振动驱动MEMS压电磁电复合微能源装置能量采集电路研究毕业设计说明书

毕业论文
振动驱动MEMS 压电磁电复合微能源装
置能量采集电路研究
学 专 业：
指导教师：
2014年6 月
仪器与电子学院 丑修建
振动驱动MEMS压电磁电复合微能源装置能量采集电路研究
摘要
高能量输出密度的自我供电微能源技术有着迫切的应用需求，是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。

振动能量拾取MEMS器件具有体积小、重量轻、能量密度高、寿命长、无污染、对环境适应性强等优点，有望为野外和置入式结构的微系统、无线传感网络节点、便携式微电子产品提供可靠、长时间的电能。

本文探讨了一种基于MEMS器件的压电磁电复合型微能量采集电路。

微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。

但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。

所以,利用整流电路把交流转换为直流,实现为MEMS 器件供能。

文中给出了微能量采集电路,同时给出了仿真结果,实现了微能源能量的采集存储，也论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。

本文首先分析了压电悬臂结构受简谐力激励的能量输出，给出了一种四悬臂梁—中心质量块结构发电器件的设计，并进行了制备；然后在此基础上进行了试验。

最后研究了适合低频发电器件的能量采集电路。

主要研究内容和结果包括：
1.从压电、磁电方程入手，分析了压电、磁电发电元件在力作用下产生电荷，输出电压的原理，讨论了用于能量采集的压电、磁电元件等效电路模型。

2.通过振动方程并结合力学边界条件，对悬臂梁能量采集进行了分析，结果表明，压电悬臂梁是一个高效率的能量采集结构，尤其适合应用在低频振动环境中。

3.构建了试验平台，进行了试件的试验研究，分析了不同加速度条件下产生的能量输出效果，包括压电、磁电输出电压和短路电流。

4.给出了压电-磁电发电装置能量采集电路的设计，并进行了Multisim仿真，仿真结果表明：四悬臂梁—中心质量块结构在振动稳定且持续的环境中具有较好的效果，电容储存的能量可供微瓦级负载的使用，初试实现了电能的存储利用。

关键词：压电式，磁电式，振动能，能量采集，电路仿真
Research on energy harvesting circuit of Vibration-driven
MEMS Micro-energy devices based on piezoelectric and
electromagnetic effect
Abstract
Micro energy technology with high output power density is urgently required , and is an important developing direction of intelligent MEMS devices system. MEMS devices vibration-driven have the characters of small volume, light weight, high energy density, long life, non-pollution, a strong environment adaptation. It is expected to provide high reliability, long electricity for the micro-system in the field and posting structure, the wireless sensor network, portable microelectronics products.
In this paper, the circuit for mems-based piezoelectric and magnetoelectric micro energy harvesting devices is studied. Micro energy harvester can convert mechanical energy to electrical energy in low frequency environment, when it is spired by a vibration excitation signal. However, the energy collector outputs alternating voltage directly, which cannot be used to power the devices. So, we use the rectification circuit to convert alternating current to direct current, in order to power the mems devices. Micro energy acquisition circuit is given in this paper, as well as the simulation results at the same time. Finally, we realize the collection of micro energy and energy storage, proving the feasibility of micro energy devices simultaneously.
In this paper, firstly, the energy output of the piezoelectric cantilever structure is analyzed under a sinusoidal excitation; then a design of the piezoelectric power generation element is given and the PZT-Metal composite structure is fabricated; finally, experimental study is carried on the base of that, and energy harvesting circuit which is appropriate to the low frequency application is studied. Main research contents and results are as the following:
1. The basic principle of the electric charge’ appearance and the voltage’s output is studied when the piezoelectric and electromagnetic power generation element is the force inspirit. The equivalent circuit model used for the harvest of the energy is analyzed.
2. Academic analysis of the energy harvest for the piezoelectric cantilever is made
according to the vibration equation and the dynamic limit condition. Results show that piezoelectric cantilever is an efficient energy harvest structure. And it is very appropriate to be applied in the low frequency environment.
3. Experimental study is made to analyze the energy output under the effect of different acceleration, including piezoelectric and electromagnetic output voltage and short-circuit current.
4. We introduce a kind of energy harvesting circuit of Vibration-driven MEMS Micro-energy devices based on piezoelectric and electromagnetic effect, and the Multisim simulation is conducted. The results show that four cantilever beam-center quality block structure has a good performance if it is applied in a steady and durative vibration environment. And the stored micro power in capacitance can beemployed, which realized the fundamental aim in this research .
Key Words : piezoelectric, electromagnetic, vibration power, energy harvesting, circuit simulation.
目录
1 引言 (1)
1.1 研究的背景和意义 (1)
1.2 国内外的研究现状 (3)
1.2.1 国外研究状况及发展前景 (3)
1.2.2 国内研究状况及发展前景 (5)
1.3 研究的关键和难点 (6)
1.4 本文研究的主要内容 (6)
2 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的基本理论 (7)
2.1 MEMS环境振动驱动微能源的基本理论 (7)
2.1.1 静电转换型微能源的工作原理及特点 (7)
2.1.2 电磁转换型微能源的工作原理及特点 (7)
2.1.3 压电转换型微能源的工作原理及特点 (8)
2.2 MEMS环境振动驱动微能源的发展现状 (8)
2.2.1 静电转换型微能源的发展现状 (8)
2.2.2 电磁转换型微能源的发展现状 (9)
2.2.3 压电转换型微能源的发展现状 (10)
2.3 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的基本理论 (11)
2.3.1 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的基本结构 (11)
2.3.2 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的工作原理 (13)
2.3.3 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的特点 (18)
2.3.4 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的发展现状 (18)
2.4 本章小结 (19)
3 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的性能测试分析 (20)
3.1 性能测试系统 (20)
3.2 谐振频率的测试 (21)
3.3 电压输出特性测试 (23)
3.3.1 单悬臂梁的电压输出特性 (23)
3.3.2 微能源器件压电输出性能测试 (24)
3.3.3 微能源器件磁电输出性能测试 (26)
3.4 电流输出特性测试 (26)
3.4.1 压电短路电流输出特性测试 (26)
3.4.2 磁电短路电流输出特性测试 (29)
3.5 本章小结 (30)
4 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路 (31)
4.1 能量采集电路的组成 (31)
4.2 能量采集电路的工作原理 (32)
4.2.1 压电采集模块 (32)
4.2.2 磁电采集模块 (36)
4.2.3 能量采集电路的总体方案 (39)
4.3本章小结 (42)
5结论 (43)
参考文献 (44)
致谢 (46)
1 引言
1.1 研究的背景和意义
微细加工技术制作的微/纳米结构与微控制器件相结合，促成了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems ,MEMS）的诞生[1]。

微机电系统可以将电子系统和外部世界有机联系，将光、热、声等自然界信号转换成电子系统可识别的电信号，从而实现相应信号的控制。

在近十几年里，MEMS技术迅速发展，展示出诱人的发展前景。

随着微/纳米技术的发展，MEMS产品已经广泛涉及到无线传感网络、医疗与卫生、生物、环境监测、气象预报、军事、信息通信等众多领域，而且产品越来越要求趋向于微型化、小型化、自动化、实用化及集成化，因此研制长寿命、高能效、易集成的供电装置（即微能源装置）势必成为MEMS技术中一个非常关键且亟待解决的问题[2]。

虽然电池被广泛的应用于生活中，但它有很多缺点：寿命短；储存的化学能量有限；相比于MEMS器件，体积大；不能为植入微传感器提供能量。

对于一些需要长时间（工作时间以年为单位）工作的分散式、嵌入式元器件而言，更换电池极大地增加了成本，尤其是元器件数目较多，甚至由于位置偏远或难以触及（比如战场上、人体内）的原因而无法更换。

为了摆脱对电池的依赖而实现对无线元器件供能的要求，提出了微能源装置，具有高能量输出密度的自我供电微能源技术有着迫切的应用需求，是智能化MEMS 器件系统发展的重要方向。

目前所研究的微能源主要可以分为微型电池和微型发电机两类[3]。

微型电池包括燃料电池、化学电池、太阳能电池、温差电池等，微型发电机分为内燃料发电机和振动式发电机。

燃料电池能量转换效率高、使用方便，但是其燃料为可燃性气体或液体，难以用于便携式器件，而且其储存能量有限。

微型化学电池包括：锂电池、锌镍电池、核电池。

微型锂电池具有能量密度高、工作温度范围宽、可以循环使用等优点而被广泛应用于手机、钟表等一些日常生活中，但其不能适应MEMS发展的需求。

化学电池需要更换，而且一般有重金属等化学物质，对人体有害，不可能应用于植入式人体中。

而太阳能电池会随着外界环境中的光照强弱变化而发生改变，温差电池也会受温度的影响而不稳定。

微型内燃料发电机产生的能量高，但其制备工艺复杂，价格昂贵，难以与MEMS技术兼容，不易于实现微型化。

而振动式发电机拾取环境中振动，并将其转换为电能，与MEMS技术兼容，可以实现微型化制造，为微器件提供永久、稳定的能量。

同时，环境中的振动机械能广泛存在，能量密度大，因此对微能源装
置而言是一种比较好的选择。

环境振动驱动微能源体积小、重量轻、使用寿命长、经济、环保、可延长微系统的使用寿命，所以将环境振动能量转变为电能的振动式发电机逐步成为微能源研究的一个热点。

根据能量转换机理的不同，当前研究的振动驱动式微能源可以分成振动驱动静电转换型发电机、振动驱动电磁转换型发电机和振动驱动压电转换型发电机三类。

静电转换型微能源工作时需要额外的电压源，难以实际应用于便携式或植入系统；电磁转换型微能源输出电流较大而电压较低，增加线圈匝数和提高磁场强度可以提高感应电压，但这些方法都受到尺寸的限制，而且难于驱动外围电路；压电转换型微能源只适用于低的激励频率环境中。

目前，将压电式能量采集与磁电式能量采集结合并构成复合式MEMS振动能量采集系统为微能源的制作开辟了新的途径。

利用MEMS工艺技术，将压电和磁电两种能量转换结构集成在一个系统中，形成一种复合式微能源装置：MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源。

该装置既综合了压电能量转换的换能方式结构简单、便于MEMS加工、能量采集密度大的优点与磁电能量转换的材料制备容易、材料成本低廉的优点，又提高了微能源装置的能量转换效率和能量密度，为振动能量的采集提供了新的方法。

压电、磁电两种能量输出有着各自的特点：压电能量的输出特点是感应电动势相对较大而感应电流很小，磁电能量的输出特点是感应电流较大而感应电动势很小。

目前已有的MEMS振动能量采集装置都是针对这两种能量之中的一种进行采集，两者间能量的采集与处理的一般方式也不相同。

压电能量的处理采集技术现在较为成熟，有其一定的模式化的方式进行能量采集，主要是通过整流电路将交流输出转化为直流电储存在超级电容或电池内；磁电能量的储存方法与压电能量类似，也是整流后将直流电存入储能元件内。

所以将压电、磁电这两种不同特性的能量有效地整合在一起并储存是实现MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置能量采集的关键，将压电式能量采集与磁电式能量采集结合并构成复合式微能源装置的能量采集系统为微能源的制作开辟了新的途径。

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置就是采集环境中无处不在的振动能转化为可利用的电能来进行能量回收再利用的，同时还解决了传统电池供能时寿命短、需重复更换或充电等问题。

本课题设计微能源的后续能量拾振电路，选用适当的谐振转换、整流、滤波器件和稳压电子产品设计采集电路，拾取压电材料由于振动产生的电能以及由于线圈切割磁感线而产生的电能，采用超级电容存储作为暂态电能存储系统采集管理
输出的能量，从而获取稳定的输出电能，可以有效的把MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置采集到的电能引出并提供给器件，以满足微系统工作需求。

也就是说，本课题研究的对MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置转换的能量进行采集并加以利用，可以给元器件提供高可靠、长时间的能量，为进一步迈向低碳经济发挥经济作用。

将压电式能量采集与磁电式能量采集结合并构成复合式MEMS振动能量采集系统为微能源的制作开辟了新的途径。

能量采集装置是MEMS技术发展中一个重要的里程碑与奠基。

能量采集技术能有效的采集MEMS压电-磁电复合式振动驱动发电装置转换到的电能，从而满足MEMS 器件正常工作所需要的能量，解决无线技术、环境监测、气象预报、军事等中的能源问题，实现彻底的无线连接与传播。

能量的回收与转化在今后的科学领域中将有重大的应用前景，然而关于如何更有效率的采集转换到的电能，仍然需要深入的探索[4]。

总的来说，MEMS压电-磁电复合式振动驱动发电装置的能量采集技术是一种新型的自动能量的MEMS技术，运用独特的技术与方式有效的将微能源转化的电能进行采集并供给MEMS器件和系统，MEMS压电-磁电复合式振动驱动发电装置的能量采集有望为微纳系统提供高可靠、长时间的能量，所以研究压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集有很重要的实用意义。

因此，本论文的研究具有实际意义和巨大的应用价值。

1.2 国内外的研究现状
近年来，国内外学者将人体、汽车，飞机，轮船，火车和工业等环境中的振动能转换成电能，并研究并设计出了其相应的能量采集方法。

1.2.1 国外研究状况及发展前景
2002年Shad Roundy和Paul K.Wright等人制作了振动片式的磁电MEMS换能器，其能量采集电路如图1.1所示。

该振动片式的磁电MEMS换能器的原理基本上是一个整流电路，但他们只提供了其等效电路而没有给出具体电路。

首先，当磁电振动输出端的交流信号是正向时，开关SW1打开，开始对电容Cv进行充电，此时Cpar为滤波电容；当磁电输出端的交流信号是反向时，开关SW1截止、SW2打开，电容Cv对能量储存电容Cstor充电[5]。

图1.1 振动片式的磁电MEMS换能器的能量采集电路图
MIT的Rajendra K.sood和Sang-Gook Kim等人采用MEMS技术成功制备出压电能量采集器，他们制备出如图1.2所示的压电型微能量采集器原型PMPG（Piezo-Micro- Power- Generator）[6]。

(a)截面示意图(b)顶视图
图1.2 Rajendra K.sood等人研制的压电能量采集器
该器件的设计目标是将环境中的高频声能转换为电能存储起来，向小型的无线传感器或主动标签（Auto-ID tags）供电。

悬臂梁主要包括SiO2/ZrO2电子扩散阻挡层，PZT 压电膜，顶部的Pt叉指电极层，以及SU-8胶制作的质量块（proof mass）。

该结构是基于PZT薄膜d33模式的压电效应，通过悬臂梁的振动，拾取悬臂梁上PZT膜的应力应变产生的电荷，其中悬臂梁的长宽在300μm范围内，结构在13.7kHz的一阶共振频率下、尖端位移约3μm时，可以输出1μW的电能，峰值电压达2.36V。

通过整流处理后，将电能存储在电容中。

NTT微系统集成研究所和NTT尖端科技公司将振动转换成能量并对其进行采集，如图1.3是能量采集的原理图，相当于有多个两个正负极性相反的可变电容在同时工作，
再将这种变化作为能量提取出来[7]。

(a)俯视图(b)剖面图
图1.3 能量采集器原理图
1.2.2 国内研究状况及发展前景
重庆大学光电工程学院对基于MEMS的压电能量采集有很深入的研究并取得了很多成果，其能量采集方法如图1.4所示。

图1.4 基于MEMS的压电能量采集
此能量采集电路是用桥式整流电路和电容组成的滤波电路组成的直流输出电路将发电装置的输出转化为直流电，而后将直流电直接储存在超级电容中[8]。

南京航空航天大学的龚立娇设计了用于振动能量采集的压电装置：压电发电机（Piezoelectric power Generators，简记为PEG）[9]。

PEG的能量采集方式是压电式，工作原理是利用压电器件的压电效应，即作用在压电器件上连续的交变载荷将引起压电器件的反复变形，而在压电器件的电极表面上激发出交变电压，能量采集装置从压电器件
的电极表面提取电压并转换、存储用于电源系统。

1.3 研究的关键和难点
①用于MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集的电路设计；
②使用升压电路、整流电路、电流充电电路等组成电路，对磁电、压电两部分能量高效率的输出与采集；
③将磁电、压电两种不同性质的能量通过两部分电路输出，通过并联的方式整合到一起并对超级电容充电；
④搭建相应的测试平台并对MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的谐振频率、输出电压、输出电流进行性能测试。

1.4 本文研究的主要内容
本文介绍了MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的工作原理及应用，还介绍了MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集。

具体内容如下：
①MEMS振动驱动型微能源的三种类型的发电机；
②MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的结构、原理、优点和研究现状；
③MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置谐振频率、输出电压、输出电流的性能测试；
④MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路的组成部分及工作原理。

2 MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的基本理论
2.1 MEMS环境振动驱动微能源的基本理论
振动驱动型微能源按原理的不同可以分成振动驱动静电转换型微能源、振动驱动电磁转换型微能源和振动驱动压电转换型微能源三类。

2.1.1 静电转换型微能源的工作原理及特点
振动驱动静电转换型微能源需要在可变电容之间施加一个外部电源，使其产生原始电势差，然后通过环境中的振动使电容两极板的间距或面积发生改变，电荷在电容器上重新分布，从而使电容的大小发生改变，在外部电路中有电流输出，这样就将外部振动能转换成为电能。

振动驱动静电转换型微能源可分为变面积式（图2.1）和变间距式（图2.2）[10]。

图2.1 变面积式振动驱动静电转换型微能源图2.2 变间距式振动驱动静电转换型微能源振动驱动静电转换型微能源易于和IC工艺兼容；感测频率范围广；与电磁转换型微能源相比，能够产生更大和更实际的输出功率；但是，振动驱动静电转换型微能源工作时需要额外的电压源，电容气隙小，电压较低，难以实际应用于便携式或植入系统。

2.1.2 电磁转换型微能源的工作原理及特点
振动驱动电磁转换型微能源的能量转换原理是法拉第电磁感应定律，当磁铁和线圈发生相对运动时，线圈切割磁场，使穿过闭合回路所围面积的磁通量的发生变化，回路中就会产生感应电动势。

感应电动势的大小由磁场强度、线圈相对于磁场的运动快慢来决定。

根据线圈和磁场发生相对运动的方式，振动驱动电磁转换型微能源有三种形式：
动圈型、动铁型和铁圈共振型[11]。

振动驱动电磁转换型微能源有感测频率范围广、发电量大、与MEMS技术兼容、无需驱动电源以及可应用于各种恶劣环境等优点，但其输出电流较大而电压较低，尽管增加线圈匝数和提高磁场强度可以提高感应电动势，但这些方法都受到尺寸的限制，而且难于驱动外围电路。

电磁式振动能量采集装置的体积相对较大，非常适合于大系统和频率较高的场合。

2.1.3 压电转换型微能源的工作原理及特点
压电效应表征压电体的弹性效应和极化效应相互耦合的关系。

根据耦合原理的不同，压电效应包括正压电效应和逆压电效应。

当对某些电介质施加外力时，压电材料发生形变，电介质晶体内正负电荷中心发生相对位移变化而导致极化，使它的两端表面出现等量异号的束缚电荷，产生的电荷密度与施加作用力的大小存在线性关系。

撤掉外力后，压电材料恢复到不带电的状态。

这种没有外电场作用，仅由于应力或应变使晶体内产生电荷的现象称为正压电效应；反之，当压电晶体的上下电极外接电场时，晶体出现电极化现象，同时还会产生应变、应力。

电场导致应力或应变出现的现象称为逆压电效应[12]。

振动驱动压电转换型微能源的工作原理是压电材料的正压电效应。

在振动环境中，质量块带动梁及压电薄膜一起振动，振动产生形变，其变形使得压电薄膜的上下表面产生表面电荷，从而在上下两个电极之间产生电势差，从而实现机械能到电能的转换。

振动驱动压电转换型微能源因为在居里温度以下压电材料的压电性能稳定，所以环境适应性强，工作可靠；通过合理的结构设计能够与MEMS集成；机电转换效率高，输出电压、能量密度高；通过设计合理的结构可以收集所有频率的能量；因为只有在低的激励频率下，其性能才胜过电磁转换型微能源，所以适用于低的激励频率环境中。

2.2 MEMS环境振动驱动微能源的发展现状
2.2.1 静电转换型微能源的发展现状
Massachusetts工学院Scott Meninger，比利时T.Sterken等人分别提出了一种静电式微振动发电机。

目前，T.Sterken等提出的静电式发电机由静电梳齿结构、振动块、驻极体构成，外接150V的电源，1020Hz频率的振动环境中，获得1µW功率输出；在3750Hz
的振动频率下，可输出功率16µW。

Fabio peano等人改进的静电式发电机由动极板和静极板构成叉齿电容，计算发现，在911Hz频率的振动下，可产生50µW的最大输出功率。

美国Berkeley大学研制了变间距式静电转换发电机，在加速度为2.25m/s2，固有频率为120Hz的环境振动中，得到116µW/cm2的电能。

台湾国立大学研制一种静电式微能源，体积为1cm3，钨球改变其固有频率，通过钨球的调节同步实现了能量的转换。

重庆大学研制出一种静电式微型振动发电机，其工作频率为1200Hz，负载为300kΏ时，微型发电机的输出电压为2V，输出功率达12.5μW[13]。

东京大学提出的静电式发电机，如图2.3，采用新型高性能有机膜CYTOP作为驻极体材料来存储电荷，在20Hz频率振动下，振动幅度为1mm，达6.4µW最大输出功率。

图2.3 微型振动式发电机的实验装置
2.2.2 电磁转换型微能源的发展现状
英国Southampton大学采用MEMS加工工艺研制了微型电磁式微能源，施加频率为1.615 kHz、加速度为0.4g的振动下，可以产生104nW的最大输出功率。

Beeby等人研制了一种体积为0.1cm3的动铁式电磁式能量采集器，由铍制作的弹簧悬臂梁带动钕铁硼磁铁振动，在52Hz，加速度为0.59m/s2的振动环境中，加载4千欧姆的负载，可产生46μW的功率[14]。

Glynne Jones等人制作了一种动圈式电磁式微能源，把螺旋线圈固定在一个不锈钢悬臂梁上，磁铁被固定，在322Hz的振动频率，2.7m/s2的加速度下，产生180μW的能量。

Yates,Williams和Shearwood等人已经建模并开发了一种电磁微型发电机，大小大约为4mm×4mm×1mm，在4.4kHz的振动环境中，可产生500nm的振幅，能量密度为10-15μW/cm3。

D Spreemann等人设计了一种双自由度电磁式微能源，把Y方向的振动转化为中心转子的转动，然后带动磁铁转动，使线圈的磁通量发生变。