關鍵詞：電子科技論文發表,核心期刊論文發表,微能電源,技術進展

　　近年來,為了探索新型的使用壽命長、能量密度高的微能源,國內外學者開始收集人體、聲音、道路、高層建筑等周圍環境中的振動,以實現微納機電系統的自我供能,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]提出的靜電式發電機采用靜電梳齒結構和MEMS工藝,在150V的激勵下、振動頻率為1020Hz的環境中,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,仿真和實驗結果證實變間距式的結構更有優勢,當在120Hz,2.25m/s2的加速度振動下,輸出功率密度達116μW/cm2。(圖略)為變面積式結構。Y.Chiu等人[7]提出了一種靜電式微能源,利用鎢球調節裝置的固有頻率,整合機械開關被安放在換能器內,實現同步能量轉換。

　　東京大學T.Tsutsumino等人[8]提出了一種靜電式發電機,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,其產生的最大輸出功率為104nW[9];此外還提出了一種發電機在9.5kHz,1.92m/s2加速度振動驅動下,獲得21nW的電能[10]。D.Spreemann等人[11]設計了一個雙自由度電磁式能量采集器,中心轉子帶動磁鐵運動,使磁通量產生變化,產生感應電動勢,克服了單自由度能量采集器固有頻率的限制,適用于實際環境中的振動。

　　在低頻環境中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電機,通過一個電磁式頻率放大器將低頻振動轉換成高頻振動,而輸出功率與振動頻率的三次方成正比,從而提高了能量轉換效率。P.H.Wang等人[13]提出了一種銅平面彈簧式結構,為了獲得更低的固有頻率,測試結果顯示在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電單獨供能的目的,但在提高電源的能量密度和轉換效率,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境中提高轉換效率,大多數研究對微能源的結構進行了改進。S.Roundy等人[14]制作的矩形單懸臂梁結構的壓電發電機在120Hz、加速度為2.5m/s2下,產生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-質量塊結構,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、螺旋形等不同結構的壓電懸臂梁。

　　研究表明,螺旋形結構承受的應力最大,可產生較大的形變,輸出較高的電能,梯形結構次之。但是由于矩形結構加工簡單,故被廣泛應用。2010年,G.Zhu等人[17]收集說話聲音,采用豎直結構的ZnO納米線陣列代替常用的PZT壓電材料制成了納米發生器,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。近年來國內吉林大學、上海交通大學、大連理工大學等[18-20]也開展了關于壓電振子發電的微能源研究工作,并在壓電微能源應用研制方面取得了一定的研究成果。通常環境下振動分布在一個較寬的頻率范圍內,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-多質量塊系統[23]以及頻率可調式[24-25]。陣列式是通過具有不同固有頻率的單懸臂梁-單質量塊結構來實現頻帶擴展,即使振動頻率改變,某些頻率的懸臂梁也會處于工作狀態;多梁-多質量塊系統是通過使結構某兩階頻率接近來實現頻帶擴展;頻率可調式分為主動調頻和被動調頻。

　　主動調頻需要調頻器,而調頻器耗能大于產生的能量,故不可行;被動調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構擴大了微型發電機的帶寬,在4.2~5kHz的振動頻率下,產生4μW的能量,覆蓋800Hz的波段。上海交通大學的馬華安等人[28]采用永磁鐵代替傳統的質量塊,并且在質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的關鍵技術,否則振動產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較為成熟,但大部分都是基于經典的分立器件所搭建而成,具有靜態電流高、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,持續輸出100mA的電流信號,且其靜態電流只需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了充放電保護的功能,極大地提高了系統的集成度。

　　它們都具有操作簡單、能量采集存儲效率高、性能穩定、價格低廉的特點,可以廣泛地應用于由振動驅動的微能源系統。電能存儲的介質選擇也是研究的一項重要內容。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,發現電容器的充放電速度較快,可以迅速地回收產生的電能,同時其充電效率最高可達95%,并且充電次數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、輸出電壓比較穩定的特點。經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,壓電式微能源有結構簡單、易于集成和微型化的獨特優點,已經應用到生活中。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電裝置的地板,其可以顯示產生的能量,可為自動檢票門提供能量[4]。以色列Innowattech公司[32]建立了第一條發電公路,用預制塊和環氧樹脂作保護,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,難以得到最優的結構模型;壓電微能源的大部分研究都通過改變幾何結構來降低共振頻率、優化電路以提高能量轉換效率,而對于研究新型的壓電材料來提高系統性能的研究相對較少;由于MEMS的微加工、微裝配與封裝技術處于發展階段,使得振動式微能源不能按照設計要求達到精確制作與裝配,從而難以得到理想結果。

　　振動驅動微能源技術存在以下應用方面的問題:實際生活環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節頻率的方法。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、輸出電壓不是很穩定的特性需要改進。理論上微能源具有壽命較長的優點,但是實際應用環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,從而更快應用到實際中,振動式微能源的結構還在不斷得到改進、優化,并且提出新的結構模型。而靜電式微能源由于需要外部電源,限制了其應用,因而研究相對較少。振動驅動微能源技術向低頻、多頻、寬頻、非線性振動模型、復合微能源發展[36-37]。

　　同時,將幾種不同轉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點,提高能量密度,這些都是微型化和實用化的關鍵。振動驅動微能源有望為野外和置入結構的微系統提供高可靠、長時間的電能,為無線傳感網絡節點和便攜式微電子產品提供充足的電源,所以研究振動式微能源有重要的實用意義。