微型压电及磁电式能量采集器的研究进展

2016-06-29万沙浪

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2016年1期

关键词：压电式无线传感器网络

罗　元，万沙浪

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

微型压电及磁电式能量采集器的研究进展

罗元，万沙浪

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

摘要：无线传感器网络是二十一世纪影响人们生活的关键技术之一，具有广阔的应用前景，而微型能量采集器因最有可能代替传统电池为其节点供电，已成为国内外的研究热点。重点介绍了国内外压电式及磁电式微型能量采集器的研究进展；分析了其结构设计、器件性能，包括器件固有频率、输出电压以及输出功率等关键性参数，总结了其能量收集模块与能量储存模块的优缺点，对未来研究工作所面临的挑战及发展趋势进行了讨论。

关键词：无线传感器网络；微型能量采集器；压电式；磁电式

0引言

作为改变世界的十大技术和21世纪最具影响的21项技术之一的无线传感器网络正在深刻地改变着人们的生产和生活，其研究受到广泛关注[1]。但无线传感器网络要得以广泛应用，存在着一系列技术难题，其中如何为网络中大量分散的传感器节点供电是一个重点，基于微机电系统(micro-mlectro-machanical system，MEMS)技术的微型能量采集器能够实现与微器件的集成和自供能而成为重要的解决方案，其研究受到国内外的极大重视[2]。微型能量采集器目前主要有压电式、静电式和电磁式3种[3]，其中，压电式和压电与电磁复合的磁电式能量采集器最具潜力。

1压电式能量采集器研究进展

压电式能量采集器是利用压电材料的正压电效应把机械能主要是振动的能量转换为电能的装置，一般多采用悬臂梁式结构[4]。

压电式振动能量采集器，较早的研究是1969年Wen.H.Ko[5]在专利(US Patent 3,456,134)中提出的一种小型压电悬臂梁，用于采集人体活动时产生的能量。2003年，美国UC Berkeley的Roundy研究团队在压电式振动能量采集方面做出了较为深入的理论和实验研究，制作了双压电晶片悬臂梁结构压电式能量采集器模块，并对其输出性能进行了测试分析，器件如图1所示。一年之后，通过优化结构参数，器件的输出功率密度最高可增加到375 μW/cm3；整流后的输出电压[6-8]可达到0.7 V。

图1　Roundy小组研制的双压电晶片悬臂梁器件Fig.1　Piezoelectric bimorph cantilevergenerator by Roundy

2007年，美国US Berkeley[9]的Soundy博士系统地研究并建立了微型压电能量采集器的理论模型。2011年，刘慧聪、Cho Jui Tay和TakeshiKobayashi等组成的跨国研究团队研制了一种适用于低频振动和宽频带振动的压电能量采集器，其方案是集成了平行的10个陶瓷能量采集器，如图2所示。

图2　压电振动能量采集器组装及局部光学显微照片Fig.2　Microfabricated piezoelectric cantilever deviceassembled and optical microscope photo

该采集器在1.0 g加速度作用下，频率为30—47 Hz，负载为330 kΩ的条件下，输出功率[10]为32.3—85.5 nW。2013年，新加坡国立大学Lokesh Dhakar牵头的研究小组设计了一个新型的压电复合梁，如图3所示。整个悬臂梁由2部分组成：前段压电陶瓷梁和后段的聚合物梁。未采用复合梁时，装置的谐振频率为125 Hz，在0.1 g加速度下输出功率为9.7 μW；而采用复合梁结构，谐振频率降低到36 Hz，输出功率[11]提高了32%，达到12.8 μW。同时，该装置还可以通过调节复合梁长度比例来有效地降低频率，增加输出功率，不过缺点在于尺寸过大，不利于MEMS集成。

图3　压电复合梁能量采集器Fig.3　Piezoelectric energy harvester with composite beam

2012年，意大利罗马大学Konstantin Kholostov领头的研究团队设计了一款螺旋式3D MEMS振动能量采集器，如图4所示。其目标是为射频天线供能，文中研究重点为器件工作频带，其工作带宽[12]可达到55—85 GHz。但论文未提供其电学参数。

图4　螺旋式3D振动能量采集器Fig.4　3D spiral energy harvester

2013年，意大利的布雷西亚大学的M.Ferrari, F.Cerini,V.Ferrari等人研制了一种宽带低频多梁振动能量采集器，如图5所示。通过调节3个梁(陶瓷梁T、陶瓷梁B和控制梁D)的体积和质量块尺寸，得到不同的谐振频率。研究团队设计的2个陶瓷梁尺寸均为45 mm×19 mm×0.58 mm，4个控制梁尺寸为20 mm×70 mm×0.2 mm,质量MT=4.4 g，MB=1.4 g，MD=7 g。谐振频率分别为40 Hz，65 Hz和20 Hz[13]。此能量采集器结构能有效地提高带宽，不过代价是器件整体尺寸的变大，不利于集成。

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

2013年，日本神户大学的Yuichi Tsujiura等人设计制作了一款压电单晶悬臂梁能量采集器，如图6所示。在5 m/s2加速度下，器件的谐振频率为75 Hz，匹配20 kΩ的负载，最大输出功率[14]为1.1 μW。

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

2014年，印度维迪莎Samrat Ashok技术研究所Dhananjay Kumar等学者设计并制造了一种压电薄膜，针对能量采集器的电能储存设计了一套电路系统，并对电能的输出进行了研究分析。实验证明，利用设计的电路，在整流阶段有效地减少了电压突降[15]，提高了电能储存的稳定性。

国内学者也致力于压电能量采集器的研究。2011年，华中科技大学的研究团队设计了一种压电双晶片能量采集器，其结构为电性能隔层相连的新型叠层结构，如图7所示。

器件在不增大压电振子有效面积的情况下，实现多片压电片的并联，提高其输出电流。在串、并联最佳匹配电阻分别为10 kΩ和2.6 kΩ时，最大输出功率达到0.8 mW；对于阵列结构能量收集器，在串、并联最佳匹配电阻分别为3.6 kΩ和1 kΩ时，最大输出功率[16]达到0.29 mW。

2012年，南京航空科技重点实验室的侯志伟教授研究了一款V型压电能量采集器，并对其进行了实验分析。实验结果表明，在谐振频率为159 Hz施加0.3 N激励力负载为0.84 MΩ时，输出功率达到22 μW[17]。

图7　单层及叠层结构能量收集器Fig.7　Single layer and multilayer of energy harvester

2014年，中北大学丑修建领导的团队设计了一款硅基压电功能材料的四悬臂梁—中心质量块结构MEMS振动式微型能量采集器，在加速度为10 g时，压电单元单位面积输出电压[18]达到1.19 mV/mm2；华北电力大学何青教授团队研制的双质量块悬臂梁振动能量采集器，通过调节质量块之间的距离和方位，有效地降低能量采集器的固有频率[19]。

上海交通大学刘景全研究员带队研制了基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器，建立了硅矩形及铜梯形的理论模型，并对MEMS加工工艺和压电厚膜制备进行了研究，制作出实物如图8所示。实验证明，器件分别在0.25，0.5，0.75，1.0，1.25和1.5 g不同大小的加速度条件下，所对应的频率分别为523.1，520.1，516.9，514.1，512.8和510.3 Hz，这种现象可能是由于随着振动加速度的增加，对应的空气阻尼以及器件自身的结构阻尼也在增加，这增大的阻尼将减弱器件的振动特性，进而影响其输出电信号。器件在1 g振源加速度，最优负载70 kΩ条件下，输出的功率达到11.56 μW，电流为12.06 μA，对应的负载电压[20]为2.72 VP-P，该电压大于整流电路中的二极管工作所需的最小电压，完全可应用于驱动外界电路。但是，器件的输出功率与低功耗微器件的供电要求之间还有一段距离，器件的谐振频率也比较高，无法在更低的环境里面获取能量，器件的集成和稳定性有待进一步研究。

2014年，北京大学微电子研究院及三星先进技术研究院设计并制造了一种基于螺旋形PVDF悬臂梁压电能量采集器，并对其性能进行了测试。结果表明，在0.2 g加速度下，器件的谐振频率为20 Hz，输出电压峰值达到1.8 V，输出功率[21]为0.81 μW/cm3。器件模型如图9所示。

图8　基于PZT材料的硅矩形结构器件样机Fig.8　Silicon rectangular structure device prototypebased on PZT materials

图9　螺旋式PVDF悬臂梁压电能量采集器Fig.9　PEH with spiral-shaped PVDF cantilever

2014年，安徽精密机械与精密仪器科技大学的王海团队利用质量块个数与安放位置不同，设计并制造了一种宽频带压电能量采集器，此器件的谐振频率随着质量块的个数发生变化，质量块越多，谐振频率越低，输出电压越高[22]。不过此器件的整体尺寸太大，不利用集成，而增加质量块的同时会增加器件应变，器件稳定性还需要深入研究。

2014年，重庆制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室的喻其炳与韩国高丽大学的李川组成的跨国研究团队，在传统的悬臂梁压电能量采集器的基础上，增加一个具有较大末端质量的附加梁，提出了一种多频响应的压电能量采集器，如图10所示。

图10　悬臂梁附加梁压电能量采集器及实验样机Fig.10　PEH with additional beam and experience prototype

器件将压电梁的一阶固有频率设计在附加梁的前两阶固有频率之间，该能量采集器可以获得多频振动响应。器件三阶共振峰从9.92 Hz一直延伸到132.70 Hz，而传统的能量采集器只是在39.62 Hz附近[23]。该器件的缺点有谐振频率不够稳定、尺寸比较大、稳定性差而无法集成。

2014年，扬州大学的龚俊杰等人设计了一种新型的蝴蝶式多层压电悬臂梁，制作了多层压电发电装置，并将发电装置中的6层压电片串联。经实验证明，装置的发电电压基本不变，而发电功率可达单层的6倍[24]，不过器件较大，在稳定性和实用性方面有待进一步研究。

综上，压电能量采集器结构与性能的对比如表1所列。

表1　压电能量采集器结构及性能对比表

通过上述研究与分析，我们认为国内外关于微型压电能量采集器的研究主要集中在压电结构的设计与优化、新型压电材料的制备应用、相应的电源管理与匹配电路的设计等方面。在结构中，除了常用的悬臂梁结构外，新型的螺旋形结构、复合梁结构以及小型化的设计也是研究的热点；而新型压电材料的使用常与外围的电路设计联合进行研究，以高效地实现机电能量转换和电能的稳定储存。

2磁电复合式能量采集器研究进展

磁电式能量采集器是把压电式和电磁式复合使用的一种能量采集器。通过器件振动，利用压电式的压电效应再结合电磁式法拉第电磁感应定律，使振动能更有效地转化为电能输出。

2009年，美国Stevens Institute of Technology大学的V.R.Challa等人利用压电电磁集成发电原理模型，如图11所示，推导了压电电磁复合发电微能量采集器输出功率，并搭建了实验测试平台，测得整体输出能量为340 μW，而压电和电磁单独发电输出能量[25]分别为300 μW和120 μW。该结果说明耦合装置的总输出功率并不是单个系统输出功率的简单叠加。

图11　压电电磁发电原理图Fig.11　Principle schematic of the piezoelectric electromagnetic

2013年，马来西亚Mohd Fauzi.Ab Rahman等人研制了一种新型的两极式磁电复合式悬臂梁能量采集器，如图12所示。此两极式磁电复合能量采集器在负载为40 Ω时，输出功率为2.3 mW，相对于单个能量收集器的输出功率0.5 mW高出4倍有余，而在负载为50 Ω时，复合式功率为3.5 mW，单个采集器为1 mW，高出3.5倍[26]。

图12　磁铁两极式能量采集器测试图及横截面视图Fig.12　Testing two poles magnets type harvesterand cross section view

2014年，德国学者Thomas Keutel和突尼斯学者Slim Naifar组成的跨国研究团队设计了一种新型的磁电复合式能量采集器，如图13所示。

图13　磁电能量采集器示意图Fig.13　Schematic of the magnetoelectric harvester

器件采用的是横纵双向电磁式复合采集结构，谐振频率为29 Hz，振幅为1 mm，输出功率为30 μW[27]。

国内对磁电能量采集器也展开了深入研究。2009年重庆大学文玉梅教授带领的团队设计了一种新型悬臂梁能量采集器，材料为Terfenol-D/PZT/Terfenol-D。对所制备样品的磁电电压系数进行了测试，频率为10—100 Hz换能器的平均磁电电压系数约为64.2 mV/Oe。同时对采集器共振频率激励下的输出电压、振动加速度与输出电压关系以及系统响应频带等特性进行了测试。实验表明，在振动频率为33 Hz，振动加速度为0.5 g的条件下，输出电压峰值为45.1 V，输出功率为112.1 μW，系统输出功率密度[28]为0.56 mW/cm3。由于悬臂梁的非线性振动和磁性材料的磁滞性，使得输出电压峰峰值与振动激励间存在滞回现象，还有待进一步研究。2013年，哈尔滨工业大学和沈阳中国科学院单晓彪和刘长师带领的团队设计研发了一种新型的磁电悬臂梁能量采集器，器件的频带宽度为6—20 Hz，输出功率在带宽内出现2个峰值：11.6 mW与21.6 mW，相对于同样尺寸的单个压电能量采集器的输出功率17.8 mW与单个电磁能量采集器的输出功率11.4 mW有一定提高[29]。器件如图14所示。

图14　磁电复合能量采集器Fig.14　Schematic of a hybrid energy harvester

2014年，重庆大学设计了一种采集双向式电流线的磁电能量采集器，在悬臂梁末端安置了6块不同极向的钕铁硼磁铁，如图15所示。

图15　双向式电流线磁电能量采集器Fig.15　Magnetelectric harvester of two-wire power cords

此器件的工作频率在50 Hz(或者60 Hz)，最优匹配负载为991 kΩ下，输出功率为671.2 μW，输出电流为6 A[30]。

2015年，清华大学的李欣欣与唐翘楚研究团队设计了一种新型的低频宽带磁电悬臂梁能量采集器，如图16所示。

图16　低频宽带磁电能量采集器Fig.16　Two-stage wideband magnetelectric energy harvester

此器件的工作频率为10—30 Hz，在1 g的初始激励下，谐振频率为20 Hz，峰值输出功率达到了24.56 μW，平均输出功率为3.6 μW。此能量采集器已在行驶的车辆上安装测试，输出功率[31]最高可达到6.89 μW。

2015年，中北大学杨杰带领的团队对2013年研究的四悬臂梁—中心质量块压电能量采集器进行了改进，设计并制作了一种四悬梁臂—中心质量块的磁电能量采集器，如图17所示。

图17　四悬臂梁—中心质量块磁电能采集器结构示意图Fig.17　Schematic diagram of the magnetelectricenergy harvesting

器件利用溶胶—凝胶工艺完成锆钛酸铅压电功能薄膜制备，采用MEMS加工技术完成器件制作，并结合集成封装技术实现微结构与永磁铁的微组装。该器件在10 g激励下，谐振频率为247 Hz，串联最大输出电压为244.80 mV，压电单元单位有效体积输出电压为2.066×107mV/cm3；磁电部分最大输出电压为15.00 mV，电感线圈单位体积有效输出电压[32]为5.002×106mV/cm3。

通过对国内外磁电能量采集器相关研究可知，时至今日，针对电磁式和压电式微型能量采集器的研究，已经建立了较为完善的理论模型，但对磁电式结构能量采集器的理论研究还处于刚刚开始的阶段，其结构设计也处在探索阶段，电路控制系统还不完善。要设计并制造一个能够为MEMS器件提供持续稳定供电的磁电能量器，还需要做大量的研究。

磁电能量采集器结构与性能情况如表2所示。

表2　磁电能量采集器结构及性能对比表

3发展趋势与结论

压电能量采集器的研究包括理论模型的建立，器件材料的性能比较,结构的优化设计和如何微型化集成等等。而随着无线传感网络和微电系统的不断发展，压电能量采集器无疑会成为传统电池最具竞争力的代替品之一。不过研究至此，还未出现一个成功的产品，真正代替传统电池为微电系统供电。主要原因有以下几个方面：①目前，大部分研究人员研究内容针对的是压电能量采集器的结构优化和电路优化来提高转换效率，而对压电材料的研究相对较少，而压电材料是影响压电能量采集器结构设计的关键因素之一，同时也是影响压电能量采集器微集成加工工艺的重要因素，因此，对于压电材料的研究将会成为未来压电能量采集器的研究重点之一；②工艺研究，包括如何制备压电膜，如何使压电膜与结构更好的粘合以及如何集成与封装制备好的压电能量采集器。目前，制备压电膜的方法有溅射、固胶凝胶以及正在开展研究的键合技术[33]，但工艺技术水平还不够完善，工艺研究必然会成为以后的研究重点之一；③压电能量采集器一直处于基于单频谐振的研究阶段，通过调节系统的共振频率来获得最大输出能量，但频率的调节非常困难，特别是在多变的自然环境中，因此，对于压电能量采集器的多频谐振研究必然会成为压电能量采集器未来发展的必要研究；④压电能量采集器的寿命研究，因为目前还没有特别完善的压电能量采集器，所以针对器件的寿命研究甚是缺乏，随着研究的不断深入，对于能量采集器的寿命研究必然会成为研究重点。

磁电式能量采集器，综合了压电发电和电磁发电的优点：输出电压高、电流大、能量密度大和转换效率高；采用环境中普遍存在的振动能驱动，实现了微器件自供能，工作寿命长、适应广。但起步要晚于压电能量采集器，其系统模型的建立还待进一步完善。主要研究趋势有以下几个方面：①压电采集与电磁采集如何更有效的结合，使输出能量更大，其中，理论模型的建立分析与器件结构的优化设计是磁电能量采集器的研究重点；②磁电式能量采集器如何微集成化，其中，材料的研究和工艺的研究同样是磁电能量采集器未来的研究重点；③对于磁电能量采集器电路储存模块的研究，因磁电能量采集器起步较晚，国内外研究人员的工作重心还停留在能量获取部分，对于能量储存部分研究相对较少，因此，未来对于磁电能量采集器的电路储存部分的研究将会成为磁电能量采集器的研究重点。

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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

修订日期：2015-12-05通讯作者：万沙浪517253077@qq.com

基金项目：重庆市科委项目(cstc2012jcsf-jfzhX0028)

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

中图分类号：TN384;TM919

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)01-0001-08

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