壓電/磁電復合式MEMS振動驅動微能源的研究*

賀 婷，孔齡婕，丑修建，甄國涌，張文棟

（中北大學電子測試技術國防重點實驗室，儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

壓電/磁電復合式MEMS振動驅動微能源的研究*

賀 婷，孔齡婕，丑修建*，甄國涌，張文棟

（中北大學電子測試技術國防重點實驗室，儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

為了滿足無線傳感網絡節點對供電電源的自供電、低功耗、持續穩定供電的要求，研究了一種可以將環境中機械能轉化為電能的MEMS壓電-磁電復合式振動驅動微能源，結合壓電轉換與磁電轉換把振動能轉換為電能。建立數學模型，用有限分析軟件Ansys12.0對不同尺寸的四懸臂梁-中心質量塊結構進行力學特性分析，并對加工出的器件進行性能測試。測試結果表明，諧振頻率為290Hz下，器件輸出電壓峰峰值隨振動加速度的增加呈線性增加，1 m/s2和6 m/s2激勵下有效輸出電壓分別為61mV和324mV，有望為無線網絡傳感節點提供性能高、壽命長、自供給的供電電源。

壓電式；磁電式；振動能量采集；微機電系統；微能源

隨著無線射頻識別（Radio Frequency Identification）、無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）、嵌入式系統和微電子技術等眾多領域對快速、高效、全面采集傳輸處理信息的需求愈發緊迫，如何讓該類系統實現低功耗、自供電受到工業界、學術界乃至各國政府的高度重視。傳統的電池、有線供電、風能供電和太陽能供電都不能滿足無線傳感網絡節點的持續穩定供電的要求，供電問題成為限制其發展的主要因素。因此，研究新型供電為無線網絡傳感節點提供持續穩定、高輸出的供電電源成為亟待解決的科學問題。

振動能量采集技術可將環境中的機械能轉化成為電能［1］，并將其儲存儲能元件中向無線傳感器供電，可為無線網絡傳感節點提供穩定、可靠、獨立的能源供應［2］。目前研究的電磁式、靜電式、壓電式、磁致伸縮式［3-6］微能源屬于單一發電效應，存在響應頻帶范圍較窄、整體輸出能量密度低、諧振頻率點高等缺點［7-10］。

基于上述問題，本文結合壓電發電和磁電發電的優勢研究了一種MEMS壓電-磁電復合式振動驅動微能源器件。該器件共振頻率低，易與環境共振；提高了整體的能量輸出密度和能量電能，有望成為性能高、壽命長、自供給的持續穩定型供電電源。

1 結構設計

MEMS壓電-磁電復合式振動驅動微能源器件整體結構如圖1所示，由四懸臂梁-中心質量塊結構、永磁鐵和底座三部分構成。環境振動引起中心質量塊振動，其上高密度的感應線圈切割磁感線實現磁電發電；同時，帶動懸臂梁上的PZT壓電薄膜層振動以實現壓電發電，實現磁電發電與壓電發電的結合，有效提高輸出電壓并降低諧振頻率。

圖1 整體結構示意圖

對四懸臂梁-中心質量塊結構進行了力學理論計算，該結構的固有頻率為：

式中：f是固有頻率，E是彈性模量，w、h、l是微梁的寬、厚、長，m是微結構的質量。

當外界振動引起質量塊和微懸臂梁振動時，壓電發電的簡化模型如圖2所示。

產生的電荷Q1為：

電壓V1為：

式中：d31是橫向壓電系數，F是器件振動時受的應力，l是懸臂梁的長，h是PZT薄膜層的厚度。

磁電發電是根據法拉第電磁感應定律為原則的：磁通量發生變化，回路中產生感應電動勢。感應線圈產生的感應電動勢為V2：

式中B是磁通量，a是感應線圈的長度，v是永磁鐵與感應線圈的相對運動速度。

本文基于四懸臂梁-中心質量塊結構的MEMS壓電-磁電復合式振動驅動微能源通過能量采集存儲電路，將壓電效應和電磁感應產生的電能串聯得以增大輸出電壓，提高能量轉化效率。

2 有限元仿真

本文通過Ansys12.0有限元分析軟件對不同尺寸的四懸臂梁-中心質量塊結構的簡化模型進行了靜態、模態和諧相應分析，進而得到器件加工所需的最優尺寸。

2.1 靜力分析

微器件結構主要由底座和懸臂梁，PZT壓電薄膜層組成，靜力分析可以得出該器件懸臂梁上的最大應力，選擇線性區域作為PZT壓電薄膜的排布位置。

選取質量塊尺寸為2 000 μm×2 000 μm×200 μm，懸臂梁尺寸為2 000 μm×200 μm×10 μm的結構進行分析。如圖3、圖4分別為靜態位移和應力分布圖，施加10 m/s2的加速度，懸臂梁梁上的最大位移為6.68 μm，最大應力為9.81 MPa。

圖3 靜態位移分布圖

圖2 微懸臂梁模型圖

圖4 靜態應力分布圖

從單懸臂梁靜態應力曲線分布圖（圖5），可見應力關于梁中心位置大小對稱，方向相反，即關于梁的中心位置PZT薄膜受力方向相反，產生電荷相反。

圖5 單懸臂梁靜態應力曲線圖

2.2 模態分析

模態分析得到微結構的固有頻率，可以在試驗中將結構處于共振頻率，使輸出電壓最大。該尺寸下四懸臂梁-中心質量塊結構的前三階模態分析圖如圖6所示。一階振動模態值與其它階振動模態值相差較大，交叉耦合機率小，避免了干擾現象。

圖6 （a）一階模態分析圖（b）二階模態分析圖（c）三階模態分析圖

對微結構采取單一變量的方式，通過模態分析得到不同尺寸的四懸臂梁-中心質量塊結構的仿真數據如表1所示。

表1 不同尺寸結構的仿真數據

從上面的仿真可以看出微能源的一階頻率隨梁長的增大而減小，隨著梁寬、梁厚的增大而增大。梁長和梁寬的變化對固有頻率影響較小，梁厚的變化對固有頻率影響較大。

2.3 諧相應分析

2.1節中對應尺寸的諧響應分析曲線圖如圖7所示，反映了頻率與x、y、z方向上最大應力之間的關系，可以看出在600 Hz處應力出現峰值，即600 Hz是微結構的固有頻率，與2.2節中一階固有頻率（610.8 Hz）基本一致。

圖7 頻率響應圖

3 測試結果

綜合各項指標，制作了質量塊尺寸2000 μm× 2000 μm×200 μm，懸臂梁尺寸2000 μm×300 μm× 10 μm，PZT薄膜厚度2 μm的MEMS壓電-磁電復合式振動驅動微能源，器件封裝結構如圖8所示。

圖8 微能源結構圖

搭建由信號發生器、振動臺、功率增益放大器、PC和靜電計組成的測試平臺［12］，對微器件進行測試，測試實物圖如圖9所示。

圖11 290 Hz，器件輸出電壓

圖9 微能源性能測試系統實物圖

將該微能源的8個壓電敏感單元串聯，進行掃頻測試，確定出該微能源器件的諧振頻率值。振動臺用來模擬環境振動，振動模式設置為掃頻，對微器件施加6 m/s2的加速度激勵，一般環境中的振動頻率在千赫茲以內［7］，頻率范圍設置為5 Hz～2 000 Hz。測試結果如圖10所示，輸出電壓最大點對應的頻率點即為諧振頻率：290 Hz。可能由于加工工藝，環境溫度、濕度等原因，造成了固有頻率與仿真值的偏差。

圖10 加速度為6 m/s2，掃頻范圍為5 Hz～2 000 Hz下器件輸出電壓

將振動模式設置為定頻，在諧振頻率點，施加1 m/s2、2 m/s2、3 m/s2、4 m/s2、…、6 m/s2的激勵，交流輸出電壓峰峰值與加速度的關系如圖11可知，隨著振動加速度的增加，輸出電壓呈線性升高。其中，輸出電壓為交流輸出電壓峰峰值的一半，可見1 m/s2和6 m/s2激勵下，開路輸出電壓分別為61 mV和324 mV。

5 結論

本文針對現階段單一效應的振動驅動微能源存在輸出能量密度低、諧振頻率高等缺點，設計制造了基于壓電效應和磁電效應的四懸臂梁-中心質量塊結構的壓電-磁電復合振動驅動微能源器件。通過理論計算和有限元仿真分析，對器件進行結構設計加工并通過搭建測試平臺進行了初步性能測試。測試結果表明，該微能源器件體積小，單位輸出電量大、能量存儲密度高，諧振頻率點低，有望解決無線傳感網絡節點自供電問題，具有重要的現實意義和科學價值。

［1］ Han M，Yuan Q，Sun X M，et al.Design and Fabrication of Integrated Magnetic MEMS Energy Harvester for Low Frequency Application［J］.Journal of Micro-Electro Mechanical Systems，2014，23（1）：204-212.

［2］ Spies P，Pollak M，Rohmer G.Power Management for Energy Harvesting Applications［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2009，20：589-599.

［3］ Ande A H.Indoor Solar Energy Harvesting for Sensor Network Router Nodes［J］.Microprocess and Microsystem，2007，31（2）：420-432.

［4］ Stanton S R，Sodano H A.A Review of Power Harvesting using Piezoelectric Materials（2003-2006）［J］.Smart Material and Structure，2007，16（3）：1-21.

［5］ 陳定方，孫科，李立杰，等.微型壓電能量收集器的研究現狀和發展趨勢［J］.湖北工業大學學報，2012（4）：1-8.

［6］ Wang L，Yuan F G.Vibration Energy Harvesting by Magnetostrictive Material［J］.Smart Mater Struct，2008，17：045009.

［7］ 張亞婷，丑修建，郭濤，等.振動驅動微能源技術研究進展［J］.微納電子技術，2012，46（11）：242-247.

［8］ 繆建，朱若谷.基于ANSYS的壓電微懸臂雙梁的有限元分析［J］.壓電與聲光，201l，33（4）：557-560.

［9］ 丑修建，郭濤，熊繼軍，等.壓電-磁電復合式振動驅動微能源裝置的能量采集電路［P］.中國.201110103026.5.2011-04-25.

［10］Wang Lei，Yuan F G.Vibration Energy Harvesting by Magnetostrictive Material［J］.Smart Material Structure，2008 17：045009.

［11］ Shad Roundy，Paul K Wright，Jan Rabaey.A Study of Low Level Vibrations as a Power Source for Wireless Sensor Nodes［J］.Computer Communications，2003，26（5）：1131-1144.

［12］賀婷，楊杰，孔齡婕，等.MEMS壓電-磁電復合式振動驅動微能源的設計［J］.傳感技術學報，2015，28（3）：342-346.

賀 婷（1989-），女，山西太原人，在讀碩士研究生，主要研究方向為微納傳感與執行器件；

丑修建（1979-），男，湖北咸寧人，教授，碩士生導師，主要研究方向為電子信息功能材料和微納器件與系統。

Research of MEMS Piezoelectric and Electromagnetic Hybrid Vibrational Micro-Power Harvesting Devices*

HETing，KONGLingjie，CHOUXiujian*，ZHENGuoyong，ZHANGWendong
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

A MEMS vibration micro-power based on piezoelectric and electromagnetic hybrid Effect was proposed，which is an important developing for the wireless sensor network node power supply from the power supply，low power consumption，stable power supply.The micro-power combines the advantages of the piezoelectric and electromagnetic which is the transformation of the vibration energy into electric energy.The calibration method and finite element method for the accelerometer of different sizes was proposed to present the experimental results.The experimental results show that the maximum effective output voltage of the device is 61 mV and 324 mV under 1 m/s2和6 m/s2and the resonant of 290 Hz.And it is expected to solve the high performance，long service life，power supply problem of wireless sensor network nodes.

piezoelectricity；electromagneticity；vibrational power harvesting；MEMS；picro-power EEACC：7230

TN384

A

1004-1699（2015）07-0987-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.008

項目來源：國家自然科學基金杰出青年基金項目（51225504）；國家863計劃項目（SQ2015AAJY1634）；國家自然科學基金項目（51422510，51275492）

2015-03-09 修改日期：2015-04-14