压电式能量收集器发展现状及产品研究
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图 2 MIT 研发的压电发电鞋
Granstrom 等利用 PVDF 作为背包的肩部背带， 当人行走时，肩部产生的力传给背带，背带就会把这 种力转换为电能。该能量收集装置的压电器件采用 的材质为 2024-T351 Aircraft grade aluminum，结构 采用柔性结构，输出平均功率为 0.176 mW.见图 3.
收稿日期：2018-02-25 作者简介：李 旭（1988-），女，河北秦皇岛人，硕士，工程师，研究方向：机械动力学。
82
《装备制造技术》2018 年第 05 期
60N lsometric View
图 1 Innowattech 公司能量收集系统
Fixed Face 60N
图 3 压电发电背包
1.2 物联网、无线传感网领域 如今人类正跨入物联网时代，智能化的设备装
置都将实现互通，其中无线传感器组网是实现物联 网的关键技术，而它的发展却受到电源供电的很大 限制，为实现真正的无线组网，应该为其配备自供电 模块，压电能量采集器便能实现这一目标。
MicroGen Systems 公司（下称“MicroGen”）去年 于美国伊利诺伊州罗斯蒙特举办的“Sensors Expo and Conference”展览会（会期为 2013 年 6 月 5 日至 6 日） 上宣布：振动能量收集器 BOLT Power Cell 实现了一 款实时无线传感器网络 （WSN），其采用凌力尔特 （Linear Technology） 公司的 Dust Networks LTC5800IPM SmartMeshTM IP 片内微尘。凌力尔特微尘由 Mi原 croGen 的压电式微机电系统（压电式 MEMS）振动能 量收集器或微功率发电机（MPG）技术进行供电。 1.3 日常便携式电子设备
中图分类号：TN384
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2018）05-0082-04
0 引言
过去几十年，便携式电子设备和无线传感网 （WSN）得到了快速发展，其在人体健康检测、环境监 测控制、军事安全、动物追踪、智能楼宇、智能家居等 方面得到了广泛的应用[1]。一直以来，这些器件依靠 传统的化学电池提供能量，然而化学电池相对于微 电子器件体积较大，需要长时间提供能量的无线传 感器需要定期更换电池。这不仅给无线传感器带来 很多不便和经济负担而且还造成环境的污染。有些 场合，比如嵌入在动物和人体内的电子设备更换电 池相当困难[2]。化学电池固有的缺点限制了便携式电 子设备和无线传感网的应用，成为其发展的瓶颈之 一。为了解决这一问题，除了研发高性能的电化学电 池外，越来越多的学者将目光投向从环境中收集能 量为微电子器件供电，以取代传统电池[3-7]。能量收集 器作为能量收集的器件可以从环境中收集不同类型 的能量，如静电、太阳能、射频辐射、机械振动等。机 械振动在自然界无处不在，具有较高的能量密度，使 得基于机械振动的能量收集器具有可以长期供电、 不易受天气和应用场合限制等优点，从而越来越成 为一个备受关注的研究领域[8-9]。机械振动转化为电 能的方式有三种：电磁式、静电式和压电式，各有优 缺点。压电式能量收集器具有结构简单、高能量密度 [10]、寿命长、可以与 MEMS 兼容等优点，最近几十年得 到快速发展，成为最具潜力的能量收集器件之一。伴 随着智能化设备的普及、物联网的快速发展以及便 携式电子设备的推广，能量收集器件和系统的需求 进一步增加，国际上相关科研机构和公司纷纷投入
Equipment Manufacturing Technology No.05，2018
压电式能量收集器发展现状及产品研究
李旭
（中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209）
摘 要：首先，分析了压电能量收集器的产生背景和转化方式。其次，综述了国内外压电能量收集器关键技术的工业应 用，列举压电能量收集器在物联网、传感器、生物医学等领域的应用实例。最后，从理论方面、器件设计方面、应用领域方 面分析了压电式能量收集器的发展趋势。 关键词：能量收集；压电；振动；微机电
种信息板、信号灯、反光路钮等都需要能量供应，因 此铺面技术的发展对道路能量收集技术也有广阔的 需求[11]。
2008 年以色列的 Innowattech 公司与海法理工学 院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统 Innowattech Piezo Electric Generato（r IPEG）。采用该能 量收集系统，交通量为 600 的一条双车道道路上能产 生 0.4 以上的电量，可支持 400 ~ 600 户家庭的日常 用电。
巨资进行能量收集器的研究与开发，从材料、结构、 采集电路等影响压电能量收集器的性能关键因素突 破，来满足日益增长的市场需求。本文主要对比归纳 了压电式能量收集器的应用领域、研发机构和上市产 品。然后对压电式能量收集器未来的发展趋势进行 了深刻的探讨。
1 压电式能wenku.baidu.com收集器关键技术国内外研究现 状
1.1 工业应用 智能道路中大量的传感器件以及交通工程中各
Innowattech[12]采用的压电装置包括嵌入在粘合剂 多个 PZT 材质压电杆，将这些压电装置进行阵列，嵌 入在道路中可以收集人行道、公路、铁轨、飞机跑道振 动所产生的能量，并将这些能量应用于为各种信息 板、信号灯、反光路纽、路灯、电动车充电站等多个装 置的供电。此外，还可以将压电装置嵌入在工厂设备 的基座下，用以收集设备在运行过程中振动产生的能 量，并将能量应用于其他设备的供电。如图 1 所示 。
随着现在电子设备功耗越来越低，能量收集器 所输出的功率可以满足电子设备的功率要求，进而 代替传统的电池能源。可携带电子器件在过去几十 年得到了快速的发展，在人类各个生活领域得以应 用。早在 1998 年，MIT 就利用 PVDF 制作了压电发电 鞋，它们采用的是一种 PZT 压电材料，由于这种材料 为脆性材质，不能弯曲，因而研究者将 PZT 压电器件 安置在一个附属装置里，并间接地将人行走时的能 量转换为电能[13]。如图 2 所示。
Granstrom 等利用 PVDF 作为背包的肩部背带， 当人行走时，肩部产生的力传给背带，背带就会把这 种力转换为电能。该能量收集装置的压电器件采用 的材质为 2024-T351 Aircraft grade aluminum，结构 采用柔性结构，输出平均功率为 0.176 mW.见图 3.
收稿日期：2018-02-25 作者简介：李 旭（1988-），女，河北秦皇岛人，硕士，工程师，研究方向：机械动力学。
82
《装备制造技术》2018 年第 05 期
60N lsometric View
图 1 Innowattech 公司能量收集系统
Fixed Face 60N
图 3 压电发电背包
1.2 物联网、无线传感网领域 如今人类正跨入物联网时代，智能化的设备装
置都将实现互通，其中无线传感器组网是实现物联 网的关键技术，而它的发展却受到电源供电的很大 限制，为实现真正的无线组网，应该为其配备自供电 模块，压电能量采集器便能实现这一目标。
MicroGen Systems 公司（下称“MicroGen”）去年 于美国伊利诺伊州罗斯蒙特举办的“Sensors Expo and Conference”展览会（会期为 2013 年 6 月 5 日至 6 日） 上宣布：振动能量收集器 BOLT Power Cell 实现了一 款实时无线传感器网络 （WSN），其采用凌力尔特 （Linear Technology） 公司的 Dust Networks LTC5800IPM SmartMeshTM IP 片内微尘。凌力尔特微尘由 Mi原 croGen 的压电式微机电系统（压电式 MEMS）振动能 量收集器或微功率发电机（MPG）技术进行供电。 1.3 日常便携式电子设备
中图分类号：TN384
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2018）05-0082-04
0 引言
过去几十年，便携式电子设备和无线传感网 （WSN）得到了快速发展，其在人体健康检测、环境监 测控制、军事安全、动物追踪、智能楼宇、智能家居等 方面得到了广泛的应用[1]。一直以来，这些器件依靠 传统的化学电池提供能量，然而化学电池相对于微 电子器件体积较大，需要长时间提供能量的无线传 感器需要定期更换电池。这不仅给无线传感器带来 很多不便和经济负担而且还造成环境的污染。有些 场合，比如嵌入在动物和人体内的电子设备更换电 池相当困难[2]。化学电池固有的缺点限制了便携式电 子设备和无线传感网的应用，成为其发展的瓶颈之 一。为了解决这一问题，除了研发高性能的电化学电 池外，越来越多的学者将目光投向从环境中收集能 量为微电子器件供电，以取代传统电池[3-7]。能量收集 器作为能量收集的器件可以从环境中收集不同类型 的能量，如静电、太阳能、射频辐射、机械振动等。机 械振动在自然界无处不在，具有较高的能量密度，使 得基于机械振动的能量收集器具有可以长期供电、 不易受天气和应用场合限制等优点，从而越来越成 为一个备受关注的研究领域[8-9]。机械振动转化为电 能的方式有三种：电磁式、静电式和压电式，各有优 缺点。压电式能量收集器具有结构简单、高能量密度 [10]、寿命长、可以与 MEMS 兼容等优点，最近几十年得 到快速发展，成为最具潜力的能量收集器件之一。伴 随着智能化设备的普及、物联网的快速发展以及便 携式电子设备的推广，能量收集器件和系统的需求 进一步增加，国际上相关科研机构和公司纷纷投入
Equipment Manufacturing Technology No.05，2018
压电式能量收集器发展现状及产品研究
李旭
（中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209）
摘 要：首先，分析了压电能量收集器的产生背景和转化方式。其次，综述了国内外压电能量收集器关键技术的工业应 用，列举压电能量收集器在物联网、传感器、生物医学等领域的应用实例。最后，从理论方面、器件设计方面、应用领域方 面分析了压电式能量收集器的发展趋势。 关键词：能量收集；压电；振动；微机电
种信息板、信号灯、反光路钮等都需要能量供应，因 此铺面技术的发展对道路能量收集技术也有广阔的 需求[11]。
2008 年以色列的 Innowattech 公司与海法理工学 院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统 Innowattech Piezo Electric Generato（r IPEG）。采用该能 量收集系统，交通量为 600 的一条双车道道路上能产 生 0.4 以上的电量，可支持 400 ~ 600 户家庭的日常 用电。
巨资进行能量收集器的研究与开发，从材料、结构、 采集电路等影响压电能量收集器的性能关键因素突 破，来满足日益增长的市场需求。本文主要对比归纳 了压电式能量收集器的应用领域、研发机构和上市产 品。然后对压电式能量收集器未来的发展趋势进行 了深刻的探讨。
1 压电式能wenku.baidu.com收集器关键技术国内外研究现 状
1.1 工业应用 智能道路中大量的传感器件以及交通工程中各
Innowattech[12]采用的压电装置包括嵌入在粘合剂 多个 PZT 材质压电杆，将这些压电装置进行阵列，嵌 入在道路中可以收集人行道、公路、铁轨、飞机跑道振 动所产生的能量，并将这些能量应用于为各种信息 板、信号灯、反光路纽、路灯、电动车充电站等多个装 置的供电。此外，还可以将压电装置嵌入在工厂设备 的基座下，用以收集设备在运行过程中振动产生的能 量，并将能量应用于其他设备的供电。如图 1 所示 。
随着现在电子设备功耗越来越低，能量收集器 所输出的功率可以满足电子设备的功率要求，进而 代替传统的电池能源。可携带电子器件在过去几十 年得到了快速的发展，在人类各个生活领域得以应 用。早在 1998 年，MIT 就利用 PVDF 制作了压电发电 鞋，它们采用的是一种 PZT 压电材料，由于这种材料 为脆性材质，不能弯曲，因而研究者将 PZT 压电器件 安置在一个附属装置里，并间接地将人行走时的能 量转换为电能[13]。如图 2 所示。