路提高了数倍。

在国内对于能量存储模块也有相关研究，吉林大学［35］利用电容器储存压电振子产生的能量，将采集到的电能通过全桥电路整流收集在电容器中，实现能量的收集。重庆大学提出一种微功耗的电源智能管理电路的设计方案［36］，该电路由整流滤波电路、MOS 开关、储能电路、辅助能量补充回路和主控制电路等构成，实现了自身功耗为40 μW 的能量储存电路。中北大学提出了针对复合微能源的能量采集电路［37］，该电路整合两种能量采集方式的优势，提高并改善了振动能量的输出和储存效率。

能量存储模块的研究仍处于理论实验阶段，如何高效实现电能转换和能量存储仍是目前能量采集器在实际应用中所面临的主要问题。

3 结 论

振动能量采集器在低功耗电子器件领域展现着巨大的潜能，与其微能源相比具有寿命长、体积小、无污染等优势。目前，压电式和电磁式振动能量采集器的研究相对较多，但压电式能量转换率低、磁电式存在漏磁现象等缺点;电源管理与能量管理模块的研究仍处于理论研究阶段。以此实现高效能、低功耗、智能化的振动式能量采集器是未来微能源发展趋势。

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