微型压电能量采集的应用分析

微型压电能量采集的应用分析
摘要：无线传感器网络是二十一世纪影响人们生活的关键技术之一，具有广阔
的应用前景，而微型能量采集器最有可能代替传统电池为其节点供电，已成为国
内外的研究热点。

关键词：无线传感器网络；微型能量采集器
引言
随着无线通讯与ＭＥＭＳ技术的不断发展，使得微电子设备、微传感器和微
型能量收集器等微型机电系统的应用范围不断扩大，包括用于为健康监测的分布
式传感器节点、医疗的嵌入式或者植入式传感器节点、大型系统的电池、汽车轮
胎压力监测系统、无人飞行器以及家用安全系统等．其应用仍依靠传统的电池来
供电，如镍氢电池、锂聚合物电池等．传统电池存在明显的缺陷：一是相对于微
型传感器其体积仍然较大，限制了微传感器的进一步微型化；二是供能寿命有限，使用一段时间后需要更换或者充电，对于放置在气候恶劣或者遥远地区的无线传
感器而言，这是个很严重的制约条件．同时目前的技术还没有完全的能力减小传
感器节点的尺寸或者替代传统电池而使其应用被限制．因此，微型能量收集材料
和系统已经成为一个重要的研究领域并且发展迅速，能量收集器越来越多地受到
人们的关注．目前，各国研究者提出的能量采集器的类型主要有三种：压电式、
静电式以及电磁式．三者之中，压电式能量收集器具有可与ＭＥＭＳ技术很好地
集成、能量输出密度大、无须启动电源、能量采集装置结构简单、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，以及它们
能在无法进入的地方和有弹性嵌入的系统中简单实施，并且成本低，没有布线麻
烦等诸多优点，因此备受人们欢迎．传统的无线传感器网络节点由普通电池供电，其容量毕竟有限，需要定期更换，给上述系统的应用带来很大不便．同时，大量
使用电池还会对环境造成危害．而振动能量的有效收集可以保证有能力为这些传
感器供电，并且最终处在一种较高的成本经济效益模式中．通常情况下，利用许
多物理效应可以收集能量，包括电伏、电磁和压电效应．对于前面提到的效应，
压电能量收集器在使用电能来源方面、在便携或者无线的装置方面具有优势，压
电收集器有着最简单的结构但同时也能传递相对较大的电能输出，由于高效率的
电能转化，为了提高微型设备电能供应的效率，使用压电薄膜早已被极力推
崇．很多关于在中尺寸（厘米级）的能量采集，以替代电池作为唯一电源的研究
和产品开发项目已经得到重视，但是在微尺寸能量采集研究方面仍然有待进一步
开展．虽然能量收集器的研究与开发尚处在发展阶段，但是微尺寸压电能量收集
的可能性已经被这些早期的原型证明了．
1压电能量收集技术
1.1压电材料
压电材料是压电能量收集技术的关键。

目前压电材料主要包括压电单晶、压
电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等。

压电陶瓷已经成为国内外压电能量收集
领域常用的压电材料，并在此基础上发展的有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系、以及
无铅系等。

压电陶瓷的特点在于压电常数大、介电常数高，但机械品质因子低、
电损耗较大、易破裂。

另一种常用压电材料是压电聚合物（PVDF），PVDF具有
机械强度好、耐冲击、柔韧、易加工成大面积等特点。

它不仅可替代压电陶瓷使用，而且还可以应用在压电陶瓷不能使用的场合。

此外，压电复合材料也是当下
的研究热点。

1.2压电能量收集原理
压电能量收集技术是利用压电材料的压电效应来产电能能。

压电效应分为正压电效应和逆压电效应。

正电效应是压电振子在力的作用下产生形变时，在压电振子表面出现异种电荷的现象，电荷的数量与作用力成正比。

反之，外加电场于其上时，使其发生形变，称为逆压电效应。

在压电效应中，机械效应与电效应是分不开的，它们互相耦合在一起，它们之间的关系可以用压电方程表示。

由于不同的应用状态，将压电材料制成不同形状来使用，我们称其为压电振子。

压电方程是关于压电振子电位移D、电场强度E、应变张量S和应力张量T之间关系的方程组。

下面的方程表示正压电效应。

当压电振子在电学短路和机械自由的情况下，有：
其中D为电位移；d为压电常数；T为应力；ε为介电常数；S为应变；s为弹性柔顺系数；dt为d的转置；E为电场强度，式中系数的上标表示该值为零时对应的系数。

压电振子承受外作用力，其用来完成机械能与电能的相互转化的振动方式称为压电振子的振动模式。

压电振子有四种振动模式，分别为：（1）长度伸缩；（2）厚度伸缩；（3）厚度切变；（4）面切变。

如图1。

在使用压电振子的时候，不仅仅要根据所要使用的场合来选择压电材料，而且要选择合适的振动模式。

2压电能量收集的应用
2.1智能穿戴设备
随着智能时代的到来，智能穿戴设备越来越普遍，但是供能是问题，利用人体的不断运动中产生的振动能量可以为智能穿戴设备供能，Zhao等将多层PVDF膜夹在两个波浪表面板子之间做成鞋垫形状嵌入到鞋内从人体运动收获能量来驱动传感器，其用于健康监测，步态分析等。

这项工作证明了将压电能量收集技术应用于可穿戴设备的可行性。

2.2智能驾驶
在过去几年中，汽车上的传感器越来越多，这些传感器创建了一个智能汽车系统，可以优化汽车性能并提高驾驶员的安全性，压电振动能量收集对于为这些应用提供动力非常有吸引力。

田丰君等发明了一款胎压监测系统，如图2
图2胎压监测系统模块
所示，其由两个悬臂梁结构固定在轮毂上，压电振子的悬臂平面既与轮毂相平行，又与车轮滚动方向相垂直，可以避免更换电池带来的不便。

2.3境监测
采用压电能量收集技术的无线传感器对于准确监测环境状况有重要意义。

重庆大学的张闯制作了一种自供能无线风速与温度监测节点，如图3所示，
图3压电风能采集装置
该节点所包含的带谐振腔的压电风能采集器选用两个压电片组合的装置，其中一个压电片作为电源进行供能，另一个压电片作为风速传感器。

最后制作出自供能无线监测节点，实现了对风速和温度的测量。

结果表明，在风速为11.1m/s时，监测节点每隔45s无线发送一次所测得的风速和温度，实验说明装置能够提供足够的能量为无线监测节点供电。

2.4医疗
随着我国人口老龄化趋势的不断发展，心脏病患者的数量逐年增加。

一种柔性和可植入体内的压电振动发电装置从主动脉的脉动中获取能量，此研究中的柔性和可植入的压电发电装置不仅易于变形，而且具有优良的压电性。

在体外的模拟实验中，在体外研究中，最大输出电压为10.3V，最大电流为400nA，最大功率为681nW，足以为心脏起搏器持续供电。

它可将通过微创手术在未来的临床应用中促进植入，以避免更换电池，延长装置的使用寿命。

此外，还有基于道路、风能和江、海的波能等的压电能量收集技术已经应用，比如以色列的
压电能量收集公路用于路灯照明、日本的压电能量收集地板用于电子显示牌、压电式水能采集装置用于水下监测等。

结语
压电能量收集技术收集能量作为我们的补充能源有着重要意义，随着智能时代的到来，这给压电能量收集技术带来前所未有的发展机遇。

在此背景下，通过压电能量收集技术来解决它们的供电问题，最终将为我们带来无需电池的电子设备，将使人们的生活更加方便。

在这个多学科交叉的领域，我们面临着巨大的挑战。

参考文献：
[1]单小彪，袁江波，谢涛等.不同截面形状悬臂梁双晶压电振子发电能力建模与实验研究[J].振动与冲击，2010，29（4）：177-180.
[2]王光庆.压电叠堆式发电装置的建模与仿真分析[J].中国机械工程，2009，20（19）：2298-2304.。