压电能源采集器综述-文档资料

如何解决？？
• 解决方式主要有以下两种: • 1 – 在消耗功耗的元件上，我们要设法降低 元件的使用功耗，设计更低功耗的传感器， 以及与之配合的元件电路上。 • 2—设法提高能量收集设备的效率，将收集 的能量汇聚，在输出给通用传感器，这就 必须在收集电路上下功夫。
EH元件小型化的条件
（1）称为“能量纳米技术”的电路技术开始问 世，具体表现是，超低功耗MCU及电路的 技术提案日益增多，这些MCU及电路可有 效利用电力转换元件提供的微量电力来工 作。 （2）低功耗建立在间歇运行的基础上，原理， 先花费时间将电力储存在电容器或充电电 池中，然后再间歇驱动无线通信电路运行。
PS
• 自己的想法：我们可以根据具体的环境进 行分析，我们可以采用多种能量源供应电 力。多种电源的意思就是我们在一次转换 中可以并联两个或两个以上的能量转换源， 比如我们可以在利用振动能的时候同时利 用温差能，将二者的能量汇集到一起提供 给要供电的系统，前提是这两种能量源要 能用相似的电路系统。
超低功耗电路设计原则
特点：将多种形式的机械能最终都是转化为 驱动电动机转动的机械能形式，以达到发 电的效果。
波浪能的转化形式分类
• 目前我们组采用的发电原理是基于压电效 应而发电。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到 外力的作用而变形时，其内部会产生极化 现象，同时在它的两个相对表面上出现正 负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢 复到不带电的状态，这种现象称为正压电 效应。
（1）压电材料的选择
• 压电系数：压电系数是压电体把机械能转 变成电能或把电能转变成机械能的转变系 数，反应压电材料弹性性能与介电性能之 间的耦合关系。
• 常用的压电材料：压电材料包含单晶体， 多晶体，晶态聚合物和非晶态聚合物，目 前大多使用陶瓷材料，常用的有：PVDF, ZnO, PZT等。
• PVDF:聚偏氟乙烯,是一种聚合物，外观为半透 明或白色粉体或颗粒，因其压电系数较低而很 少应用。 • ZnO：俗称锌白，在半导体领域的液晶显示器、 薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。 虽然压电系数不大，但是可制作性非常好。 • PZT：压电陶瓷(锆钛酸铅)，压电系数高出上面 两种化合物两个数量级以上，因此是最常用的 块状振动能量转化子。
• 超低功耗的系统设计原则：“三相宜原则” 即：电源电压不宜高，时钟宜慢不宜快， 系统宜静不宜动。
设计低功耗电路的具体原则
• 在满足使用要求的前提下尽量选择低功耗处理 器MCU，如CMOS<HMOS.
• 外围器件尽量选择与单片机电源相匹配的低电 源产品，或者专门为低功耗系统设计的器件。 • 电源管理方面采用单电池电源实现多分支电源 网路管理，使得系统的各功能模块电源相对独 立，在不工作的时候可以分别断电，节省功耗。 • 尽量选用软件代替硬件进行工作。
系统总功耗=静态功耗+动态功耗 静态功耗：静态功耗电流常用于评价电路 的静态功耗大小，它以流经电路中各PN结 的反向漏电电流为主。 动态功耗：体现在电路进行逻辑状态转换 过程中的电路内部消耗的功耗。对于CMOS 电路来说，主要体现在瞬时导通功耗和电 容充放电功耗。
• 电路系统的总功耗与系统的电源电压有很 大关系，而动态功耗除了和电源电压的平 方有关系外还和电路工作的脉冲重复频率， 脉冲波形以及输出容性负载有关系。
能量采集技术的最新动态
• 来自【日中环保生态网】的消息：可将无 线传感器的平均功耗降至1μW以下的技术开 始显现出眉目。一直阻碍电力转换元件实 现小型化的瓶颈终于要被突破了。
• 意义：以上的技术突破促进了装有电力转 换元件的能量采集器件的小型化发展。
最近面世的能量采集技术
• 具体而言，就是将体温、步行、太阳光、 室内电灯、电视及手机等接收的电波、地 热、植物及食物的电解液、日常生活及交 通工具的振动及压力等作为电力源使用。
课题综述
霍新新2019.12
主要内容
• 波浪能的转换形式
• 有关压电振动子的介绍 • 基于压电能采集的需要而衍生的电路设计
一 波浪能的转换形式分类
传统上：波浪能 机械能 电能 这里面机械能的形式是多种多样的，包括： 利用波浪能的上下沉浮和摇摆而产生的机 械能；利用波浪的爬升将波浪能转化为水 的势能……
目前比较通用的符能器D33
• D33模式的振动符能器 特点：沿压电纤维方向 正负分支电极交叉排 列,上下表面的电极结 构完全对称。d33模式 提供了沿压电纤维长 度方向的极化电场,使 得传感器工作时使用 比较大的压电常数d33。 在电极区附近的电场 分布不均匀
压电振动子的振动模式
• 压电振子的振动模式是指压电振子用来完 成机械能与电能之间相互转化的振动方式。 在设计压电振子时要选择合适的压电振子振 动模式。压电振子的极化方向与电场方向 平行时，产生伸缩振动，压电振子的极化 方向与电场方向垂直时，产生切变振动。
悬臂压电梁电采集的参数分析
固有频率：臂型压电能量采集器处于固有 频率状态下，振动幅度会达到最大值，发 电量也会达到最大。（重要参数） 介温谱：压电陶瓷介电常数随温度变化而变 化的规律图谱。
• 此外，日本大企业也开始涉足能量采集 （EH)领域，比如有名的富士通、松下、 NTT及瑞萨电子等日本大企业也开始正式开 发电力转换元件及EH元件。
功耗决定EH元件的Βιβλιοθήκη Baidu寸
典型EH元件的基本参数
• 此前获得应用的EH元件绝大部分都需要消 耗数μW以上的电力。但为提高易用性而缩 小元件尺寸后，只能获得1μW以下的电力。 并且以往的大多数通用MCU及其外围电路 技术中，最低运行功耗为10μW～100μW。 可提供10μW电力的电力转换元件的尺寸约 为10cm2(数cm见方）以上。 • 如何解决既要使用小尺寸传感器又要满足 使用要求是我们要解决的主要问题。
二 压电振动子方面的介绍
压电振子：各种应用环境不同，我们使用压 电材料时总是把压电材料制成各种不同形 状，在这些不同形状的压电材料表面涂上 电极，就成为压电振子。 压电振动子方面的介绍分为以下两个部分： （1）压电振动子的材料选择：由压电系数的 大小和制作的难易程度来选择。 （2）压电振动子的形状选择：形状关系到力 学性能，比如说压电片的使用寿命等。