谐振频率转换机制振动能采集器研究进展*

杜小振，张龙波，曾庆良

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

近年来,环境振动能量采集技术研究越来越广泛，其特有的机/电转换性能有望实现为微型传感器、无线传感网络节点等低功耗微电子器件持续供能[1,2]。电池的研发一直滞后于便携式电子设备功能多样化的更新换代，传统化学电池除了广泛普及、技术相对成熟、成本低廉等优势外，同样存在寿命有限需定期更换、温度适应性差、污染环境等缺点[3]。然而周围环境振动场合随处可见，采集环境振动能换能技术的新型微电源未来可替代传统化学电池为低功耗无线传感网络系统提供稳定持久、高效环保能源[4]。

当前研究的环境振动能量采集形式主要包括静电式、电磁式、压电式、摩擦发电效应及复合式等[5～13]，比较各种能量转换形式的特点可知,静电式能量采集器需外加电压源，实用性差；电磁式易受外围磁场干扰；压电式,传统工艺采用的含铅压电陶瓷材料，脆性大易产生应变疲劳，同时铅具有毒性危害人体健康，污染环境[14,15]；摩擦发电效应在微能源领域研究中起步较晚，2012年，美国科学家王中林提出了利用耦合摩擦起电和静电感应原理将环境中极其微小的振动机械能转换为电能，成功研发出了世界首台纳米发电机，其制造工艺相对简单、成本低廉易于批量生产，为未来微能源领域提供新的能量供给模式[16]。当前研究振动能采集形式主要表现为固定频率形式，而环境随机振动多表现为频率低、频域广、振幅小且多方向性，并且受工艺和微电源尺寸限制，目前，研究的大多数环境振动能采集器自身谐振频率较高，不利于在低频振动环境中高效采集能量，鉴于以上特点，需调整拾振结构的振动特性实现频率转换，满足低宽频随机振动环境能量采集要求[17，18]。当前研究拾振结构频变方式主要有接触式和非接触式。

本文分析总结了多种发电装置频率转换结构设计优缺点及其实用性，为拾振型微电源优化设计提供经验。

1 接触式频率转换法

1.1 直接碰撞拾振体进行频率转换

当前多数环境振动能量收集装置采用悬臂梁作为拾振换能结构，尺寸设计过小则装置自身固有频率很大，然而传感网节点周围环境振动频率一般低于100 Hz，二者难以匹配实现高效发电，必须进行频率转换使高频发电装置更好适应低频振动环境。韩国光云大学的Halim M A等人[19]提出了频率转换宽频压电能量采集装置，如图1，低频驱动梁自由端固定长方体质量块，在其正下方适当垂直距离固定两根自由端无质量块的高频压电悬臂梁。装置受到外界振动激励时，质量块随低频驱动梁上下运动碰撞高频压电悬臂梁。外接最优阻抗180 kΩ，施加0.4gn激励加速度，在低谐振频率13.5 Hz下输出峰值功率247 μW。装置可实现低/高频转换并拓宽采集频带8 Hz。新加坡国立大学的Liu H 等人[20]设计了如图2所示压电式MEMS微电源，高频压电悬臂梁和自由端固定质量块的低频压电悬臂梁对向分布固定于上、下硅基底，对其金属封装并上、下固定于中间设置垫片的PCB上。低频压电悬臂梁自由端质量块受环境振源激励，自由振动碰撞高频压电悬臂梁驱使其谐振变形。实验测试结果表明：外界施加0.6gn激励加速度，装置适应环境采集频带30～48 Hz，输出最优功率34～100 nW，满足低宽频振动环境工作要求。

图1 低高频组合梁压电式发电装置

图2 压电式MEMS微电源结构

立陶宛考纳斯科技大学的Dauksevicius R等人[21]设计了多悬臂梁组合式频率转换能量采集装置,如图3，两端竖直基板中间位置横向固定两根谐振驱动梁，对应其上、下位置分别固定两根高频压电悬臂梁，通过多组适当间隔的低频谐振梁相互碰撞驱动高频压电悬臂梁，可实现在低频振动环境下宽频发电。实验测试：激励频率范围10～40 Hz，在1gn激励加速度下两根谐振梁共振频率范围10～30 Hz，装置输出功率范围30～37 μW，有效拓宽采集频带9 Hz。

图3 多梁组合式压电能量采集装置

泰国曼谷国王科技大学的Janphuang P等人[22]设计的旋转式频率转换MEMS微电源如图4，其中,压电悬臂梁、半圆形旋转质量块和齿盘上下依次同轴固定，半圆形质量块旋转带动齿盘与压电悬臂梁端齿发生啮合运动，每次啮合过程中均驱使压电悬臂梁弯曲变形产生电能。当齿盘旋转速度为3～19 rad/s，装置可获得几十毫瓦平均功率输出。同时这种垂直布置可降低装置高度、保证结构紧凑性，适合为智能手表、电子手环等可穿戴式低功耗设备供能。韩国光云大学的Miah M A H等人[23]设计了一种圆柱结构式电磁能量采集装置如图5，其尺寸大小类似于单节普通干电池。圆柱磁铁固定在外壳两端内置弹簧上，同时外壳两端外部缠绕线圈，中间非磁性圆球可在外壳内部通道自由运动碰撞圆柱磁铁，在弹簧作用下两圆柱磁铁高频振动，穿过外围线圈的磁通量变化产生感应交变电流。外接负载电阻16 Ω，施加激励加速度2.5gn，在振动频率15 Hz下装置输出功率227.52 μW。

图4 旋转质量块压电式MEMS微电源

图5 圆柱结构式电磁能量采集装置

直接作用于发电装置拾振结构进行能量采集频率转换来适应低频振动环境，基本通过相互碰撞方式实现，这种结构设计往往会增大装置体积、降低能量密度，持续碰撞拾振体会损失部分机械能,同时产生额外振动噪声，并且直接接触式机械磨损极大地降低了装置工作寿命。

1.2 间接碰撞拾振体进行频率转换

韩国光云大学的Halim M A等人[24]设计了如图6所示手动驱动式频率转换复合能量采集装置，手动驱动模式下顶部非磁性圆球可在矩形通道内来回摆动，压电悬臂梁中心位置上方固定弧度质量块，下方固定圆柱磁铁，感应线圈位于磁铁正下方。顶部圆球来回摆动挤压弧度质量块，间接驱使压电悬臂梁自由振动，同时圆柱磁铁与线圈相对运动。在手动驱动频率5 Hz下，压电和电磁发电各自输出峰值功率0.98，0.64 mW。Halim M A课题组[25]还提出了通过碰撞两侧柔性壁间接作用于压电悬臂梁冲击力进行频率转换，结构设计如图7所示，中间金属球可在两端通口圆柱通道内自由运动，每次碰撞柔性壁均将冲击力传递给压电悬臂梁，驱使其变形产生电能。实验测得以手动驱动频率4.96 Hz摇晃发电装置实物原型，可输出峰值功率175 μW。

图6 手动驱动复合式能量采集装置

图7 频率转换压电式能量采集装置

通过挤压弧度质量块或碰撞柔性壁间接作用于压电悬臂梁，相互之间冲击力将环境低频振动驱动转换为发电装置高频谐振发电，避免对悬臂梁直接接触碰撞磨损，减小振动噪声，延长系统寿命。

2 非接触式频率转换法

2.1 驱使振动体形变进行频率转换

韩国西江大学的Jun S M等人[26]提出了如图8所示机械式频率转换能量采集装置，两根细长柔性梁共用中心大质量块，其底部粘贴两根自由端固定小质量块的压电悬臂梁。装置受到外部环境激励超过细长梁稳态阈值加速度，此时压电悬臂梁随柔性梁中心质量块上下运动产生谐振，将环境低频激励振动转化为压电悬臂梁高频能量采集振动。在30 Hz谐振频率下，输出峰值功率131 μW，有效拓宽工作频带15～40 Hz。同样来自韩国西江大学的Han D等人[27]也提出了类似频率转换结构，如图9所示，中间柔性驱动梁两端连接柔性侧壁，压电悬臂梁固定于柔性驱动梁中心质量块上。当外部激励加速度超过柔性驱动梁稳态阈值加速度时，质量块上下运动过程中带动两侧柔性壁扩张或收缩，施加冲击力于压电悬臂梁驱使其形变。在激励加速度0.5gn，振动频率15 Hz下，装置可输出10 μW的峰值功率。

图8 机械式频率转换压电发电装置

图9 采用柔性侧壁频变结构的压电能量采集装置

韩国梨花女子大学的Ju S等人[28]利用蹦床效应设计了如图10所示的低频能量采集装置，顶部腔室内放置永久磁性圆球，两端S型弹簧提高磁球碰撞弹速。往复运动的磁球可实时对底部磁电复合材料提供垂直变化的磁场，根据其形状记忆效应，变化的磁场控制上、下磁性形状记忆合金(MSMA)层发生形变并驱使中间MFC(一种柔韧性压电材料)层变形产生电能。在手动驱动模式下，装置输出峰值开路电压11.2 V，外接负载电阻50 kΩ,输出功率0.57 μW。韩国西江大学的Jang M等人[29]设计了用半圆形壳式悬臂梁替代传统平板悬臂梁进行频率转换的压电能量采集装置，如图11，壳式悬臂梁固定于基座作为驱动梁，其自由端质量块上固定压电悬臂梁。当外部激励加速度超过驱动梁阈值加速度，此时驱动梁会随质量块向下弯曲运动，激励加速度反向时驱动梁则停止运动将冲击力传递给压电悬臂梁驱使其弯曲变形。实验测得在振动频率20 Hz下输出峰值功率101 μW。

图10 基于蹦床效应的频率转换低频能量采集装置

图11 半圆形壳式驱动梁压电能量采集装置

驱使振动体形变也可实现发电装置能量采集结构谐振频率低、高频之间转换，避免了与拾振体相互碰撞，从而提高了装置工作寿命。由于需要满足较大振动结构形变空间往往整体结构设计不紧凑，导致装置体积过大，降低能量密度，同时结构设计的特殊性也决定了此类发电装置一般仅适用于低频大振幅且振动方向固定的场合。

2.2 磁力耦合作用进行频率转换

英国帝国理工学院的Pillatsch P等人[30]设计了旋转式MEMS压电微电源，如图12所示，绕中心轴旋转的偏心盘转子质量块外边缘固定永久磁铁，自由端同样设置了永久磁铁的压电悬臂梁，固定于外盖下表面且正对转子质量块磁铁。装置体积约5 cm3，直径30 mm，约为一英镑硬币尺寸。转子质量块持续旋转速度20 m/s2，激振频率2 Hz时装置输出峰值功率43 μW。韩国全南国立大学的Wu X和Lee D W[31]提出了如图13所示非接触式磁力耦合宽频发电装置，悬臂梁采用折叠结构设计减小尺寸空间并提高应力分布。低高频聚偏氟乙烯(PVDF)悬臂梁通过自由端磁铁组相互耦合，无论激励频率过高或者过低，这种频率转换机制均可提高两组PVDF悬臂梁的能量采集效率。外接负载电阻50 kΩ，在30 Hz激励频率下，低、高频PVDF悬臂梁分别输出功率7.2，11.25 μW，满足低功率无线传感网络供能需求。

图12 旋转式MEMS微电源结构

图13 折叠式悬臂梁磁力耦合宽频发电装置

巴西圣保罗大学的Olympio Raul B等人[32]同样提出了对压电悬臂梁施加磁力耦合作用进行频率转换，如图14，在压电悬臂梁自由端磁铁质量块相对位置设置竖直阵列磁铁组，对压电悬臂梁施加非线性磁力作用。装置外接负载电阻并固定于衣服口袋内，在人体步行频率2 Hz和跑步频率3 Hz下测试，分别输出功率12.7 mW和5.3 mW。美国密歇根大学的Galchev T等人[33]设计了如图15所示的低宽频压电发电装置，固定磁铁质量块的螺旋式压电弹簧梁分别位于装置顶部和底部，中间悬浮弹簧固定钨质量块，分别与顶部和底部磁铁质量块发生磁力耦合作用，驱使压电弹簧梁谐振形变。在1gn激励加速度下，装置输出峰值功率100 μW，有效拓宽采集频带24 Hz。

图14 非接触式磁力耦合压电能量采集装置

图15 螺旋式弹簧梁低宽频压电发电装置

土耳其中东技术大学的Zorlu O等人[34]设计了如图16所示的低、高频转换电磁式MEMS微电源，底部高频隔膜上表面设置平面线圈四周通过聚对二甲苯微型悬臂梁与基底相连，平面线圈中心区域镀有镍层，正对顶部低频隔膜下表面固定的磁铁质量块。磁铁随低频隔膜运动对中间镍层施加磁力作用驱使高频隔膜振动，同时磁铁与平面线圈发生相对运动产生感应电流。外接负载电阻10 kΩ，在0.6gn激励加速度下，装置输出峰值电压和功率分别为6.94 mV和8.1 nW。

图16 低高频转换电磁式MEMS微电源

引入磁铁与拾振结构进行磁力耦合实现频率转换可减小发电装置整体尺寸、简化结构提高紧凑性，更好适应随机振动多变的复杂环境。同时由于非线性磁力耦合特性作用，还可实现装置能量采集谐振频率转换调节的连续性，提高装置在低宽频随机振动环境下的实用性。此外,磁铁的外辐射磁场会干扰其周边近距离电子元器件的正常工作，因此,若不能解决磁干扰问题，该技术的应用将会受到一定程度的局限性。

3 环境振动能采集微电源的研究趋势

环境振动能采集微电源因具备工作寿命持久、可靠性高、环保无污染、微型易集成等特性。其实用化研究过程需要解决微电源拾振结构自身谐振频率与环境振源激励频变匹配、采集振动能机/电转换效率、优化能量储存管理模块等问题[35～37]。

环境随机振动激振频率较低且不稳定、振源多方向性，微电源结构设计能够适应复杂环境。当前研究的振动式能量采集发电装置在尺寸微型化的同时自身谐振频率较高，与周围环境振源激励频差较大，频率不匹配问题降低了发电装置的机/电转换效率。需拓宽发电装置的能量采集频带，实现微电源自适应低宽频随机振动环境多频段发电；研制新型高性能无铅压电材料替代传统压电陶瓷材料[38]，改进微加工工艺，在结构紧凑基础上融合多种换能形式，提高微电源机电转换效率；为了实现环境振动微电源对低功耗系统直接供能，需设计优化电源储能管理模块对采集到的能量进行转换储存,实现完全自主供能微系统结构。

4 结束语

环境振动能采集微电源应用于低功耗微机电系统自供电，其特有供能优势有望成为微能源领域重要补充。当前研究的微型发电装置在实际应用过程中存在机/电换能效率低、环境适用性差等不足，如何提高其高效实用性仍为待攻克的研究难题。直接或间接碰撞拾振体振动稳定性差，造成工作寿命短；振动体形变的频率转换结构空间体积大，能量密度低，与自供能系统微型化研究相矛盾；磁力耦合调频可有效缩减装置体积，实现连续调频，但存在磁干扰问题。优化微电源结构设计达到多频段、多方向适应环境振源改进传统型发电装置仅单频谐振高效发电不足、深入微加工工艺研究并提高微组装技术、与电能储存管理模块智能化匹配等方面仍将是以后的研究重点。

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