孟祥凱　侯玉亮

摘要：隨著人們對環(huán)境和能源越來越關(guān)注，振動(dòng)能量收集技術(shù)已成為能量收集技術(shù)中的一大研究熱點(diǎn)，振動(dòng)能量收集技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)中主要起供電的作用，該技術(shù)主要通過電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換等將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。簡要介紹了振動(dòng)能量收集技術(shù)的原理以及三種能量收集裝置的結(jié)構(gòu)形式，分析了以上三種能量轉(zhuǎn)化方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并著重描述了國內(nèi)外研究人員的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究成果，由此展望了振動(dòng)能量收集技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)能量收集;電磁轉(zhuǎn)換;靜電轉(zhuǎn)換;壓電轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TM619

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.036

1 引言

近幾年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（ MicroelectromechanicalSystems，MEMS）的快速發(fā)展，人們對MEMS元件的尺寸要求也越來越高，即要求元件尺寸的微小化與高精度化。由于MEMS在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，也將面臨越來越復(fù)雜的環(huán)境，所以對MEMS元件的性能要求也將更高，其中最重要的一點(diǎn)是元件的可持續(xù)性。因此，與MEMS元件的可持續(xù)性密切相關(guān)的能量收集技術(shù)受到廣大研究人員的關(guān)注。振動(dòng)能是一種低頻率且功率穩(wěn)定的振動(dòng)能量，它廣泛地分布于生活中的方方面面。在微納米技術(shù)、機(jī)械與材料工程方面的快速創(chuàng)新與發(fā)展使得振動(dòng)能量收集成為可能，因此，振動(dòng)能量采集技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的振動(dòng)能量收集技術(shù)主要包括電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換三種能量收集技術(shù)[1-2]。本文將介紹以上三種技術(shù)的創(chuàng)新方法、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 電磁轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的振動(dòng)能量收集裝置是基于法拉第電磁感應(yīng)定律將生活中的大量振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可利用的電能，該裝置的結(jié)構(gòu)為閉合線圈和永磁體。法拉第電磁感應(yīng)定律表明，只要通過閉合線圈的磁通量產(chǎn)生變化，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生電流，從而對外部系統(tǒng)輸出電能，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，外界的振動(dòng)使閉合線圈或永磁體二者發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，引起通過線圈的磁通量發(fā)生改變，導(dǎo)致感應(yīng)電流的產(chǎn)生，使電能向外部系統(tǒng)輸出。

由于外界的振動(dòng)引起電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置不同部件的振動(dòng)，因此，可以將電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置的結(jié)構(gòu)分為三類，分別為動(dòng)鐵型結(jié)構(gòu)（永磁體發(fā)生振動(dòng)）、動(dòng)圈型結(jié)構(gòu)（閉合線圈發(fā)生振動(dòng)）、鐵圈同振型結(jié)構(gòu)（永磁體和閉合線圈一起振動(dòng)）。動(dòng)鐵型結(jié)構(gòu)即為閉合線圈不動(dòng)，永磁體相對于閉合線圈振動(dòng)，通過閉合線圈的磁通量產(chǎn)生變化，從而使閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出;動(dòng)圈型結(jié)構(gòu)是永磁體不動(dòng)，閉合線圈相對于永磁體發(fā)生振動(dòng)，通過閉合線圈的磁通量產(chǎn)生變化，從而使閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了更進(jìn)一步提高電能的輸出，改善上述兩種結(jié)構(gòu)，即出現(xiàn)了鐵圈同振型結(jié)構(gòu)，鐵圈同振型結(jié)構(gòu)是在外部環(huán)境給系統(tǒng)輸入振動(dòng)時(shí)，永磁體和閉合線圈都發(fā)生振動(dòng)，但二者之間有相對運(yùn)動(dòng)，從而在閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

電磁轉(zhuǎn)換振動(dòng)能量收集技術(shù)不需要額外的驅(qū)動(dòng)電源與功能材料，且輸出電流大。但是有輸出電壓較低、磁體與線圈尺寸較大等缺點(diǎn)。電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置的各種結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分完善，國內(nèi)外很多學(xué)者也對電磁轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了相當(dāng)深入的研究，比如英國南安普頓大學(xué)HAMI[3]的團(tuán)隊(duì)、美國麻省理工學(xué)院AMIRTHARAJAHl4]的團(tuán)隊(duì)、中國上海交通大學(xué)的王佩紅[5]博士等開發(fā)的不同結(jié)構(gòu)的電磁轉(zhuǎn)換能量收集裝置，這其中對懸臂梁形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行的探索最多，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于與MEMS兼容。

2.2 靜電轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)

靜電轉(zhuǎn)換振動(dòng)能量收集技術(shù)的基本原理是靜電效應(yīng)，其主要結(jié)構(gòu)為平行板電容器，通過改變電容來產(chǎn)生電能。在振動(dòng)能量收集器開始對外傳輸電能之前，需要對電容器施加初始電壓，在電容器之間產(chǎn)生電勢差，進(jìn)而感知振動(dòng)激勵(lì)引起極板間距或相對位置的變化，當(dāng)外界的振動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流的流動(dòng)，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化。

國外的研究者對靜電轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)研究較多，比如伯克利大學(xué)的ROUND[6]等人針對電容器兩極板相對位置和間距的不同設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的靜電轉(zhuǎn)換能量收集裝置，即變間距式結(jié)構(gòu)和變面積式結(jié)構(gòu)。

基于靜電轉(zhuǎn)換的振動(dòng)能量收集方式不需要功能材料，輸出電壓較高，易與MEMS技術(shù)集成，且不需考慮諧振效應(yīng)，因此具有較寬頻帶的能量收集范圍。但是，該技術(shù)需要外部電壓源，且產(chǎn)生的電流低、電容氣隙小，因此，其實(shí)現(xiàn)較困難、能量收集裝置的加工工藝比較復(fù)雜、效率較低，這些缺點(diǎn)限制了靜電轉(zhuǎn)換能量收集裝置的應(yīng)用范圍。

2.3 壓電式能量收集技術(shù)

壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)的基本原理是壓電效應(yīng)，是壓電材料發(fā)生正壓電效應(yīng)，將外界的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可利用的電能的過程。壓電陶瓷在某個(gè)方向上受到外部作用力而發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并且在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)電荷量相等但正負(fù)相反的電荷，當(dāng)作用力的方向發(fā)生變化時(shí)，電荷的極性也發(fā)生變化;當(dāng)外力撤除后，它又會(huì)恢復(fù)到原來不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)就是由正壓電效應(yīng)將振動(dòng)能變化成電能。

國內(nèi)外科研學(xué)者也對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置作了深入的研究，其中包括對壓電材料的研究和對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置結(jié)構(gòu)的研究分析。上海交通大學(xué)的董璐[7]團(tuán)隊(duì)、大連理工大學(xué)的褚金本[8]墩授的團(tuán)隊(duì)、吉林大學(xué)的劉艷濤[9]和國外的SAADON[10]等團(tuán)隊(duì)皆對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的分析研究和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一系列結(jié)構(gòu)，比如懸臂梁結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、鈸式結(jié)構(gòu)、螺旋梁式結(jié)構(gòu)等，對壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。在眾多結(jié)構(gòu)中，單懸臂梁結(jié)構(gòu)[11]是研究的最透徹的，在應(yīng)用方面也取得不錯(cuò)的發(fā)展。由于壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置不需要驅(qū)動(dòng)電源，機(jī)電轉(zhuǎn)換性能高、輸出電壓高、環(huán)境適應(yīng)能力好、結(jié)構(gòu)緊湊，并且與MEMS集成度高，所以在國內(nèi)外掀起了對此領(lǐng)域的研究熱潮，但無論結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)參數(shù)如何變化，其最終目的就是能夠投入到實(shí)際應(yīng)用中。

目前，壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置在濾波器、傳感器、信息技術(shù)[11-12]領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。但由于該裝置存在充電泄漏、電容性、高輸出阻抗、非線性效應(yīng)和壓電材料比較脆、容易疲勞等缺點(diǎn)，因此，還需要大量的研究和創(chuàng)新才能讓壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)在MEMS中廣泛使用。

3 研究展望

目前，對電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換能量收集技術(shù)做了大量研究，電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換能量收集裝置結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和研究還在不斷改進(jìn)和完善，一些更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)也逐步被研究人員開發(fā)出來，并投入實(shí)際工程應(yīng)用。盡管對各種振動(dòng)能量收集方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)了大量的分析研究，但還有多項(xiàng)問題有待解決，比如提高收集效率、耦合性能、集成性能，擴(kuò)大頻率范圍，降低成本等問題，且很多設(shè)計(jì)僅處于實(shí)驗(yàn)與猜想階段。從振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究進(jìn)展來看，未來的研究工作應(yīng)注重于新型振動(dòng)能量收集裝置的微型化和集成化、多功能化、壽命、結(jié)構(gòu)等方面的研究，以期獲得更加有工程應(yīng)用前景的技術(shù)。

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