關(guān)鍵詞：電子科技論文發(fā)表,核心期刊論文發(fā)表,微能電源,技術(shù)進展

　　近年來,為了探索新型的使用壽命長、能量密度高的微能源,國內(nèi)外學者開始收集人體、聲音、道路、高層建筑等周圍環(huán)境中的振動,以實現(xiàn)微納機電系統(tǒng)的自我供能,這將有望解決能源微型化過程中電池體積大、一次性使用壽命短、能量密度小等問題。

　　靜電式微能源目前,T.Sterken等人[5]提出的靜電式發(fā)電機采用靜電梳齒結(jié)構(gòu)和MEMS工藝,在150V的激勵下、振動頻率為1020Hz的環(huán)境中,獲得1μW功率輸出;在3750Hz下得到16μW功率。美國Berkeley大學S.Roundy等人[6]研制出的靜電式發(fā)電機采集120Hz的低頻振動(圖略),采用變間距式改變電容,仿真和實驗結(jié)果證實變間距式的結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢,當在120Hz,2.25m/s2的加速度振動下,輸出功率密度達116μW/cm2。(圖略)為變面積式結(jié)構(gòu)。Y.Chiu等人[7]提出了一種靜電式微能源,利用鎢球調(diào)節(jié)裝置的固有頻率,整合機械開關(guān)被安放在換能器內(nèi),實現(xiàn)同步能量轉(zhuǎn)換。

　　東京大學T.Tsutsumino等人[8]提出了一種靜電式發(fā)電機,其利用高性能的有機膜全氟樹脂(CYTOP)作為駐極體材料來提供電荷,加載20Hz振動,振動幅度的峰峰值為1mm,最大輸出功率達6.4μW。電磁式微能源目前在電磁能量轉(zhuǎn)換研究方面工作較突出的是英國Southampton大學,從2004年開始采用硅微加工技術(shù)制作了微型電磁式振動能量采集器,在1.615kHz的振動頻率下,輸入加速度為0.4g時,其產(chǎn)生的最大輸出功率為104nW[9];此外還提出了一種發(fā)電機在9.5kHz,1.92m/s2加速度振動驅(qū)動下,獲得21nW的電能[10]。D.Spreemann等人[11]設(shè)計了一個雙自由度電磁式能量采集器,中心轉(zhuǎn)子帶動磁鐵運動,使磁通量產(chǎn)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,克服了單自由度能量采集器固有頻率的限制,適用于實際環(huán)境中的振動。

　　在低頻環(huán)境中30~80Hz,可得到3mW的功率。H.Kulah等人[12]提出了一種鐵圈同振型發(fā)電機,通過一個電磁式頻率放大器將低頻振動轉(zhuǎn)換成高頻振動,而輸出功率與振動頻率的三次方成正比,從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。P.H.Wang等人[13]提出了一種銅平面彈簧式結(jié)構(gòu),為了獲得更低的固有頻率,測試結(jié)果顯示在121.25Hz頻率和1.5g的加速度下,開路電壓為60mV。以上研究初步達到了電磁發(fā)電單獨供能的目的,但在提高電源的能量密度和轉(zhuǎn)換效率,以及輸出能量收集與控制方面仍需要進行大量的研究工作。

　　壓電式微能源為了在低頻低強度的普通環(huán)境中提高轉(zhuǎn)換效率,大多數(shù)研究對微能源的結(jié)構(gòu)進行了改進。S.Roundy等人[14]制作的矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電機在120Hz、加速度為2.5m/s2下,產(chǎn)生25μW/cm2的能量。D.Shen等人[15]研制的低頻(183.8Hz)能量采集器,采用單矩形懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu),體積僅為0.769cm3,輸出平均能量為0.32μW,能量密度為41.625μW/cm2。E.K.Reilly等人[16]研究了矩形、梯形、螺旋形等不同結(jié)構(gòu)的壓電懸臂梁。

　　研究表明,螺旋形結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力最大,可產(chǎn)生較大的形變,輸出較高的電能,梯形結(jié)構(gòu)次之。但是由于矩形結(jié)構(gòu)加工簡單,故被廣泛應(yīng)用。2010年,G.Zhu等人[17]收集說話聲音,采用豎直結(jié)構(gòu)的ZnO納米線陣列代替常用的PZT壓電材料制成了納米發(fā)生器,通過實驗證實了在-100dB強度的聲波振動下,輸出峰值為50mV的交流電壓。近年來國內(nèi)吉林大學、上海交通大學、大連理工大學等[18-20]也開展了關(guān)于壓電振子發(fā)電的微能源研究工作,并在壓電微能源應(yīng)用研制方面取得了一定的研究成果。通常環(huán)境下振動分布在一個較寬的頻率范圍內(nèi),如果微能源帶寬過窄,則不能滿足實際需求。目前的頻帶擴展方法主要有陣列式[21-22]、多梁-多質(zhì)量塊系統(tǒng)[23]以及頻率可調(diào)式[24-25]。陣列式是通過具有不同固有頻率的單懸臂梁-單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)頻帶擴展,即使振動頻率改變,某些頻率的懸臂梁也會處于工作狀態(tài);多梁-多質(zhì)量塊系統(tǒng)是通過使結(jié)構(gòu)某兩階頻率接近來實現(xiàn)頻帶擴展;頻率可調(diào)式分為主動調(diào)頻和被動調(diào)頻。

　　主動調(diào)頻需要調(diào)頻器,而調(diào)頻器耗能大于產(chǎn)生的能量,故不可行;被動調(diào)頻需要激勵和傳感器,這提高了復雜性和成本。2006年,M.Ferrari等人[26]提出了一種多頻能量轉(zhuǎn)換器,覆蓋100~300Hz波段;2007年A.IbrahimSari等人[27]采用不同長度懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)擴大了微型發(fā)電機的帶寬,在4.2~5kHz的振動頻率下,產(chǎn)生4μW的能量,覆蓋800Hz的波段。上海交通大學的馬華安等人[28]采用永磁鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)量塊,并且在質(zhì)量塊的上方和下方也放置了不同極性的永磁鐵,通過吸引力和排斥力來調(diào)整壓電懸臂梁的固有頻率,固有頻率范圍拓寬為80~100Hz。電能采集、存儲電路微小能量的采集、存儲也是微能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),否則振動產(chǎn)生的微電壓并無實用價值。

　　能量采集存儲電路主要包括整流電路、升壓電路和存儲電路。對于此部分的研究已經(jīng)較為成熟,但大部分都是基于經(jīng)典的分立器件所搭建而成,具有靜態(tài)電流高、采集存儲效率低的特點。LINEAR公司[29]新推出了一款專門面向能量收集的集成芯片LTC3588,它內(nèi)部集成了AC/DC、電荷泵以及電源管理模塊,可以直接采集微小交流電壓信號,持續(xù)輸出100mA的電流信號,且其靜態(tài)電流只需950nA。TI公司[30]在2011年底推出的BQ25504芯片,也同樣集成了采集存儲電路的幾個模塊,其靜態(tài)電流僅為330nA,可以將能量存儲在鋰電池、薄膜電池以及超級電容中,同時其良好的電源管理實現(xiàn)了充放電保護的功能,極大地提高了系統(tǒng)的集成度。

　　它們都具有操作簡單、能量采集存儲效率高、性能穩(wěn)定、價格低廉的特點,可以廣泛地應(yīng)用于由振動驅(qū)動的微能源系統(tǒng)。電能存儲的介質(zhì)選擇也是研究的一項重要內(nèi)容。沈輝[31]對超級電容、鎳氫電池和鋰電池的儲存電荷能力進行了比較,發(fā)現(xiàn)電容器的充放電速度較快,可以迅速地回收產(chǎn)生的電能,同時其充電效率最高可達95%,并且充電次數(shù)理論上也可達無窮次;與之相反,電池的充電速度慢,不能立即使用回收的電能,同時其充電效率僅為92%(鋰電池)、69%(鎳氫電池),使用壽命為500~1000次,但其具有放電時間長、輸出電壓比較穩(wěn)定的特點。經(jīng)過一個月的自放電測試,超級電容自放電效率最高,剩余電量僅為65%,鎳氫電池為70%,鋰離子電池為95%。但是對于需要經(jīng)常充放電的場合,自放電可以忽略,超級電容憑借其可以無限次重復使用的特點,受到了科研人員的青睞。

　　三種不同類型的微能源相比較,壓電式微能源有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成和微型化的獨特優(yōu)點,已經(jīng)應(yīng)用到生活中。日本的研究員在東京火車站的地面上鋪上了四塊包含壓電發(fā)電裝置的地板,其可以顯示產(chǎn)生的能量,可為自動檢票門提供能量[4]。以色列Innowattech公司[32]建立了第一條發(fā)電公路,用預制塊和環(huán)氧樹脂作保護,防止壓電晶體破損。英飛凌公司[33]推出了MEMS傳感器、MCU、RF、MEMS自供電電源四合一的新型TMPS。

　　電磁式微能源的設(shè)計僅在理論指導下進行,對器件進行仿真分析較少[34],所以,難以得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型;壓電微能源的大部分研究都通過改變幾何結(jié)構(gòu)來降低共振頻率、優(yōu)化電路以提高能量轉(zhuǎn)換效率,而對于研究新型的壓電材料來提高系統(tǒng)性能的研究相對較少;由于MEMS的微加工、微裝配與封裝技術(shù)處于發(fā)展階段,使得振動式微能源不能按照設(shè)計要求達到精確制作與裝配,從而難以得到理想結(jié)果。

　　振動驅(qū)動微能源技術(shù)存在以下應(yīng)用方面的問題:實際生活環(huán)境中振動頻率范圍比較寬,從十幾赫茲到幾百赫茲,至今沒有提出有效調(diào)節(jié)頻率的方法。因此,有人提出使用非線性振動模型來研究微能源[35],但目前,這方面的研究還很少。儲存電能的介質(zhì)需要做進一步研究,特別是超級電容,其放電速度快、輸出電壓不是很穩(wěn)定的特性需要改進。理論上微能源具有壽命較長的優(yōu)點,但是實際應(yīng)用環(huán)境中振動加速度和頻率對微能源壽命有很大的影響。振動驅(qū)動微能源已成為各國科學家研究的熱點。

　　目前,電磁式、壓電式微能源的研究相對較多,但是為了提高其性能指標,從而更快應(yīng)用到實際中,振動式微能源的結(jié)構(gòu)還在不斷得到改進、優(yōu)化,并且提出新的結(jié)構(gòu)模型。而靜電式微能源由于需要外部電源,限制了其應(yīng)用,因而研究相對較少。振動驅(qū)動微能源技術(shù)向低頻、多頻、寬頻、非線性振動模型、復合微能源發(fā)展[36-37]。

　　同時,將幾種不同轉(zhuǎn)換形式的微能源集成在同一芯片上,可以綜合不同原理微能源的優(yōu)點,提高能量密度,這些都是微型化和實用化的關(guān)鍵。振動驅(qū)動微能源有望為野外和置入結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)提供高可靠、長時間的電能,為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和便攜式微電子產(chǎn)品提供充足的電源,所以研究振動式微能源有重要的實用意義。