武 瑛

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160）

0 引 言

開發(fā)利用可再生能源發(fā)電、實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，是未來電力行業(yè)發(fā)展的主流。壓電發(fā)電技術(shù)以其綠色、環(huán)保、無污染的特點，逐漸進入人們的智能生活。從智能鞋、可穿戴電子設(shè)備、觸摸屏、智能地板到微型精密操作手，都引入了壓電發(fā)電技術(shù)。本文從專利的視角，分析目前壓電發(fā)電技術(shù)在智能生活中的應(yīng)用，對于我國智能技術(shù)的發(fā)展將起到有力的促進作用。

1 壓電發(fā)電原理

某些晶體（如石英）沿著一定方向受到外力發(fā)生變形時，晶體內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。反之，若將這些晶體置于電場中，其幾何尺寸也會產(chǎn)生幾何變形，這種在外電場作用下，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”[1]。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，能夠?qū)崿F(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。這種能量轉(zhuǎn)換過程綠色、無污染。常用的壓電材料有兩大類：一種是壓電單晶體，如石英等；另一種是多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等[1]。

2 壓電發(fā)電技術(shù)的智能應(yīng)用

利用涉及壓電效應(yīng)的分類號H02N2在CNTXT專利數(shù)據(jù)庫（中國專利全文數(shù)據(jù)庫）中檢索，專利申請量統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，壓電發(fā)電技術(shù)在2010年以后逐漸迅速發(fā)展。隨著智能化生活的推進，壓電發(fā)電技術(shù)逐漸向著智能化領(lǐng)域發(fā)展。

圖1 H02N2相關(guān)專利申請量的發(fā)展變化

本文利用CNTXT專利數(shù)據(jù)庫對2010年以來公開的智能化領(lǐng)域的壓電發(fā)電技術(shù)專利進行檢索，分析研究壓電智能技術(shù)在中國的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，以為相關(guān)科研人員的研發(fā)提供參考。本文數(shù)據(jù)截止到2022年9月30日，共檢索到737件專利申請，通過瀏覽去噪，將目前壓電智能技術(shù)的發(fā)展分為以下幾個大的方向。

2.1 電子設(shè)備的供電

隨著電子通信技術(shù)的快速發(fā)展和人類生活水平的不斷提高，日常生活中出現(xiàn)了大量的便攜式可穿戴移動電子設(shè)備，如智能手機、智能手表、智能手環(huán)及血壓監(jiān)測儀等。這些可穿戴設(shè)備能夠進行無線連接和通信，可用于人類生活的諸多方面，從而可改善生活品質(zhì)，使人們的生活更加便捷。通過壓電智能技術(shù)，可充分利用人體動能為智能電子設(shè)備供電，實現(xiàn)信息采集。壓電智能設(shè)備可設(shè)置在鞋、衣服等中，舉例如下。

CN104337107A提出一種基于壓電材料的人體動能供電智能鞋。鞋體的底部嵌入壓電發(fā)電單元，利用人體的生物動能，為可穿戴電子設(shè)備持續(xù)供電，實現(xiàn)無需外接充電的智能鞋類產(chǎn)品。將多種傳感器嵌入到鞋子中，實現(xiàn)計步、測速、測距、心率、血壓、路線跟蹤及游戲控制等多種功能。自供能可穿戴電子設(shè)備可降低電池的使用，從而緩解廢舊電池污染環(huán)境的問題[2]。

CN109936306A提出一種發(fā)電織物結(jié)構(gòu)及其制備方法，涉及壓電智能織物技術(shù)領(lǐng)域，采用以芯電極作為芯層、PVDF纖維作為殼層的連接紗線與第一導(dǎo)電織物和第二導(dǎo)電織物制備發(fā)電織物結(jié)構(gòu)，以芯電極作為輸出電極，第一導(dǎo)電織物和第二導(dǎo)電織物中的導(dǎo)電紗線作為另一個電極，使得第一導(dǎo)電織物和第二導(dǎo)電織物受外力發(fā)生形變時，連接紗線的PVDF纖維殼層內(nèi)表面和外表面之間因壓電效應(yīng)產(chǎn)生極性相反的電荷并形成電勢差，從而產(chǎn)生電流。該發(fā)電織物結(jié)構(gòu)用于智能織物后，由于壓電電勢差來自PVDF纖維殼層的內(nèi)外表面，獨特的發(fā)電結(jié)構(gòu)可避免短路現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

CN112847299A提出一種人體關(guān)節(jié)能量回收裝置，用于捕獲關(guān)節(jié)的運動生物能，從而產(chǎn)生電能。所產(chǎn)生的電能可為可穿戴電子裝置提供實時電能供應(yīng)。該裝置采用直線滑軌機構(gòu)并與佩戴者的第一肢體、第二肢體配合以組成曲柄滑塊機構(gòu)，將關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)化為直線滑軌機構(gòu)的直線運動。彎曲梁結(jié)構(gòu)將直線滑軌機構(gòu)的直線運動轉(zhuǎn)化為彎曲運動。壓電薄膜可粘附于彎曲梁上下表面。在行走過程中，彎曲梁發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致壓電薄膜被拉伸或壓縮，從而生成電能。柔性壓電薄膜易彎曲、可變形量大、能量轉(zhuǎn)換效率高?？纱┐麟娮友b置可以為智能手環(huán)、智能手表及智能心電監(jiān)測儀等[4]。

2.2 吸音降噪

噪聲作為一種常見的環(huán)境污染因素，對人們的聽力和身體健康有嚴重的影響。隨著道路交通的發(fā)展，生產(chǎn)生活水平的改善，噪聲問題愈為嚴重。吸音降噪、獲得安靜舒適的環(huán)境，引發(fā)全球的關(guān)注。利用壓電材料進行噪聲發(fā)電，實現(xiàn)變廢為寶，對于噪聲污染治理有著重大意義，舉例如下。

CN113162474A提出一種噪聲發(fā)電裝置及其發(fā)電方法。噪聲發(fā)電裝置包括降噪發(fā)電部分和控制部分。降噪發(fā)電部分包括依次從前至后設(shè)置的防護聚聲層、亥姆霍茲共振層、旋轉(zhuǎn)式復(fù)合彈性薄膜壓電層以及寬頻吸聲降噪層，利用頻譜傳感器、壓電振子模塊及單片機等，實現(xiàn)自動適應(yīng)環(huán)境中不同頻段噪聲，提高聲電轉(zhuǎn)換效率。在噪聲作用下，復(fù)合彈性薄膜壓電層受迫振動產(chǎn)生電流，剩余的噪聲由寬頻吸聲降噪層吸收[5]。

CN108374707A針對汽車發(fā)動機噪聲，提出一種自動調(diào)節(jié)腔體的磁流變排氣消音器。氣流吹到壓電振子產(chǎn)生氣體動壓力，氣流中聲波的振動使壓電陶瓷所受應(yīng)力交替增加和減小，即將聲能轉(zhuǎn)換成電能。通過壓電陶瓷吸收低頻聲波，利用穿孔板和玻璃棉共同作用吸收中高頻聲波，吸收頻帶寬[6]。

2.3 智能交通

城市中，交通擁堵時有發(fā)生。若交通信號燈變換時間控制不精細，容易導(dǎo)致資源不能合理利用的情況，如行人方向綠燈點亮，卻沒有行人通過，而機動車仍舊被迫等待。另外，大廈的樓道里通宵開燈會造成能源浪費。利用壓電智能技術(shù)，可以有力促進交通智能化，合理利用交通資源，節(jié)約能源，舉例如下。

CN103134553A提出一種壓電自發(fā)電的車速與車距智能監(jiān)測系統(tǒng)，包括車速與車距智能監(jiān)測單元和壓電自發(fā)電單元。車速與車距智能監(jiān)測單元包括橫向間隔排列鋪設(shè)在道路路面下的前壓電帶和后壓電帶以及智能控制器。智能控制器由依次相接的放大電路模塊、濾波電路模塊、遲滯比較器電路模塊以及微處理器模塊構(gòu)成。微處理器模塊的輸出端接有數(shù)顯警示牌，通過前、后壓電帶實時采集信號，獲取車速信息、車距信息并顯示。壓電自發(fā)電單元包括多個壓電換能器、整流濾波電路以及蓄電池。通過壓電換能器把行車荷載的作用轉(zhuǎn)化為電能，作為系統(tǒng)有效運作的能量來源，無需外接電源，既環(huán)保又經(jīng)濟，并且克服了偏遠地區(qū)電能短缺的難題。操作過程無需人工控制，節(jié)省人力物力，節(jié)省維護維修成本。數(shù)顯警示牌為LED顯示屏或LCD顯示屏，可作為智能交通系統(tǒng)的一部分[7]。

CN102677846A提出一種智能型綠能指示地磚，包括多個壓電轉(zhuǎn)換地磚，鋪設(shè)排列于逃生梯或表演廳的走道上。在這些壓電轉(zhuǎn)換地磚的一側(cè)或兩側(cè)周邊，另鋪設(shè)有相對應(yīng)的發(fā)光二極管。壓電轉(zhuǎn)換地磚被踩踏而產(chǎn)生的電能經(jīng)整流后輸出于發(fā)光二極管，進而形成逃生方向的指示燈。在沒有人行走時，照明裝置不需要點亮，從而避免不必要的能源浪費[8]。

2.4 觸覺致動器

電子設(shè)備包括多種輸入、輸出設(shè)備，如觸摸屏、鍵盤、鼠標等，響應(yīng)于用戶的輸入，將觸覺輸出給觸覺輸出設(shè)備，可增強用戶與設(shè)備的交互體驗，舉例如下。

CN107526435A提出一種觸覺致動器，包括壓電材料和耦接到該壓電材料表面的電壓電極圖案。電壓電極是可單獨控制以將電壓提供給壓電材料的不同部分。響應(yīng)于電壓的施加，壓電材料的不同區(qū)段可操作為偏轉(zhuǎn)，從而在那些位置產(chǎn)生觸覺輸出。不同的電壓可被提供給電壓電極中的一個或多個電壓電極以影響偏轉(zhuǎn)的位置，并因此影響觸覺輸出。觸覺輸出系統(tǒng)結(jié)合密封的觸覺元件以產(chǎn)生觸覺輸出至用戶。觸覺致動器可設(shè)置在觸控板、觸摸屏或其他電子設(shè)備中[9]。

CN104020844A公開了一種具有線性共振致動器的觸覺設(shè)備，用于設(shè)置有觸摸屏的電子設(shè)備。觸摸屏從用戶接收輸入，觸覺設(shè)備響應(yīng)于用戶的輸入而生成觸覺效果，包括配置為生成觸覺效果的致動器，以及配置為把驅(qū)動信號傳送到致動器并且在驅(qū)動信號被終止生成觸覺效果之前或同時把制動信號傳送到致動器的處理器。該制動信號具有基本與致動器的共振頻率相同的頻率并且與驅(qū)動信號反相。觸覺效果可增強用戶體驗。電子設(shè)備可以是臺式計算機、移動電話、游戲設(shè)備等[10]。

CN102741786A提出一種在電子設(shè)備的觸摸板中設(shè)置嵌入式壓電元件的系統(tǒng)，觸摸板由一個或更多個放置在該觸摸板內(nèi)部的壓電元件形成。觸摸板控制器識別該觸摸板上發(fā)生的觸摸，并基于觸摸的發(fā)生生成一個或更多個控制信號。電壓源收到所述一個或更多個產(chǎn)生的控制信號，并基于所述一個或更多個控制信號向所述一個或更多個壓電元件中的至少一個提供電壓。壓電致動器集成在觸摸板內(nèi)部，可提供觸摸板與壓電致動器之間良好的機械連接，從而能夠使從壓電致動器到觸摸板的振動的傳導(dǎo)被最大化[11]。

2.5 精密驅(qū)動

精密驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)在微型機器人、航空航天、醫(yī)療器械以及精密定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。壓電智能材料因具有體積小、變形大、不受磁場干擾和驅(qū)動電壓低等優(yōu)點而受到關(guān)注和應(yīng)用。國內(nèi)外壓電精密驅(qū)動器按照運動方式一般分為直接驅(qū)動式、尺蠖式和沖擊式，舉例如下。

CN111308638A提出一種基于壓電驅(qū)動的鏡頭移動機構(gòu)，由兩個壓電疊堆共同驅(qū)動，在相同的直流電壓信號驅(qū)動下伸長變形，帶動柔性鉸鏈發(fā)生變形，在放大機構(gòu)杠桿作用下，對壓電疊堆輸出位移進行放大，通過柔性鉸鏈三級位移放大作用，移動環(huán)處獲得較大的直線運動位移，大大提高了鏡頭移動距離。移動環(huán)與殼體之間通過導(dǎo)軌副移動，實現(xiàn)鏡頭精準移動，且在殼體中留有位移檢測傳感器位置，方便測量移動環(huán)及鏡頭的移動位[12]。

CN104201934A提出一種微型沖擊式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在所述軸承架的兩側(cè)對稱設(shè)置有壓電陶瓷片。壓電陶瓷片平行于軸承架，由軸承單元和壓電陶瓷片構(gòu)成軸承驅(qū)動模塊。旋轉(zhuǎn)軸的兩端貫穿軸承套圈的中心，由兩端軸承套圈內(nèi)側(cè)面對旋轉(zhuǎn)軸施加設(shè)定的軸向預(yù)夾緊力，通過輸入非對稱的鋸齒形電壓，控制兩端軸承驅(qū)動模塊中的壓電陶瓷片交替伸長和縮短，利用慣性沖擊作用實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的步進運動。結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，驅(qū)動方式簡單，適宜于微型化[13]。

CN109713934A提出一種柔順爬行致動機構(gòu)，包括前箝位機構(gòu)、運動伸縮機構(gòu)、后箝位機構(gòu)、位移放大機構(gòu)、斷電箝位機構(gòu)及剛性導(dǎo)軌。前箝位機構(gòu)和后箝位機構(gòu)對稱分布在運動伸縮機構(gòu)的上下兩側(cè)，前箝位機構(gòu)、運動伸縮機構(gòu)和后箝位機構(gòu)位于剛性導(dǎo)軌內(nèi)，均為通過受到外部激勵可伸縮的壓電智能材料機構(gòu)。通過計算機程序控制各機構(gòu)的伸縮，實現(xiàn)致動機構(gòu)柔順爬行、進行轉(zhuǎn)彎等曲線運動[14]。

3 結(jié) 語

隨著一次能源面臨短缺、耗竭，在我國2030年達成碳達峰、2060年前后實現(xiàn)碳中和的背景下，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已成為社會的共識。隨著社會的發(fā)展，綠色能源的占比將會不斷提高，并最終成為主導(dǎo)能源。發(fā)展可再生能源是我國實現(xiàn)雙碳目標的必經(jīng)之路。壓電智能技術(shù)以其綠色、環(huán)保、無污染的特點，逐漸進入人們的生產(chǎn)生活中，在智能發(fā)電、吸音降噪、智能交通、觸控反饋、精密驅(qū)動領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，對我國智能技術(shù)的發(fā)展將起到有效的促進作用。