不同频带宽度的振动能量收集器研究进展*

王小丽， 方玉明， 丁立群， 杨孟媛， 钮 飞， 邓丽城

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

不同频带宽度的振动能量收集器研究进展*

王小丽， 方玉明， 丁立群， 杨孟媛， 钮 飞， 邓丽城

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

振动能量收集器由于具有体积小、寿命长、高能量密度等特点，被广泛用于微机电系统设备的供电。从频率角度出发，介绍了单谐振频率、宽频式、频率可调式三种不同频带宽度的振动能量收集器，并系统介绍了上述结构优缺点、国内外现状和发展趋势。其中，单谐振频率能量收集结构最为简单，研究较早，技术比较成熟。而宽频式和频率可调式由于更加符合外界环境振动条件，成为研究热点。

振动能量收集器； 单谐振频率； 宽频式； 频率可调式

0 引 言

振动在环境中普遍存在，例如:车辆电动机运转产生的振动、公路铁路桥梁的振动、由风激励转化而来的振动等。振动能量采集器就是将这些振动所产生的能量转换为电能，为各种电子设备供电。由于其具有体积小、寿命长、高能量密度、无污染等特点，被国内外研究者广泛研究。根据工作频带宽度不同，可将其分为单频式、宽频式和频率可调式等结构。

本文介绍了三种不同频带宽度振动能量采集器，并对它们的优缺点进行了比较。其中,宽频式和频率可调式由于更加符合外界环境振动条件，成为研究热点。

1 单谐振频率振动能量收集结构

研究表明，当振动能量收集器的固有频率与外界振动频率相同，即发生谐振时，其能量转换效率最高。单谐振频率能量采集器固有频率单一，且工作频率范围较小。其结构简单、研究较早、技术比较成熟。根据换能原理不同，振动能量采集器又可分为压电式、电磁式和静电式。

1.1 单谐振频率压电式振动能量收集结构

压电式结构的工作原理是利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能。当受到某固定方向外力作用时，压电材料会产生形变，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生等量异号的束缚电荷，由此将机械振动能转换为电能。在目前研究的单频压电式结构中，单悬臂梁结构由于结构最为简单，而得到了广泛的研究，并且发展最为成熟。通常，单悬臂梁结构的固有频率比较高，而外界环境振动源的频率比较低，因此，在悬臂梁的末端增加一金属质量块以减小单悬臂梁结构振动的固有频率，如图1所示。

图1 单悬臂梁结构示意图Fig 1 Diagram of single cantilever structure

矩形单悬臂梁结构是目前单频能量收集器最常用的结构，其结构简单且易于集成，同时还有很多研究者对其他结构形式也进行了研究。谢涛等人[1]对矩形、梯形和三角形的悬臂梁进行了研究，研究表明，在相同的外部激励下，三角形单悬臂梁收集的能量最多，梯形单悬臂梁次之，矩形单悬臂梁收集的能量最少。Chen S等人[2]对厚度不均匀的压电支撑梁进行了研究，在压电支撑梁上挖三个大小相等的矩形凹槽，研究发现，带有凹槽的矩形单悬臂梁结构与普通的矩形单悬臂梁结构相比，收集的能量更多。Ting Y等人[3]对曲线型悬臂梁进行了研究，研究表明，采用曲线形悬臂梁比采用同种压电材料的矩形结构性能更好。

对于单悬臂梁结构，其承受的压力或冲击载荷不能太大，在一些冲击载荷较大的场合中就限制了其应用。Kim H W等人[4，5]设计了一种Cymbal形振动能量收集结构，该结构在压电圆片两侧分别粘结一个相同的碟形金属帽，其示意图如图2所示。该结构能承受更大的载荷，且比相同体积的悬臂梁结构能产生更大的电能。

图2 Cymbal形振动能量收集结构示意图Fig 2 Structure diagram of cymbal shape vibration energy harvesting

1.2 单谐振频率电磁式振动能量收集结构

电磁式能量收集器是利用法拉第电磁感应定律，将外界随机的机械振动转换为线圈回路或永磁体的运动，实现两者之间的相对运动，从而使线圈回路内磁通量发生变化，产生感应电动势。根据振动部件的不同又可分为动铁型、动圈型和铁圈同振型[6]。王佩红等人[7，8]采用MEMS工艺，设计并制作了一种三明治夹层结构的动铁型振动能量收集器，如图3所示。它采用上、下两层线圈串联以提高输出电压，中间是由硅基平面镍弹簧和永磁体构成的拾振结构。实验测试表明，在频率为280.9 BZ的外界振动激励下，该结构能产生的最大输出电压为125 mV。

图3 三明治夹层结构的电磁式能量收集器Fig 3 Electromagnetic energy harvester with sandwiched structure

Zhang Q等人[9]提出了一种动圈型能量收集结构，该结构分别将多个磁铁和线圈并联以提高输出。此外，Zuo L等人[10]设计了一种铁圈同振型能量收集结构，该结构在2.5 m/s的相对速度下，能产生2.01 W的平均功率。

1.3 单谐振频率静电式振动能量收集结构

静电式能量收集器是通过静电效应将机械振动能转换为电能。静电式能量收集器根据其改变电容的方式不同可分为变间距式和变面积式。其中,Guilllemet R[11]研制了一种矩形截面的梳齿状结构静电式能量采集器，通过改变极板间的间距改变电容,其结构示意图如图4所示。该器件能产生距中心频率30 %的高的半功率带宽，当振动频率和加速度分为为150 BZ和1gn的条件下，输出功率为2.2 μW。另外，Renaud M等人[12]研制出了一种用于胎压监测的变面积式的能量采集器，该器件的一个电极表面凹凸不平，利用狭谷效应使之具有好的机电线性。在与轮胎内振动相似的环境中测试时，该器件能产生10～50 μW的功率输出。

图4 梳齿状静电式振动能量采集结构示意图Fig 4 Diagram of comb shape electrostatic vibration energy harvesting structure

2 宽频带振动能量收集结构

上述的单谐振频率振动能量收集结构的工作的频率范围比较小，以单悬臂梁结构为例，其频带宽度为2ξωn(ξ为能量收集结构的阻尼比，ωn为结构振动的固有频率)，当工作在十几赫兹的振动频率下，阻尼比为0.025时，其频带宽度不到1 BZ[13]。而实际环境中的振动频率一般在一个范围内，若采用上述单频率的振动能量收集结构工作，则能量收集的效率就比较低。因此，就需要拓宽能量采集结构的频带宽度，使其能够收集更多振动频率下的能量。

2.1 宽频带压电式振动能量收集结构

在拓宽频带宽度方面，压电式振动能量收集结构有许多研究。Shahruz S M等人[14]设计了一系列固有频率相近的悬臂梁结构，将它们进行组合，研究了单悬臂梁阵列式能量收集结构的频率响应问题。这样即使环境中振源振动的频率不断变化，也总会有某些单悬臂梁处在工作状态。

Erturk A等人[15]研究了一种L型悬臂梁结构，其结构如图5所示。该结构与传统的悬臂梁相比，将结构的一阶和二阶固有频率之间相差的倍数从6倍降低到1倍，其振幅有时甚至比直线型悬臂梁还要大，输出电能更大。他们设计的悬臂梁的一阶和二阶固有频率分别为23.8，46.5 BZ(开路时)。

图5 L型悬臂梁结构示意图Fig 5 Diagram of L shape cantilever structure

2.2 宽频带电磁式振动能量收集结构

单谐振频率能量收集结构是直线共振结构，仅工作在其共振频率下，能量收集效率不高，与之相比，非共振型能量采集结构更适用于宽频带的外界振动能量的采集。而纯转动型能量采集器，往往需要连续的推动力运转，不适合用于自然界振动的能量收集。混合型非共振转动型能量收集器结合了两者的特点，通过非平衡转子将直线振动转化为永磁体的转动实现能量收集。其结构原理如图6所示。

图6 混合型电磁式振动能量采集结构示意图Fig 6 Hybrid electromagnetic vibration energy harvesting structure

Lu C H等人[16]根据呼啦圈的工作原理研制出了一种转动型能量收集器。该收集器由线圈定子、非平衡永磁体转子和中间的转轴组成。外界的直线振动转化为非平衡永磁体转子的转动，通过电磁感应定律收集能量。

静电式振动能量采集器由于需要接入外部电源作为启动电压，限制了其应用，目前研究较少，在拓宽频带宽度和调节频率方面的研究更是很少见，本文就不再叙述。

3 频率可调式振动能量收集结构

由于外界环境中振源的振动频率不是固定不变的，这就需要调节振动能量收集器的固定频率，以适应外界环境的变化。

3.1 频率可调压电式振动能量收集器

可以通过调节振动结构的动力学特性来改变结构振动的固有频率，压电式能量收集器的具体调节方式有改变弹性体的弹性系数，调节质量块的位置等。Calla V R等人[17]提出了一种共振频率可调的能量收集器，其结构如图7所示。

图7 频率可调节的能量收集器结构示意图Fig 7 Structure diagram of frequency tunable energy harvester

该结构在悬臂梁末端设置四块永磁体，通过改变上下永磁体的距离来改变结构的共振频率。Calla V R通过实验研究了一共振频率为26 BZ的压电悬臂梁，在上下永磁体的作用下，频率可调范围为22～32 BZ。Wu X M等人[18]提出一种通过调整悬臂梁上的质量块的位置来实现共振频率调节的振动能量收集器，实验结果表明，通过调节质量块的位置，该能量收集器的共振频率的范围为130～180 BZ。

3.2 频率可调电磁式振动能量收集器

Liu H C等人[19]设计一种面内近似非线性电磁式振动能量采集结构。该结构由一个MEMS能量采集芯片和一个圆柱形永磁体构成。芯片上集成了1个大的弹簧—质量块系统和4个小的弹簧—质量块系统，如图8所示，其中质量块上集成有线圈。小的弹簧—质量块系统作为大的弹簧—质量块系统的驱动力，使之发生非线性振动。非线性振动中弹簧刚度随形变大小而变化，因而，系统的固有频率也随振动幅度大小而变化。

图8 MEMS能量采集芯片示意图Fig 8 Diagram of MEMS energy harvesting chip

4 不同频带宽度的能量收集结构的比较

对三种不同换能方式的结构的优缺点对比如表1所示。

表1 三种能量采集器的对比Tab 1 Comparison of three kinds of energy harvester

5 结束语

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，与其他微能源相比具有寿命长、体积小、无污染等优势。振动能量采集器的发展方向有两个方面：一方面，对单谐振频率能量收集器的结构和参数进行优化设计，提高其各项性能指标，从而使其更快地得到实际应用；另一方面，完善和改进能量收集器的基础原理和仿真模型，拓宽频带宽度，使其能够应用于更宽的频率范围内。综合全文所述，可以通过以下三种方式来拓宽能量采集器的频带宽度：1)增加结构的谐振频率的数量；2)缩小结构的一阶、二阶固有频率之间相差的倍数；3)利用非线性振动。

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方玉明，通讯作者,E—mail：fangym@njupt.edu.cn。

Research progress of vibration energy harvesters with different bandwidth*

WANG Xiao-li， FANG Yu-ming， DING Li-qun， YANG Meng-yuan, NIU Fei， DENG Li-cheng

(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China )

Vibration energy harvester is widely used in power supply of micro-electro-mechanical system(MEMS)devices because of characteristics of small size,long lifetime and high energy density.Three types of vibration energy harvesters with different bandwidth,which are single resonant frequency,wide frequency,and frequency tunable type,are introduced from the aspect of frequency,and advantages,disadvantages,currently situation at home and abroad and future development trends of these structures are systematically introduced.The single resonant frequency energy harvesting structure is the simplest among them and has relatively mature technology,which has been researched for a long time.While broadband structure and frequency tunable structure have become hot topics of research because they are more suitable for external environmental vibration condition.

vibration energy harvester; single resonant frequency; broadband type; frequency tunable type

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0005—04

2015—09—10

江苏省自然科学基金资助项目(BK20131380)；南京邮电大学大学生创新训练计划资助项目(XYB2015519，XZD2015025)；江苏省射频集成与微组装工程实验室项目

TM 919

A

1000—9787(2016)07—0005—04

王小丽(1990-)，女，安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为微机电系统、振动能量采集。