压电式能量收集器发展现状及产品研究

李　旭

（中粮营养健康研究院有限公司，北京102209）

0　引言

过去几十年，便携式电子设备和无线传感网（WSN）得到了快速发展，其在人体健康检测、环境监测控制、军事安全、动物追踪、智能楼宇、智能家居等方面得到了广泛的应用[1]。一直以来，这些器件依靠传统的化学电池提供能量，然而化学电池相对于微电子器件体积较大，需要长时间提供能量的无线传感器需要定期更换电池。这不仅给无线传感器带来很多不便和经济负担而且还造成环境的污染。有些场合，比如嵌入在动物和人体内的电子设备更换电池相当困难[2]。化学电池固有的缺点限制了便携式电子设备和无线传感网的应用，成为其发展的瓶颈之一。为了解决这一问题，除了研发高性能的电化学电池外，越来越多的学者将目光投向从环境中收集能量为微电子器件供电，以取代传统电池[3-7]。能量收集器作为能量收集的器件可以从环境中收集不同类型的能量，如静电、太阳能、射频辐射、机械振动等。机械振动在自然界无处不在，具有较高的能量密度，使得基于机械振动的能量收集器具有可以长期供电、不易受天气和应用场合限制等优点，从而越来越成为一个备受关注的研究领域[8-9]。机械振动转化为电能的方式有三种：电磁式、静电式和压电式，各有优缺点。压电式能量收集器具有结构简单、高能量密度[1 0]、寿命长、可以与MEMS兼容等优点，最近几十年得到快速发展，成为最具潜力的能量收集器件之一。伴随着智能化设备的普及、物联网的快速发展以及便携式电子设备的推广，能量收集器件和系统的需求进一步增加，国际上相关科研机构和公司纷纷投入巨资进行能量收集器的研究与开发，从材料、结构、采集电路等影响压电能量收集器的性能关键因素突破，来满足日益增长的市场需求。本文主要对比归纳了压电式能量收集器的应用领域、研发机构和上市产品。然后对压电式能量收集器未来的发展趋势进行了深刻的探讨。

1　压电式能量收集器关键技术国内外研究现状

1.1　工业应用

智能道路中大量的传感器件以及交通工程中各种信息板、信号灯、反光路钮等都需要能量供应，因此铺面技术的发展对道路能量收集技术也有广阔的需求[11]。

2008年以色列的Innowattech公司与海法理工学院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统Innowattech Piezo Electric Generator（IPEG）。采用该能量收集系统，交通量为600的一条双车道道路上能产生0.4以上的电量，可支持400~600户家庭的日常用电。

Innowattech[12]采用的压电装置包括嵌入在粘合剂多个PZT材质压电杆，将这些压电装置进行阵列，嵌入在道路中可以收集人行道、公路、铁轨、飞机跑道振动所产生的能量，并将这些能量应用于为各种信息板、信号灯、反光路纽、路灯、电动车充电站等多个装置的供电。此外，还可以将压电装置嵌入在工厂设备的基座下，用以收集设备在运行过程中振动产生的能量，并将能量应用于其他设备的供电。如图1所示。

图1　Innowattech公司能量收集系统

1.2　物联网、无线传感网领域

如今人类正跨入物联网时代，智能化的设备装置都将实现互通，其中无线传感器组网是实现物联网的关键技术，而它的发展却受到电源供电的很大限制，为实现真正的无线组网，应该为其配备自供电模块，压电能量采集器便能实现这一目标。

MicroGen Systems公司（下称“MicroGen”）去年于美国伊利诺伊州罗斯蒙特举办的“Sensors Expo and Conference”展览会（会期为2013年6月5日至6日）上宣布：振动能量收集器 BOLT Power Cell实现了一款实时无线传感器网络（WSN），其采用凌力尔特（Linear Technology）公司的Dust Networks LTC5800-IPM SmartMeshTMIP片内微尘。凌力尔特微尘由MicroGen的压电式微机电系统（压电式 MEMS）振动能量收集器或微功率发电机（MPG）技术进行供电。

1.3　日常便携式电子设备

随着现在电子设备功耗越来越低，能量收集器所输出的功率可以满足电子设备的功率要求，进而代替传统的电池能源。可携带电子器件在过去几十年得到了快速的发展，在人类各个生活领域得以应用。早在1998年，MIT就利用PVDF制作了压电发电鞋，它们采用的是一种PZT压电材料，由于这种材料为脆性材质，不能弯曲，因而研究者将PZT压电器件安置在一个附属装置里，并间接地将人行走时的能量转换为电能[13]。如图2所示。

图2　MIT研发的压电发电鞋

Granstrom等利用PVDF作为背包的肩部背带，当人行走时，肩部产生的力传给背带，背带就会把这种力转换为电能。该能量收集装置的压电器件采用的材质为2024-T351 Aircraft grade aluminum，结构采用柔性结构，输出平均功率为0.176 mW.见图3.

图3　压电发电背包

Paradiso和Feldmeier等[14]人在2001年发明了一种按钮发电机，将手按压时产生能量转换为电能。MIDE公司将压电能收集器应用于日常无线鼠标中，代替传统电池为无线鼠标进行充电，其原理为通过压电材料，将人在滚动鼠标中间滚轮时所产生的运动收集起来转换为电能，并反过来为鼠标进行充电。

丹麦Danfoss PolyPower[1]公司开发出一款名为“stretch sensor”的运动腕带，能够在使用者进行运动或从事体育活动时采集能量，所采集的能量可为腕带中的感测器供电，为用户提供有关其运动的讯息至无线装置上。该公司表示，这款穿载式的腕带有助于用户改善在运动中的表现，让他们在跑步时知道自己的步伐，或协助用户在打高尔夫球时确认挥杆的手肘角度是否正确。此外，这款具弹性的感测器还能用于其它应用中，例如测试混凝土钢架的结构是否正常或测试地下储存室的压力以采集风能。Danfoss还表示，这项技术未来将用于从海洋波浪中采集能量，该公司目前正致力于开发可实现这一目标的材料。

纽约新创公司Uncharted Play[2]开发出一款称为SOCCKET的足球原型，可在足球被踢出或抛开时撷取所产生的动能，并将能量储存在足球内建的电池中备用。该设计可用于发展中国家一些常常缺乏足够照明电力的地区。SOCCKET采用柔软的塑料制成，触感就和足球一样，足球内部还建置了一款可随足球动作摇摆的能量采集器。透过内部电路板将动能转化为电能后，再储存于电池中，即可用于小型电子产品中。踢抛SOCCKET足球半小时的时间大约可维持至少三小时的灯光照明。

1.4　生物医学领域

人体植入式电子设备供电，如人造耳蜗麦克风、植入式助听器，埋藏式心脏起搏器（ICD）、心脏除颤器（AICD）、心脏再同步化治疗设备（CRT）。人体植入式电子设备目前大部分采用电池进行供电，但有些装置体积小不能容下电池，如人工耳蜗，而且电池的使用寿命严重影响电子设备的使用。

通过基于心脏跳动压电能量收集器，可以将心脏的跳动能量转换为电能，为埋藏式起搏器、AICD、CRT供电，无需电池和其他附属机械设备、导线等等，可以作为病人的终身携带设备。早在1969年，美国就有一项专利提出利用一种小型压电悬臂梁收集人体心脏跳动时产生的能量。美国专利US20130226260中提出了一种利用心脏振动能量的能量收集系统，该系统类似于一个能量存储“卫星”，由嵌入式电路、控制器、电容、多个弹性压电陶瓷片（“小叶”）构成，压电陶瓷采用悬臂梁结构[15]。

除此之外，密歇根大学、UC Berkeley（加州大学伯克利分校，MEMS研究室、Southampton（南安顿大学），国内重庆大学、清华大学、华中科技大学、南京航空航天大学、台湾积体电路制造有限公司也在能量收集方面也做了很多工作。值得一提的是北京大学已经制备出微型复合式低频宽频带能量收集器，但是目前来看，国内的研究水平不论是从材料还是结构、工艺等方面都与国外有着很大的差距。造成这种情况的原因是多方面的，笔者认为国内在该领域的研究起步较晚，积累较少，加之国内科研经费投入相对较少造成实验条件有限也是造成这种状况的原因之一。虽然最近几年，国内许多高校和科研单位开始投入大量人力物力搭建实验平台，许多科研人员投入大量精力在MEMS领域，微机械加工有了长足的进步，但依然任重道远。单单就能量收集器而言，目前国内还没有一家单位制成产品投入市场，依然需要不懈的追赶。

表1对以上所述压电能量收集器在各个领域的应用，世界各大科研机构、企业及其相关成果与产品进行总结与对比，以供读者参考。

表1　压电能量收集器的应用

2　压电式能量收集器发展趋势

（1）理论方面。目前，压电能量收集器建模主要基于线性模型，非线性振动模型还停留在概念上。基于非线性振动理论建立收集器精确的数学模型以满足实际需求是大势所趋，这一方面需深入研究。另外，对一些材料如弛豫型铁电单晶等的压电机理需要深入研究，建立压电材料精确的等效电路模型是提高收集效率的关键。

（2）器件设计方面。压电材料是压电能量收集器的核心，不管是现在还是将来压电材料的研究必是一个热点。一方面研究人员将探索新的高新能材料；另一方面也将着力研究现有材料的压电性能。器件结构和收集电路也对压电能量收集器的性能有重要影响。为了适应各种振动环境、提高收集器的转换率，宽频带、多方向、频率可调式的器件结构和稳定可靠、耗能小、效率高、适用性强的收集电路将备受科研工作者关注。

（3）应用领域方面。目前能量收集器比较成熟的应用领域是便携式电子设备，其他领域则涉及较少。然而，其他领域如：航空、航天、生物植入器件等急需高性能的能量收集器件。研究应用于高温、高压、强辐射等极端条件的能量收集器已经受到各国的重视；研发生物相容性好的植入在人体内的能量收集器也将备受关注。