压电陶瓷电能捕获发展现状与展望

汪 涛，张丽丽，龙祖祥，杨雪锋

（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学大学生创新训练中心，江苏 徐州 221116）

1 引言

5G技术的发展，使得物联网技术的应用日趋广泛，人们对于传感器技术的研究也日益增多。在过去的二十年中，无线传感器技术已经在理论和应用方面得到了巨大的发展，该技术的出现以及相关的实践成果对我们的日常生活和工业的各个方面产生影响，如污染监测，精准农业等[1]。目前，绝大多数的传感器节点采用的是传统化学能源供电[2]，但化学电池存在更换困难、污染环境等缺点，这直接影响了传感器节点在物联网中的成本和生命周期[3]。由于低功耗无线传感器有着巨大的优势[4−5]。

因此从工况环境中获得电能成为目前一个主要研究方向。振动能量广泛存在于各种工况，如果能对振动能量进行采集，并给无线传感器进行供电，将会极大的延长传感器的使用寿命。

文献[6]对包括太阳能，温差能，振动能等在内的多种环境能量进行了比较，说明了从环境振动中采集能量为小型无线传感器节点供电是可行的。目前将环境中的振动转变成振动的装置主要有三类：电磁式[7]，静电式[8]，以及压电式[9]，而压电式能量采集器可以产生最高的输出功率[10]。

压电陶瓷因为价格低廉，稳定可靠，故常被作为压电元件使用。文献[11]采用锥形悬臂梁压电陶瓷利用环境中的振动能量为湿度传感器节点供电，采集湿度信息。文献[12]采用压电陶瓷收集风能，为风速传感器和无线射频发射器供电，分能转化效率高达18%，远高于常规发电机。由于压电陶瓷电能捕获有结构简单、无污染、能量密度高、免维护和寿命长等优点，目前在国内外对其在传感器自供电方面有着众多的研究[12−14]，具有较广阔的应用前景。

2 压电陶瓷的研究与应用

目前，国内外对于压电陶瓷电能捕获技术的研究越来越多，已有很多相关成果被应用于实际工程中。例如，文献[15]将收集振动能量的压电装置集成到鞋底或者表带中，从而为可穿戴设备进行供电。文献[16]提出了一种适用于无源无线传感器节点的分布式低功耗网络通信方案，设计并制作了一种基于振动能量收集装置的无线传感器用于有轨车辆状况的实时监测，提高了检修的效率。但是对于这项技术的研究更多的是处于实验设计阶段，若要进行更广泛的商业化应用，仍然有很多技术瓶颈有待解决。目前就振动能量采集研究前景主要有如下几个方面。

2.1 非线性振动能量采集器的研究

目前振动能量采集装置往往针对的是线性振动模型，即通过调节采集装置使之与振动体的共振频率相一致，从而获得较大的输出功率，但是由于实际环境中的振动往往是非周期、低频和宽频的激励，这就使得许多采集装置无法工作在共振状态，从而在实际应用中采集效率不高，为了解决这个问题，研究人员提出通过非线性振动来获得较宽的振动频率范围[16−18]。由于非线性振动能量采集相关技术的研究还相对于较少，理论不够成熟，还处在初步阶段，所以有待进一步研究。

2.2 接口电路的研究

振动能量被采集后，通常输出的功率和电流较低，电压随机不稳定，需要经过整流电路才能够对相关设备进行供电，但是现有的桥式整流电路存在自身耗能高，转换效率低等问题。因此，一种低能耗、高效率的接口电路对采集效率提高有着重要意义。国内外已经有了一些研究，文献[19]设计了一种用于无线供电的低电压生物医用植入体的新型全波CMOS整流器，使得整体功率效率和低电压降方面得到了显著的提高。文献[20]设计了一种非线性开关匹配电路，以非线性的方式提高了复合换能器功率的匹配输出，使得输出提高2.1倍。除此之外，在一些时候，为了提高发电量，有时需要联接几个压电元件一起使用，而这个毫无疑问会带来部分的损耗，如何合理的设置电路以此来减少这种损耗也值得关注。

2.3 采集装置的实用化研究

从目前的研究来看，实验设计的压电能量采集装置已能产生毫瓦级别的功率，能够为低功耗的无线传感器进行供电，但距离使用实用化还有很多的研究需要进行。首先是微型化的研究，现有能量采集装置为实验研究方便，往往体积较大，往往体积较大，但为了提高能量的利用效率，传感器有朝着小型化发展的趋势，有的甚至达到微纳米级别，这就要求能量采集装置能够被加工到微纳尺度，并收集可观的振动能量。其次是集成化的研究，现有的研究工作偏向于设计新型的能量采集装置以提高采集效率，但能否将采集装置与接口电路结合，甚至与传感器集成为一个微机电系统，对于一款实用化的产品很重要。最后是寿命的问题，现有采集装置专注于提高发电性能，但对于这个采集装置能工作多久，会有怎样的生效形式，研究甚少，若要使用采集装置替代化学电池进行供电，则工作寿命非常关键。

3 基本原理及相关技术分析

3.1 发电原理

压电陶瓷是一类由带电晶体组成的还具有压电特性的陶瓷材料，当其在高压电场极化作用下时，晶粒的极化矢量方向发生变化，使得压电材料电荷中心发生偏移，在电场取消之后，宏观上仍会有部分剩余极化效应存在，使陶瓷能表现出压电特性[21]。当极化处理后的压电晶体材料两端受到机械压力时，内部会产生极化，其两表面上会产生电荷聚集从而形成电压，电荷量与所受机械力成正比，也随机械应力方向变化而变化，当外部力撤离时，材料表面的电荷与电势也会消失，恢复到不带电的状态[22−23]，这就是压电效应。电介质在电场作用下电极化程度可用电极化强度来表示，电极化强度p是单位体积内电偶极矩的矢量和，得：

式中：p—极化强度；∇V—任意微元体微元体的体积；q—的此微元体的电偶极矩，由此可得其电学与力学的特性联系。当所受应力相对较小时，应力近似与极化强度成线性关系：

式中：P—极化强度；σ—应力；ε—压电应变常数。

压电效有正压电效应和逆压电效应两个方面[24]，逆压电效应是指在压电晶体施加一电场，压电晶体产生的极化现象，同时压电材料发生形变。压力发电主要应用正压电效应，依靠压电陶瓷吸收基体振动产生的能量，实现对电能的捕获。

3.2 发电模式

压电陶瓷电能捕获结构具有多种耦合工作模式，这也是影响其能量采集效率的重要因素。根据压电材料的三个独立的压电应变常数，有三种压电耦合工作模式d31模式，d33模式和d15模式[25]，如图1所示。

图1 压电材料不同发电模式Fig.1 Different Generation Modes of Piezoelectric Materials

理论上，压电陶瓷在d15工作模式下的电能转换效率最高，但d15工作模式是基于压电陶瓷产生的扭转变形，这在实际环境中获得比较困难，所以其研究和应用较少。d31模式是指压电材料的极化方向与引起应变的应力方向相互垂直，常用在悬臂梁结构中；d33模式是指压电材料的极化方向与引起应变的应力方向相同，常用在压电元件被挤压的场合，如堆栈结构中。

文献[26]研究表明，虽然d33模式耦合系数更高，但由于其结构刚度大，在相同作用力下，形变量较小，输出功率比d31模式的悬臂梁结构低两个数量级，而且d31模式有更好的顺应性，共振频率更低，在低频振动环境中电能捕获效率更高。文献[27]对d33模式下压电元件进行研究表明，当压电材料在d33模式下时，输出功率与介电常数以及机电耦合系数成正比，较大的介电常数、机电耦合系数和较小的刚度有利于提高输出功率和能量采集的效率。因为应用环境大多是低频环境，为了更好的实现频率匹配，d31模式应用相对更为广泛。

3.3 多层压电振子结构

由于压电材料本身比较薄，刚性一般，变形较大时易发生脆断，所以通常压电材料会与一些金属弹性体组成压电振子，在振源激振作用下产生共同振动，获得较大形变，产生电压。单层压电振子发电量较少，采集输出电流较低，往往不足以满足负载供电需求，采用多层压电振子并联或串联的结构可以使得单位体积压电结构采集的能量提高。双层压电振子串联或并联的结构，如图2所示。

图2 双层压电振子的串联和并联Fig.2 Series and Parallel Connections of Double Piezoelectric Oscillators

实验研究表明[28]，压电悬臂梁结构中，与单层压电振子结构相比，双压电层串联后的输出电压加倍，而双压电层并联之后的输出电流增加了一倍，但电压几乎不变。所以通过压电片的电路并联可以增大输出电流量，优化电流输出特性，使压电发电装置试用范围增加。对于多层压电层并联结构，文献[29]研究后得出，当压电材料厚度相同时，压电材料分层越多，其电流增加，电压减小，输出功率等于电流与电压的乘积，所以输出功率与层数并非简单的线性关系，因此，实际应用中压电层数的选择应结合负载所需的电压和电流大小进行设计。

3.4 支撑结构

不同的支撑结构对于压电陶瓷电能捕获的效率以及使用寿命都会产生影响，目前压电式能量捕获装置的支撑结构主要有简支梁结构、悬臂梁结构、钹型结构、螺圆桶形结构、旋装结构等。其中悬臂梁结构因其实现方便、效率较高、技术较为成熟，目前应用最为广泛。

悬臂梁结构的压电振子一端固定，另一端为自由端，如图3所示。这种结构对能量收集效果较好，谐振频率较低，且易于实现。通过ANSYS仿真分析发现，在相同厚度比时，三角形型式悬臂梁压电结构的输出电压和固有频率均最大，梯形型式次之，矩形型式最小[30]。由于三角形和梯形悬臂梁的宽度随力臂长度的增加而线性减小，所以应变分布更为均匀，对于同种压电材料，比能量更大，所以在较低频率振动环境中可以采用矩形压电振动悬臂梁。当振动环境频率较高时，采用三角形等变截面宽度型压电悬臂梁可以提高能量收集效率。文献[31]利用软件对悬臂梁压电系统进行仿真，研究了不同模态条件下，压电片布置位置和长度对于悬臂梁结构压电陶瓷电能捕获装置捕获效率的影响，指出当只考虑一阶模态时，悬臂梁的根部为压电片布置的最优位置。当同时考虑多阶模态的控制时，将压电元件布置在悬臂梁中部附近位置或悬臂梁固定端，此处较大应变较大，能取得较好的控制性能，提高电能捕获效率[32]。

图3 悬臂梁结构压电装置Fig.3 Piezoelectric Device of Cantilever Beam Structure

简支梁结构为两端支撑中间悬空的结构，如图4所示。简支梁结构便于使用垫块进行固定，结构耐疲劳性好，与悬臂梁相比，在同等压力下，形变量较小，使用寿命更长，稳定性更好，但其输出的电能较小。文献[33]对不同跨距支撑点的简支梁压电结构进行测试，分析得出，压电片的输出能量受形变压电片的体积与压电材料的最大形变量两方面的影响，跨度减小时形变增大，局部应力也增大，但发生形变的压电材料体积反而减小，因此支撑点间的不同跨度对输出电能的影响比较小。文献[34]设计了一种利用滚动轮胎内机械能的新型振动压电发电机，采用两端浮动支撑和激振质量固定在中心的简支梁结构，提高了其鲁棒性和功率输出。

图4 简支梁结构压电装置Fig.4 Piezoelectric Device of Simply Supported Beam Structure

钹形（Cymbal）压电支撑结构由两钹形金属帽夹一压电元件构成，具有阻抗低、弯曲变形大、承载能力高等优点，被广泛用于驱动器系统设计，它由两拱形金属帽中间粘结压电陶瓷片而组成，如图5所示。

图5 钹形结构压电装置Fig.5 Piezoelectric Device with Cymbal Structure

文献[35]实验研究表明，钹形压电支撑结构的应力分布比传统堆叠装置更均匀，使得其产生压电效应的有效面积更大，采集装置的捕能效率更高，同时钹型换能器可将有效压电常数增强40倍，其对振动应力有高耐受性。文献[36]利用有限元理论对钹形压电换能结构进行了建模分析表明，金属帽内腔底径和压电陶瓷厚度越大时，输出电压越高，而金属帽厚度和内腔顶径越大，输出电压越低，其基振频率也易受上述参数的改变而改变。

除上述几种比较常见的支撑结构，研究人员也正在积极探索一些新型结构。文献[37]采用微加工设计一种新型S型曲折悬臂，降低了悬臂的刚度以实现较低的共振频率，振动由线性振荡变成非线性冲击振荡，扩展了频宽。文献[38]对一种用于收集旋转振动源的极化陶瓷圆柱形压电壳结构进行分析研究，得到输出功率密度与驱动频率、负载的关系。发现输出功率密度对驱动频率和负载很敏感，在小负荷下输出功率密度随频率线性增加并达到最大值，在大负荷下单调下降。

3.5 几何参数以及形状

当悬臂梁振动频率接近共振频率时电能捕获效率最高[39]，压电陶瓷的几何参数会影响悬臂梁的共振频率，从而会影响到能量采集装置的能量输出。文献[40]通过Ansys分析得出：悬臂梁的共振频率与长度是成负相关的。共振频率与宽度虽然是正相关，但是相关系数很小，而厚度与共振频率是成正相关。文献[41]在研究十字形能量采集装置的发电特性时，通过实验证实了上面的结论。文献[42]通过实验验证，单晶压电振子的开路电压随长度的增加而增加。

由于矩形压电陶瓷易于制造，便于实现，所以矩形悬臂梁得到了广泛的使用。但是矩形梁沿长度方向的应力变化是不均匀的[43]，这就导致它对能量的采集效率较低。为了提高输出效率，研究人员开始对其他形状的压电振子进行研究。文献44]对几种均匀宽度但形状不同的梁进行了研究分析，得到长度—应变曲线，如图6所示。可以看出，三角形梁的应变分布更加均匀。文献[45]对矩形梁，三角形梁，梯形梁进行了对比实验，发现三角形梁共振频率较低，在较低的激振频率下，能获得最高的形变量和输出电压，从而获得更多的能量。据此，我们可以使用三角形的悬臂梁来替代传统的矩形梁，从而获得更加理想的能量采集效率。

图6 不同形状压电振子长度−应变曲线图Fig.6 Length−Strain Curves of Piezoelectric Oscillators with Different Shapes

为了便于应用，文献[46]针对V形梯式悬臂梁的固有频率进行了研究，推导出了一个基于Rayleigh−Ritz方法计算V形悬臂基本共振频率的公式。利用该分析公式，计算结果与模拟结果吻合良好，几乎没有相对误差（小于3%）。另外，还有研究人员提出了一些不同形状的悬臂梁，文献[47]研究了S形能量采集器的发电性能，发现对于相同的输出电压，S形悬臂梁夹紧端附近的正应力低于矩形悬臂梁中的正应力，因此可以预估出S形悬臂梁的使用寿命大于矩形悬臂梁的使用寿命。文献[48]对基于E型悬臂梁的能量采集器进行了仿真分析，发现增加悬臂梁的分支数可以提高被采集振动能量的带宽，也就是说，可以收集更多的能量，从而提高能量采集效率。

4 发展趋势

4.1 实现独立的微能源器件自供电

MEMS作为新时代的一个重要发展方向，虽然压电陶瓷发电为微瓦到毫瓦级，但对于很多微电子器件，这些发电足以为其正常运行供电。目前很多微传感器的供能主要采用化学能源和有线电源，有线电源供电布线复杂，对于多节点系统易增大故障率和维修难度；目前主要发展方向为无线传输传感器，无线传输传感器主要采用化学电池供电，化学电池有更换不便、污染环境等缺点。压电陶瓷作为一种清洁的自供电传感器或供能器件，可以很好利用振动或者形变的能量，为传感器供能，提高系统可靠度和降低系统成本，也必将推动电子技术、计算机技术和MEMS技术的进一步发展。

4.2 可穿戴设备供能

互联网的迅猛发展，让智能可穿戴设备逐渐成为引领电子消费的新热点，智能可穿戴设备意味着人智能化的延伸，使人们更好的感知外部和自身的信息，实现了人与机器数据的无缝交流，设备应用范围渗透到人们生活各个角落，但其续航能力并不理想，因此其供能技术也日渐受到关注，成为推动其发展的重要环节。人体每天运动所产生的能量收集足以为产品供能，相比于其他供能方式，自供能方式可解决电池便携性和续航能力的冲突，目前智能穿戴设备的自供能主要有光能、振动能和热能等方式，相比于光能和热能，振动能的收集成本更低。

压电陶瓷作为振动能收集的主要形式，对于智能穿戴设备的自供能有重要意义。目前智能手环、智能鞋子、智能服饰都有采用压电材料进行振动能量收集的研究，其中智能鞋子技术已经相对较成熟。人体振动相比于工业振动频率区别较大，人体振动能量收集主要集中在低频振动区域，因此，压电陶瓷对于低频段振动能量采集的研究对于智能穿戴设备的自供能具有重要意义和研究价值。

4.3 与旋转机械相结合实现供能

对于大部分旋转机械，都存在振动现象，大部分旋转机器工作时会进行动平衡处理来达到降振和减少零件疲劳损伤的目的，但通常其动平衡精度一般会与其转速和功率成正比，所以即使旋转机械进行了动平衡，但其所产生的振动能仍很大，完全可满足大部分仪器设备的供能。例如在一些矿山机械的振动能量收集即可满足矿井下很多供电不便的许多仪器的自供能。目前在此方面的实际应用相对较少，但其也是压电陶瓷电能捕获一个重要发展方向。

4.4 高频宽振动的电能捕获

当系统与周围环境发生共振时，压电振子振动幅度增大，电能捕获效率显著提高。目前压电陶瓷主要应用于高频振动能量的采集，在低频振动采集效率很低，但低频振动在生活广泛存在，提高系统在低频振动环境的捕获效率有很大意义。为了提高振动能量捕获频宽，目前主要通过对系统的共振频率进行调整，主要有主动式自调整和被动式自调整。主动式自调整通过外加电压或者电容，由其产生的外加驱动力对系统共振频率进行调整，调频效果较好，但需要外加驱动造成额外的能量输入；被动式自调整主要通过对结构进行设计优化，使得系统共振频率能适应环境变化，通常被动式结构较为复杂，体积较大，也会带来额外的机械磨损和能量损失[49]因此，研究发展体积小、捕获效率高、捕获频带宽的压电陶瓷电能捕获系统是一个重要发展方向。

5 结束语

压电陶瓷作为一种新型绿色能源，具有无污染，能量密度高，寿命长，环境适应性强在微功耗电子元件、无线传感网络等领域有很好的应用前景。目前研究主要集中在非线性振动、接口电路和实用化等方面，目的在于提高电能捕获效率和扩大应用范围。不同的发电模式、支撑结构以及压电振子的结构和几何形状都会影响到压电陶瓷的电能捕获效率，随着对相关参数的优化电能转换效率不断提高。此外，压电陶瓷在微能源器件自供电、可穿戴设备供能、结合旋转机械供能以及高频宽振动电能捕获等领域具有巨大潜力，是未来的主要发展方向。