12压电薄膜能量采集-eTouch
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日第34卷第18期；ModernElectronicsTechniq；现代电子技术；Sep.2011Vol.34No.18；压电式振动能量采集装置研究进展；李金田1,2,文玉梅2；(1.长江师范学院物理学与电子工程学院,四川涪陵；摘??要:压电振动能量采集装置具有结构简单,能量；关键词:压电;振动;自供电;能量采集装置;能量采；中图分类号:
日第34卷第18期ModernElectronicsTechnique现代电子技术Sep.2011Vol.34No.18压电式振动能量采集装置研究进展李金田1,2,文玉梅2(1.长江师范学院物理学与电子工程学院,四川涪陵??.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆??400044)摘??要:压电振动能量采集装置具有结构简单,能量密度高,寿命长等优点,在无线传感器网络、嵌入式系统和MEMS等低耗能电子设备自供电方面具有广阔的应用前景。针对提高振动能量采集能力和采集效率2个目标,根据设计压电振动能量采集装置的关键技术,从压电材料、压电元件工作模态、压电振子结构、振动支撑结构和共振频率调节方法等方面对压电振动能量采集装置的国内外研究现状进行了详细论述,指出了压电振动能量采集装置的研究前景。关键词:压电;振动;自供电;能量采集装置;能量采集效率中图分类号:TN384-34;TM619??????文献标识码:A??????文章编号:11)18-0184-06ASurveyonResearchofPiezoelectricVibrationEnergyAcquisitionDeviceLIJin-tian1,2,WENYu-mei2(1.SchoolofPhysics&ElectronEngineering,YangtzeNormalUniversity,Fuling.DepartmentofOptoelectronicEngineering,TheKeylaboratoryforOptoelectronicTechnologyandSystems,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:Thepiezoelectricvibrationenergyacquisitiondevicehasmanymeritssuchasasimplestructure,highenergydensity,longlife,etc.andithasbroadapplicationprospectinthepowersupplyaspectofwirelesssensornetworks,embeddedsystems,MEMSandotherlow-powerelectronicequipment.Basedonthekeytechnologyofpiezoelectricvibrationenergyacquisitiondevicedesign,thepresentsituationofpiezoelectricvibrationenergyacquisitiondevicesathomeandabroadaresummarizedfromimprovingamountofvibrationelectricalenergyandefficiency,introducingthepiezoelectricmaterials,p-iezoelectricelementsworkingmode,piezoelectricvibrationstructure,vibrationsupportstructure,theresonantfrequencyad-justment,andsoon.Thestudyprospectsofpiezoelectricvibrationenergyacquisitiondevicearepointedout.Keywords:self-eneenergyacquisitionefficiency0??引??言能源问题是当今世界最为关注的热点问题之一,各国研究人员一直在努力寻找和开发新能源来解决能源缺乏和使用传统能源时存在的问题。近年来,随着无线传感网络技术、嵌入式系统和微机电系统(MEMS)的发展,应用领域日趋广泛,而供电是制约其应用的瓶颈问题之一。振动能量是环境中普遍存在的一种能源,基于机械振动能量采集装置的研究已成为国内外备受关注的领域。目前,国内外研究的能量采集方式有多种,如压电、静电、热电、磁电等。由于压电振动能量采集装置具有结构简单,不发热,无电磁干扰,无污染,寿命几乎无限,易于加工制作和实现机构的微小化等诸多优点而备受关注。由于压电元件产生的电量小,且为交流电,一次振动产生的电能往往难以满足低[8-9][1-2][3][4-5][6-7]功耗电子系统的需求。为了提高振动能量采集能力,需要对压电振动能量采集装置进行优化设计,并通过试验方法对其能量采集性能进行测试,同时设计高效的电源管理电路。文中首先介绍了设计采集装置的关键技术,然后总结了国内外的研究现状,最后分析了未来的发展趋势。1??采集装置关键技术压电振动能量采集装置在某阶共振频率附近发生振动时,其机电模型可以用只有一个自由度的弹簧质量阻尼系统进行描述,其线性模型如图1所示[10]。收稿日期:(图1??线性模型第18期李金田等:压电式振动能量采集装置研究进展185当支撑物在外界y(t)=Ysin(??t)激励下振动时,质量块随之发生振动,此时质量块与支撑物之间存在相对位移,记为z(t),其运动微分方程可表示为[10]:m??z(t)+cT??z(t)+kz(t)=-m??y(t)示为[10]极易产生疲劳裂纹,发生脆性断裂,其应用受到一定限制。(2)压电薄膜为了克服PZT变形小且易碎的缺陷和提高能量采集效率,研究人员研制了柔性更大的压电材料聚偏氟乙烯压电薄膜(简称PVDF)。PVDF是一种压电聚合体,相对于PZT具有更好的柔韧性。Lee等[13]通过实验验证,采用耐用的基体材料,压电振子可以在更高频率的环境下运行,更适合应用于交变载荷的场合。由于PVDF的柔韧性能更好,其使用寿命更长,捕获的能量更多。(3)压电陶瓷纤维压电陶瓷纤维主要由压电纤维和环氧树脂组成,是一种高科技的合成物,其柔性非常好,可较好地应用于能量采集器中。Churchill等[14]对植入树脂中直径为250??m的单向排列PZT纤维进行了研究。结果表明,直径较小的压电陶瓷纤维可以从周期振动环境中收集(1)????能量采集装置从振源采集的功率P(t)可表:2Tn33P(t)=[(1-(??/??n))+(2??T??/??n)](2)式中:??n=k/m;Y为振动位移幅值;??n为装置自然频率;??为装置共振频率;??T为装置总阻尼比??T=cT/2m??n。由式(2)可知,当??=??n时,可获得最大输出功率为:Pm=4??T2e23(3)????振动能量采集装置的机电转换效率为[11]:e2e??=+)21-ke(Q(4)更多的电量。(4)铁电单晶体铁电单晶体PMN,PZN以及PMN-PT,PZN-PT具有机电耦合系数大,压电系数大和应变大等优点,其纵向机电耦合系数比PZT材料大90%以上[15]。Moon和Sun等使用PMN-PT单晶体材料制作了压电能量[16-17]采集器。实验证明,该能量采集器能够稳定输出较高的电压和功率。2.2??压电元件工作模态提高压电振动能量采集效率的方法之一是采用有效的压电元件振动激发形式。其振动激发形式主要有4种类型:振动方向垂直于电场方向的伸缩振动(长度方向),即d31模态,作用力与极化方向垂直;振动方向平行于电场方向的伸缩振动(厚度方向),即d33模态,作用力与极化方向相同;振动方向垂直于电场平面内的剪切振动(表面),即扭转模态;振动方向平行于电场平面内的剪切振动(厚度)。其中,d31模态常用在悬臂梁结构中,d33模态常用在压电块被挤压的场合,扭转模态常用在旋转振动中。对于振动能量采集装置中的压电元件,当前的研究主要集中在d31和d33两种工作模态。一般来说,d31模态结构容易制造,系统固有频率更低,且振动量更大,d33模态机电耦合系数更高,但不容易产生应变,所以在低频振动环境中,当作用力较小时,d31模态的悬臂梁结构更有效。Yang等对压电元件不同工作模态进行了数值分析研究[18]。结果表明,工作在d33模态下的压电元件,输出功率与机电耦合系数与介电常数成正比,装置机电,,式中:ke和Q分别为采集装置的机电耦合因子和品质因数。机电转换效率是设计和优化能量采集装置的主要参数之一,其大小与装置的机电耦合因子和品质因子有关,并随它们的增大而增大。由式(2)~式(4)可知,设计压电振动能量采集装置的关键技术是:装置固有频率与外界输入振动频率相匹配;尽量减小装置的阻尼比;提高装置的机电耦合因子;提高装置的品质因数。2??研究现状近年来,国内外关于压电振动能量采集装置的研究主要集中在以下几个方面:压电材料研究及应用、压电元件工作模态研究、多层压电振子结构研究、振动支撑结构设计、压电元件结构研究以及装置共振频率调整方法研究等。分别介绍如下:2.1??压电材料压电元件是振动能量采集装置的核心部件,压电材料的选择对能量采集能力起着至关重要的作用。目前已有多种压电材料应用于振动能量采集装置中。(1)压电陶瓷压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)。以其压电常数和机电耦合常数较大,而且制造工艺成熟,在压电振动能量采集装置中得到广泛应用。但PZT陶瓷易碎,使得PZT压电片在振动能量采集装置中不能承受大的应变。[12]186现代电子技术2011年第34卷出,当激振力频率接近于采集装置的谐振频率时,输出功率显著增加。Richards等进行了相似研究,建立了压电采集装置的机电耦合系数、品质因数和能量采集效率之间的数学模型。研究表明,在振动装置中阻尼越大,以热能形式流失的能量越大;机械品质因数正好与阻尼作用相反,品质因数越高,以热能流失的能量越少,采集装置的转换效率就越高。同时还指出,若要提高采集效率,采集装置需要适中的机电耦合系数和大的品质因数。因此,为了提高振动能量采集能力,采集装置的品质因数是一个非常重要的设计参数。2.3??压电元件结构压电振动能量采集装置中采用的压电元件主要有矩形、三角形、正方形和圆形结构等。其中,矩形和正方形结构实现方便,因此得到了广泛研究。为了提高振动能的采集能力,研究者对其他压电元件结构也进行了研究。Ericka等对PZT层粘结在黄铜基体表面形成的圆形结构进行了测试[19],当压电采集装置受到加速度2g的作用力,在谐振频率下能产生24V电压,最大输出功率达1.8mW。同时指出,随着作用的加速度增加,捕获的能量将增加;当采集装置工作在谐振频率时,捕获的能量最大。Wang等研究了压电鼓传感器从动态环境的机械振动收集电能的能力。在预加应力0.15N,周期应力0.7N,传感器共振频率590Hz,负载电阻为18k??时,收集了11mW的功率。进一步研究得出,当传感器的共振频率减少,施加的预应力增大时,输出能量增大。结果表明压电鼓传感器在能量采集方面的潜力。Michael等对矩形、三角形和正方形等四种压电元件结构的捕能特性进行了比较研究[21][20][11]的方程,通过实验测试表明,数学模型与仿真结果基本一致,在共振频率时仅有不到4%的误差。Ng等分别对单层和双层压电振子结构进行了研究[23]。结果表明,当负载和激振力频率较低时,压电单晶片产生的能量较高;当负载阻抗和激振力频率居中时,并联压电双晶片输出的能量较高;当负载阻抗和激振力频率较高时,串联压电双晶片输出的能量较高。这是由于负载阻抗与采集装置的阻抗匹配时,转化的电能最大。而串联连接增加了采集装置的负载,所以负载阻抗较高时,能量转换效率更高。Jiang等也对压电双晶片的采集性能进行了研究[24]。通过在压电双晶片的末端增加质量块的方法来提高采集效率,建立了相应的数学模型,并研究了压电双晶片结构参数的变化对采集性能的影响。结果表明,减少弹性梁的厚度和增加质量块的质量,压电双晶片的谐振频率将降低,当压电双晶片处于谐振状态时,输出能量最大。Anderson等通过优化双压电层结构的物理和结构参数,得到了类似结论[25]。实验测试中分别改变校正质量、悬臂梁长度和宽度,发现校正质量对能量采集的影响最大。2.5??振动支撑结构压电振动能量采集装置采用的振动支撑结构主要有悬臂梁、简支梁、圆形和钹型等结构。其中,悬臂梁实现方便,且能有效地从环境振动中收集能量,因此得到了广泛研究。为了提高输出振动能量,扩大应用,很多研究者对其他振动支撑结构也进行了研究。(1)悬臂梁。Chen等对矩形、梯形和三角形压电悬臂梁的振动能量采集性能进行了理论和实验研究[26]。分别推导了应变公式,建立了有限元仿真模型。通过模拟和实验结果证明,在同样条件下,使用三角形悬臂梁可以改善应变分布,比梯形和矩形悬臂梁产生更多的电压。Baker和Mateu等对三角形和梯形悬臂梁进行了研究,经过数学分析和有限元仿真发现,与矩形悬臂梁相比,三角形和梯形悬臂梁应变分布范围更广且更均匀,对同体积的PZT材料,产生的能量更多[27-28]。Yuan和Ayed等对矩形和梯形悬臂梁进行了研究。根据理论建模和实验验证[29-30]。在相同的支撑结构、激振力、激振频率和能量管理电路等条件下,经过实验测试,矩形压电元件捕能最小,为6.55mW;三角形比矩形捕能大,为10.76mW;正方形和五边形捕能最大,分别为13.98mW和13.80mW。研究结果表明,可采用面积更小且更便宜的三角形、正方形或五边形压电元件结构来满足给定的能量需求。2.4??多层压电振子结构多层压电振子结构可以实现小体积压电结构的高能量输出,且通过电路并联可以优化结构的电流输出特性。在多层压电振子结构设计时要充分考虑压电材料本身刚度对振动的抑制作用。Jordi等通过对欧拉-伯努利悬臂梁偏微分方程和线性耦合压电方程的研究[22],并考虑了阻尼产生的能,与矩形悬臂梁相比,梯形悬臂梁产生更高的功率。Yuan等采用相同的激振力和同体积的压电陶瓷,用1N的周期激振力,在激振频率130Hz频率时,通过一个80k??的负载电阻,从梯形压电悬臂梁可获得大约24.2mW的最大输出功率。以上研究结果表明,可采用几何体更小且更便宜的三角形或梯形悬臂梁来满足给定的能量需求。(2)简支梁。除了悬臂梁装置外,也对简支梁结构[29]第18期李金田等:压电式振动能量采集装置研究进展187的机械能,采用简支梁支撑方式设计了压电振动发电机,建立了数学模型,分析了系统性能和输出功率,实测了输出电压[31]。简支梁支撑结构如图2所示。Leland等通过对梁施加轴向预压力来获得共振频率匹配,对简支梁压电双晶片施加轴向力,在驱动频率为200~250Hz范围内的振动环境下,可得到300~400??W的输出功率[32]。(3)圆形和钹型结构。目前,除了对不同几何体的悬臂梁以及简支梁结构进行研究外,还对圆形和钹型[33]振动支撑结构进行了能量采集研究。Kim等设计了钹型结构来收集振动能量[33],其剖视图及尺寸如图3所示。将两个弧形金属盖结合在压电圆盘的两边,通过使用钹盖,当压电材料受到挤压时,应力分布比传统堆叠装置更均匀,使得更大面积的压电材料产生能量,有利于提高采集装置的捕能效率。实验测试结果表明,收集的功率达到53~71mW,可为LED供电。与其他形式的支撑结构相比较,钹型结构承受能力更强,捕获能量更高。[19]使装置获得频率匹配的同时,也将改变装置的刚度、消耗功率,最终导致装置纯输出功率不增反减。通过改变能量采集装置的刚度或质量进行频率的主动自调节,并不能提高捕获的能量。因此,主动自调节方法并不适合实现频率匹配。(2)被动自调节。被动自调节是指在初始状态时通过外在频率调节使能量采集装置振动频率与环境振动源频率相匹配,当两者频率达到匹配时,停止外在频率调节。被动调节系统与主动调节系统相比,不需要外加动力来调节系统的共振频率,但结构更大且更复杂。Cornwell等研制出了一种调制频率的辅助结构,这种辅助结构能对采集器的振动频率进行调节,使其振幅达到最大。通过对比实验发现,未使用频率调制装置的采集器能够产生0.057V的电压,而使用辅助频率调制装置的采集器能够产生0.335V的电压。Ferrari等设计了具有多种运行频率的能量采集器,采集器结构如图4所示[36]。该装置由三块悬臂梁组成,每块悬臂梁的大小相同,但自由端部的质量块不同,因而每块悬臂梁结构的共振频率不同,当环境振动频率在较大范围内变化时,该装置获得稳定的输出功率。Raste-gar等研究了另一种被动式能量采集器,设计了一种两[35]图2??简支梁支撑结构级能量采集装置[37],第一级将微小振动或晃动转换为势能,并将势能传递给固有频率很高的第二级,然后从第二级上进行能量采集。该方法的优势是能对频率很低的振动源进行能量采集,且不用调整装置共振频率,但需要考虑能量传递时的摩擦等多种因素。图3??电剖视图尺寸2.6??共振频率调节当能量采集装置与周围环境发生共振时可以极大提高压电振子的幅值,显著增加电荷输出量。根据是否需要外加动力,目前压电振动能量采集装置的共振频率调节方法主要有2类:主动自调节和被动自调节。(1)主动自调节。主动自调节是通过外加能量持续地对装置进行频率调节,使装置谐振频率与环境振动源频率匹配。Williams等通过调节施加在电极上的电压来调节压电振子的刚度对装置进行频率调节[38]图4??采集器结构上述研究结果表明,通过主动调节使装置谐振频率与振动源频率相匹配的方法并不能最终带来收集能量的增加,而被动调节方法可提高能量采集效率。3??研究前景(1)新型压电材料研制及应用。为了提高能量采集效率,目前多数研究都集中在压电采集装置几何结构的优化设计和能量管理电路方面,而对于通过压电材料来提高能量采集装置性能的研究还比较少。因此,新型压电材料的研制及应用是值得深入研究的方向之一。(2)压电与超磁致伸缩混合式能量采集器研究。超磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩系数,将其与压电,。测试发现,尽管调节电路能够改变振子的共振频率,但需要的能量远比系统增加的能量多。Roundy等设计了主动调节频率匹配型能量采集器[34]。该能量采集器上有两个电极,通过控制调节电极上的电压来控制装置的,188现代电子技术AMS[J]..IEEESensorsJournal,2011年第34卷2010,10(9):的压电效应的乘积特性来实现磁-机-电的转换,该类复合材料的磁电效应远大于单相磁电材料和颗粒状磁电复合材料的磁电效应,该特性使振动能量采集器领域具有广泛的应用前景。(3)压电能量采集装置非线性振动控制研究。目前,利用压电效应将振动能转换为电能的研究主要是基于线性振动模型,通过调节能量采集装置的共振频率来捕获较大的能量。但是,通常环境下的振动频率分布在一个较宽的范围内,共振频率的调节将很难实现。为了克服这些问题,研究人员提出了使用非线性振动模型来研究压电能量采集装置,如利用多频率结构[36]和双稳态结构[38][3]ERICKOT,GABRIELAR.Electrostaticenergy-harves-tingandbattery-chargingCMOSsystemprototype[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI,):.[4]AGBOSSOUA,ZHANGQ,SEBALDG,etal.Solarm-icro-energyharvestingbasedonthermoelectricandlatentheateffects.PartI:Theoreticalanalysis[J].SensorsandActuatorsA,):277-283.[5]CUADRASA,GASULLAM,FERRARIV.Thermalen-ergyharvestingthroughpyroelectricity[J].SensorsandActuatorsA,2-139.[6]MANNABP,SIMSND.Energyharvestingfromthenon-linearoscillationsofmagneticlevitation[J].JournalofSoundandVibration,):515-530.[7]LIPing,WENYu-mei,LIUPan-gang,etal.Amagnetoe-lectricenergyharvesterandmanagementcircuitforwirelesssensornetwork[J].(157):100-106.[8]KWONDW,GABRIELAR.A2-??mBiCMOSrectifier-freeAC-DCpiezoelectricenergyharvester-chargerIC[J].IEEETransactionsonBiomedicalCircuitsandSystems,):400-409.[9]SHENHui,QIUJin-hao,JIHong-li,etal.Alow-powercircuitforpiezoelectricvibrationcontrolbysynchronizedswitchingonvoltagesources[J].SensorsandActuatorsA,):245-255.[10]BEEBYSP,TUDORMJ,WHITENM.Energyharves-tingvibrationsourcesformicrosystemsapplications[J].MeasurementScienceandTechnology,):175-795.[11]LEECS,JOOJ,HANS,etal.Poly(vinylidenefluor-ide)transducerswithhighlyconductingpoly(3,4-ethy-lenedioxythiophene)electrodes[J].-3):49-52.[12]LEECS,JOOJ,HANS,etal.Multifunctionaltrans-ducerusingpoly(vinylidenefluoride)activelayerandhighlyconductingpoly(3,4-ethylenedioxythiophene)e-lectrode:actuatorandgenerator[J].AppliedPhysicsLe-tters,):.[13]CHURCHILLDL,HAMELMJ,TOWNSENDCP.Strainenergyharvestingforwirelesssensornetworks[J].SPIE,9-327.[14]ZHANGS,LEBRUNL,JEONGDY,etal.GrowthandcharacterizationofFe-dopedPb(Zn[sub1/3]Nb[sub2/3])O[sub3]-PbTiO[sub3]singlecrystals[J].JournalofAppliedPhysics,):.[MOLEEQLK,al.vibra-SyntheticMetals,SensorsandActuatorsA,2010,等方式解决宽频问题。但是,迄今为止,压电能量采集装置的非线性振动研究还停留在概念上,还没有相关样机的报道,因此,这方面有待深入研究。(4)实用化研究。基于压电振动能量采集装置虽然只能产生微瓦到毫瓦级的电力,但对于微功耗系统已经足够。作为独立的微能源器件,目前还没有成功的产品,只停留在理论和实验室研究方面,距离实用化还有一定的距离。所以,未来的一个研究重点是如何将压电振动采集装置、电源管理电路和负载等构造成一个完全的自治系统,并将其应用于实际中。4??结??语压电振动能量采集装置在每个振动周期,压电元件输出的是电压相对较高、电流极小的交流电,捕获的能量微弱。为此,压电振动能量采集装置的设计制造,要根据实际的振动环境和条件,采用合适的压电材料和工作模态,设计高效的压电振子结构,提高能量采集效率,采集较大的环境振动能量。高效的压电振动能量采集装置与高效的能量管理电路构成一个完整的振动能量自供电电源,为无线传感器网络、嵌入式系统和MEMS等微功耗电子设备实现无线供能。目前,在压电振动能量自供电电源方面还没有比较成功的产品,特别是面向普通环境中的低频振动源进行能量采集方面,相关研究还比较薄弱。随着对压电材料研究的进一步深入,振动能量采集装置的进一步优化,以及新型电源管理电路的设计,在不久的将来,必然会到来压电振动能量自供电电源的实用化和产业化。参??考??文??献[1]RENNOJM,DAQAQMF,INMANDJ.Ontheoptimalenergyharvestingfromavibrationsource[J].JournalofSoundandVibration,):386-405.[2]BOUSSETTAH,MARZENCKIM.EfficientphysicalofShar包含各类专业文献、中学教育、高等教育、生活休闲娱乐、专业论文、各类资格考试、12压电薄膜能量采集-eTouch等内容。　
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