【摘 要】隨著微電子器件、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器以及MEMS等低功耗（幾十到幾百微瓦）產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，從日常環(huán)境中提取能量，給微電子設(shè)備使用已成為研究熱點(diǎn)。一種采用壓電俘能技術(shù)的壓電俘能器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受電磁干擾、無污染、不發(fā)熱和無限壽命等優(yōu)點(diǎn)，能滿足低耗能電子產(chǎn)品的供能需求。本文主要以提高壓電俘能器效率的材料和方法為主題，著重討論了壓電材料、壓電振子工作模式以及其工作原理和類型。

【關(guān)鍵字】壓電俘能器 壓電效應(yīng) 壓電材料 壓電振子

一、引言

能源問題一直是最為關(guān)注的問題。一般情況下，對(duì)于微電子器件、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器以及MEMS等低功耗（幾十到幾百微瓦）產(chǎn)品，都是以傳統(tǒng)的化學(xué)電池提供能量。但隨著微電子器件在尺寸和能耗方面的不斷減小以及微器件數(shù)目越來越多，傳統(tǒng)的化學(xué)電池已不適應(yīng)，它們體積龐大、壽命短、化學(xué)毒性、需要定期更換等缺點(diǎn)就凸顯出來。因此，從周圍環(huán)境中采集能量供給微系統(tǒng)，使其具有較長的壽命甚至無限壽命的研究具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義[1-4]。

環(huán)境中最普遍存在的能量形式是機(jī)械振動(dòng)能量，將這種能量利用機(jī)械振動(dòng)使傳感器發(fā)生位移或形變從而產(chǎn)生電能，如利用壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)、靜電等。其中壓電效應(yīng)與其它方式相比，因?yàn)閴弘姴牧媳旧砑纯砂l(fā)電，不需要額外電源，且具有很高的性能指標(biāo)和能量密度，以及容易集成化等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此采用壓電俘能技術(shù)為微系統(tǒng)供能是一種最有應(yīng)用前景的技術(shù)。

二、壓電材料

PZT壓電陶瓷是最常見的壓電材料之一，具有溫度性能好以及良好的能量俘獲特性。其中軟陶瓷材料具有較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)，而硬陶瓷具有更高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和較低的耦合系數(shù)，具有更好的壓力承受能力以及更高密度的能量。但二者的品質(zhì)因數(shù)質(zhì)量指標(biāo)K2Qm差不多，因此硬陶瓷材料PZT薄膜的機(jī)電性能很好的適應(yīng)MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）。

三、壓電振子的結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)，根據(jù)實(shí)際要求首先要選擇合適的壓電材料，設(shè)計(jì)合適的尺寸和結(jié)構(gòu)，以及選擇合適的壓電振子振動(dòng)模式。壓電振子的振動(dòng)模式是指壓電振子實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能之間轉(zhuǎn)化的振動(dòng)方式。

當(dāng)壓電材料受到環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形或位移，壓電材料因壓電效應(yīng)將在表面產(chǎn)生電荷，電荷的多少與外界機(jī)械力、壓電材料的性能、機(jī)電耦合系數(shù)以及壓電振子的材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)。目前最常見的壓電振動(dòng)能量收集器振子的結(jié)構(gòu)如圖所示。

幾種典型的采集器結(jié)構(gòu)

圖（a）所示的壓電單晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)主要是由單片壓電陶瓷和梁基構(gòu)成，中間用環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠粘結(jié)起來。圖（b）所示的壓電雙晶片懸臂梁則由兩塊壓電陶瓷利用環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠粘結(jié)在基板上，然后將壓電雙晶片串聯(lián)或并聯(lián)。圖（c）所示是在懸臂梁結(jié)構(gòu)的自由端附加了質(zhì)量塊，以增加壓電片的變形量，提高輸出電壓。多層復(fù)合結(jié)構(gòu)是包含兩層以上的壓電晶片結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高輸出電壓和電流，延長器件的使用壽命。圖（d）所示為壓電片堆棧結(jié)構(gòu)，可以轉(zhuǎn)換縱向機(jī)械振動(dòng)能，工作模式為d33 。圖（f）的Cymbal傳感器則由兩個(gè)碟形的金屬帽蓋和位于金屬帽蓋之間的一壓電圓片構(gòu)成，當(dāng)壓電片的厚度為1 mm，直徑為29 mm，空腔直徑為17 mm，鋼帽的高度為1 mm，厚度為0. 3mm時(shí)，在100 Hz、7. 8 N的低頻作用下，產(chǎn)生的功率可達(dá)39 mw。獨(dú)立結(jié)構(gòu)的懸臂梁（圖（g））與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的懸臂梁相比，更有利于電壓與電流源之間的靈活轉(zhuǎn)換以及微電子系統(tǒng)集成。

如圖所述均為線性電振子結(jié)構(gòu)，在常見的外界低頻振動(dòng)環(huán)境（頻率小于1000Hz）中，為了使懸臂梁式壓電振動(dòng)能量采集器的固有頻率與外界低頻振動(dòng)接近，應(yīng)減小俘能器本身的固有頻率。

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