壓電式可穿戴集能器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

曹文英，聶芳輝，黃 巍，谷秋瑾，于偉東

（東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

壓電式可穿戴集能器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

曹文英，聶芳輝，黃 巍，谷秋瑾，于偉東

（東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

給出了壓電能量收集的基本工作原理，分析了機(jī)電耦合工作模式的應(yīng)用場合，并列出了部分壓電式集能器的現(xiàn)有設(shè)計(jì)。從人體生物力學(xué)角度介紹了足底受力情況以及鞋樣對足底受力的影響。詳細(xì)介紹了壓電式足部動能集能器的常用材料及現(xiàn)有收集方法，并分別闡述了不同收集方法的研究現(xiàn)狀。最后，指出了今后主要需解決的問題，總結(jié)了壓電式可穿戴集能器的發(fā)展趨勢。

壓電式集能器；足部；綜述；壓電能量收集；鞋；可穿戴；柔性

自電的發(fā)明與應(yīng)用以來，電能在愛迪生時(shí)代就已成為人類生活與工作中不可或缺的能源，如今，已滲入到人類個(gè)體移動中隨身攜帶的能源，成為各種微型電子器件，特別是手機(jī)、電腦、健康監(jiān)測系統(tǒng)[1]、穿戴MP3、MP4視聽系統(tǒng)[2]等的電源。由于人們對這類生活工作用品的依賴性，導(dǎo)致對輕便可移動永遠(yuǎn)存在電能的需求，雖然手機(jī)作為生活工作常用品，可以通過電池、充電器來完成這類電能的需求，卻無法做到隨時(shí)、隨地，甚至在無電源條件下的供電。盡管人們現(xiàn)今可以通過發(fā)射信號直接無線充電[3]，可這還只在研究階段，且受到發(fā)射源的限制。人們目前常用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及各種醫(yī)學(xué)植入型和結(jié)構(gòu)嵌入型微傳感器更是要求系統(tǒng)脫離電源線和充電器的束縛。另外，這些移動電子設(shè)備大多采用供電電池，存在壽命較短、更換困難及更換成本高等缺點(diǎn)，對遠(yuǎn)距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等電子設(shè)備，尤其是植入人體的醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的供電帶來了很大的不便[4-6]。

從使用者來看，人體本身都具有取之不盡的充沛能量。Starner[7]詳細(xì)介紹了呼吸、人體熱能、血壓、手臂和手指運(yùn)動、走路等，均能產(chǎn)生能量，分別在幾毫瓦至幾十瓦不等，其中足部產(chǎn)生的總能量最大，可達(dá)67 W，又因人行走時(shí)足部動作比較規(guī)則，有利于能量收集，故足部成為人類最為關(guān)注的能量收集部位。

足部動能通常以振動、隨機(jī)位移和力的形式存在。收集振動能量一般有四種方式：電磁式、靜電式、摩擦電式和壓電式。其中，壓電式因可直接將力學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，為無電源啟動，結(jié)構(gòu)簡單體積小，適用于微電子機(jī)械系統(tǒng)，無電磁干擾，清潔環(huán)保，所加應(yīng)力和外界溫度在適當(dāng)范圍內(nèi)時(shí)可無限循環(huán)作用，易于加工、容易組裝、能量輸出高[8-12]，因而備受關(guān)注。本文對壓電式集能的原理和方法以及進(jìn)展情況進(jìn)行了研究，評述了該方法與機(jī)構(gòu)的改進(jìn)現(xiàn)狀及存在的問題，以給此領(lǐng)域研究提供參考。

1 壓電效應(yīng)

對壓電現(xiàn)象的研究已經(jīng)有100多年的歷史。1880年法國物理學(xué)家皮埃爾·居里兄弟在研究一石英晶體的物理性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)分為正、逆兩種，當(dāng)壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，在它的某些相對應(yīng)的面上產(chǎn)生異號電荷；當(dāng)外力消失時(shí)，材料又重新回復(fù)到原來狀態(tài)。這種沒有電場作用，只是由于形變產(chǎn)生的極化現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電晶體施加一電場時(shí)，不僅產(chǎn)生了極化，同時(shí)還產(chǎn)生了形變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

早期人們利用正、逆壓電效應(yīng)制作傳感器，廣泛用于測量領(lǐng)域，直至今日仍在應(yīng)用。壓電式轉(zhuǎn)換技術(shù)的工作原理是基于壓電材料的正壓電效應(yīng)，直接將力學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。雖然于20世紀(jì)60年代，美國就有一項(xiàng)專利提出利用一種小型壓電懸臂梁收集人體心臟跳動時(shí)產(chǎn)生的能量給植入物或起搏器供電[13]，但直到20世紀(jì)90年代才有眾多研究者們投身壓電發(fā)電換能技術(shù)這一領(lǐng)域的研究。

2 壓電式機(jī)構(gòu)的研究

2.1 機(jī)電耦合工作模式

在實(shí)際使用壓電材料時(shí)，通常采用兩種施加應(yīng)力方式：33模式和31模式（d33模式和d31模式），如圖1所示，前“3”（十位數(shù)）為極化方向，后“3”或“1”（個(gè)位數(shù)）代表受力方向[14]。如圖1（a）所示“33”模式表示當(dāng)施加的拉伸或壓縮力平行于極化方向時(shí)，在垂直于極化方向的電極表面收集電荷；如圖1（b）所示“31”模式表示當(dāng)施加的力垂直于極化方向時(shí)，在垂直于極化方向的電極表面收集電荷。

對于大多數(shù)壓電材料來說，d33模式的耦合系數(shù)k33比d31模式的耦合系數(shù)k31大，因此d33模式能夠獲得更高的能量轉(zhuǎn)換，但在不同的場合具有不同的優(yōu)勢，在非常低的低壓源和小尺寸器件中，d31模式能夠在較小的外力作用下產(chǎn)生較大的應(yīng)變，較d33模式更適合用于能量收集[14-15]。

圖1 壓電材料的兩種耦合模式Fig.1 Two coupling modes for piezoelectric materials

如Baker等[16]研究表明對兩模式施加相同的力，因?yàn)?3模式不容易應(yīng)變，33模式的壓電疊層的輸出能量比同樣的31模式的懸臂梁少兩個(gè)數(shù)量級。然而在強(qiáng)機(jī)械力環(huán)境中，33模式的壓電疊層因不容易應(yīng)變而更可靠，且效率更高。

Jeon等[17]研制了采用d33壓電模式的懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)及交叉指型上電極，PZT的尺寸大小為170 μm×260 μm。他們的研究表明：d33模式的壓電發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生更高的電壓，同樣的懸臂梁尺寸，產(chǎn)生的開路電壓至少比31模式的壓電裝置高20倍。在13.91 kHz共振頻率下，功率在負(fù)載為5.2 MΩ時(shí)達(dá)到最大值1.01 μW，此時(shí)，直流電壓為2.4 V，相應(yīng)的能量密度為0.74×10-3Wh/cm2。

2.2 壓電式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

振動作為自然界常見的現(xiàn)象，振動能無所不在。相比收集人體能量，利用壓電原理收集環(huán)境振動能的研究更多。盡管如此，這種壓電振動能量收集裝置結(jié)構(gòu)也主要只有懸臂梁、圓膜型、Cymbal型、Rainbow型等幾種及其衍生結(jié)構(gòu)。表1列舉了一些常見的壓電收集裝置的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。

表1 一些不同壓電振動能量集能裝置結(jié)構(gòu)Tab.1 Some different structures of piezoelectric vibration energy harvester

除了集能機(jī)構(gòu)的研究外，有些研究者比較了不同壓電片的能量輸出，如單小彪等[18]比較了相同壓電體積的矩形、梯形、三角形不同截面形狀的壓電雙晶片懸臂梁三種能量收集狀況，結(jié)構(gòu)結(jié)果表明：三角形收集的能量最多，梯形次之，矩形最少，三角形收集的能量約為矩形的3.3倍。

3 壓電式足部能量收集器的研究現(xiàn)狀

雖然行走具有低頻高位移的特點(diǎn)，難以制作微型共振集能器[27]，限制了能量集能器的適用性，但由于足部是能量收集較好的地方，有些研究者們都利用壓電材料與鞋結(jié)合來收集能量，如1995年Antaki等[28]設(shè)計(jì)的采用壓電式能量集能器與鞋結(jié)合的原型樣品。

3.1 常用材料

壓電材料是壓電振動能量轉(zhuǎn)換的核心功能材料，其選擇對壓電能量收集器的性能有至關(guān)重要的影響。目前，收集足部能量常用的壓電材料是鋯鈦酸鉛（PZT）和聚偏二氟乙烯（PVDF）。

PZT具有壓電性能優(yōu)良、介電損耗低、機(jī)電耦合系數(shù)高，溫度穩(wěn)定性好，并且有較高的居里溫度（約300 ℃）等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是較脆，在使用過程中易碎，使得PZT壓電片在振動能量收集中不能承受較大的應(yīng)變[29-31]。PVDF兼有柔性和聲阻抗低等優(yōu)點(diǎn)，PVDF壓電元件對濕度、溫度和化學(xué)物質(zhì)高度穩(wěn)定，力學(xué)強(qiáng)度也較好，若用它做成各種類型的器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、失真小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，可相比PZT，PVDF的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)要小[29,32]。

3.2 集能器結(jié)構(gòu)

與現(xiàn)有的環(huán)境集能器結(jié)構(gòu)相比，由于鞋的形狀與結(jié)構(gòu)的限制，目前用于收集足部能量的結(jié)構(gòu)不多，主要有彎曲結(jié)構(gòu)、鞋墊式結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)等。

3.2.1 彎曲結(jié)構(gòu)及鞋墊式結(jié)構(gòu)

美國麻省理工（MIT）多媒體實(shí)驗(yàn)室的Kymissis等[33]采用壓力驅(qū)動方式，將PZT和PVDF分別安裝在體育訓(xùn)練鞋的鞋墊里。裝有PVDF的鞋墊采用夾心結(jié)構(gòu)，在2 mm厚的六邊形的柔性塑料基質(zhì)兩邊各粘貼8層28 μm的PVDF，工作模式為31模式，利用的是鞋底彎曲產(chǎn)生的能量。裝有5 cm×5 cm，0.038 cm(0.015-inch) PZT的鞋墊是將PZT粘附在彎曲的彈簧鋼上，利用腳跟著地的壓力產(chǎn)生能量。外接250 kΩ負(fù)載，1 Hz步行速率下，PVDF的輸出峰值功率約為20 mW，平均功率為1.1 mW；PZT的輸出峰值功率約為80 mW，平均功率為1.8 mW。隨后，此實(shí)驗(yàn)室的Shenck等[34]采用了PZT dimorph彎曲結(jié)構(gòu)收集腳后跟能量，其中PZT dimorph由背對背的兩PZT單晶壓電片組成，彎曲結(jié)構(gòu)由PZT單晶粘貼在不銹鋼上而構(gòu)成。工作模式為31模式，外接500 kΩ負(fù)載。在0.9 Hz的激勵下，平均功率為8.4 mW。

俄亥俄州立大學(xué)的YOON等[35]基于Donnell-Mushtari殼理論、復(fù)合層壓板理論和線性壓電本構(gòu)方程進(jìn)行了分析，并詳細(xì)模擬和優(yōu)化了PZT單晶片粘貼在不銹鋼上的彎曲結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：增加單晶的寬度比增加長度能更有效產(chǎn)生電荷，在制造過程中的允許范圍內(nèi)，中心高度越高和基質(zhì)厚度越厚也更有利于電荷的產(chǎn)生。

Klimiec等[36]將柔性聚乙烯-聚丙烯（PE-PP）共聚物作為柔性鞋內(nèi)底收集行走的能量。正常行走時(shí)（1單步/s，相當(dāng)于1 Hz），單層（11 μm）共聚物產(chǎn)生的能量為340 nJ。

清華大學(xué)的Zhao等[37]設(shè)計(jì)了一種三明治結(jié)構(gòu)，建立了兩種模型，均采用多層PVDF薄膜，置于凹槽和羅紋部件中間，模型一為工程塑料結(jié)構(gòu)，目的是高輸出，模型二為彈性硅橡膠結(jié)構(gòu)，目的是舒適性達(dá)到最優(yōu)。然后將其作為鞋墊置于運(yùn)動鞋中研究足部的能量收集。結(jié)果表明，在模型一結(jié)構(gòu)中，1 Hz步行速率下，PVDF集能器的平均功率為1 mW，接近于1998年美國麻省理工（MIT）多媒體實(shí)驗(yàn)室的Kymissis等人研究的結(jié)構(gòu)中的1.1 mW，且清華大學(xué)研究者的結(jié)構(gòu)更加舒適和耐久。而模型二，腳跟的平均功率為30 μW，前腳部分的平均功率為90 μW，此模型的缺點(diǎn)是能量低，優(yōu)點(diǎn)是舒適性達(dá)到最優(yōu)。

Ansari等[38]設(shè)計(jì)了一個(gè)可控的彎曲結(jié)構(gòu)，在彎曲的彈簧鋼（254 mm×38.1 mm×762 μm）的兩面貼有PZT-5A塊（254 mm×38.1 mm×1 016 μm），彈簧鋼長度方向垂直放置，在彈簧鋼一端施加2 450 N的豎直力，當(dāng)上端移動0.02 mm時(shí)，外加10 kΩ電阻，可產(chǎn)生42.3 mW的能量。這個(gè)結(jié)構(gòu)不僅可以放于道路、人行道，也可以置于鞋中。

Jung等[39]設(shè)計(jì)了一個(gè)由兩片彎曲的壓電集能器內(nèi)弧對內(nèi)弧連接的柔性集能器，每個(gè)彎曲的壓電集能器由彎曲的0.2 mm厚的PI基質(zhì)上各貼兩片0.1 mm厚的PVDF片組成。將一個(gè)7 cm ×4 cm的彎曲集能器貼于腳后跟鞋墊上，輸出信號連接全波橋二極管芯片，也貼于鞋墊上。一個(gè)68 kg的人在0.5 Hz的頻率下走路，能產(chǎn)生的平均電壓與電流分別為25 V和20 μA。

3.2.2 懸臂梁結(jié)構(gòu)

Moro等[40]在鞋底安裝了壓電雙晶片矩形懸臂梁（PZT-5A壓電層串聯(lián)連接，墊片為不銹鋼）和加速計(jì)，并從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行了研究。Li等[41]為了提高功率密度，將懸臂梁上的質(zhì)量塊設(shè)計(jì)成彎曲的L形狀，并與相同體積（0.242 cm3）的傳統(tǒng)塊狀質(zhì)量塊懸臂梁進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，L形狀質(zhì)量塊的懸臂梁的基本頻率比塊狀質(zhì)量塊懸臂梁低20%～31%，0.75 g的加速度下，L形狀質(zhì)量塊的懸臂梁產(chǎn)生的平均能量為350 μW，功率密度為1.45×10-3W/cm3，比塊狀質(zhì)量塊懸臂梁高68%。后將L形狀質(zhì)量塊的懸臂梁置于鞋跟，并進(jìn)行了測試，在4.8 km/h的行走速率下，平均功率為49 μW。

MATEU等[42]假設(shè)矩形和三角形的同構(gòu)懸臂梁（兩層PVDF粘在一塊）和異構(gòu)懸臂梁（PVDF與非壓電材料組合：對稱與不對稱）分別安裝在鞋底空腔中，并比較了不同的邊界條件，結(jié)果表明，三角形的懸臂梁效率更高，分布式載荷下且厚度方向非壓電材料占很大比例的簡單不對稱懸臂梁能產(chǎn)生更多能量，另外從線性分析表現(xiàn)來看，鞋底空腔越深，產(chǎn)生能量越多。

3.2.3 其他結(jié)構(gòu)

路易斯安那理工大學(xué)的Han等[43]將120層微蜂窩結(jié)構(gòu)的壓電薄膜置于鞋跟空腔里收集行走時(shí)腳跟產(chǎn)生的能量。微蜂窩的平均直徑為30 μm。結(jié)果表明，每只鞋能得到4 mW的原生能量。此結(jié)構(gòu)具有體積小、柔軟、質(zhì)量輕、耐用和成本低的特點(diǎn)。

王中林課題組的Lee等[44]使用水熱法在噴砂處理的超薄鋁箔上生長氧化鋅納米陣列，噴砂處理增大了接觸面積，氧化鋅納米陣列不易脫落。作者將27個(gè)小單元組成的5 cm×6 cm的氧化鋅發(fā)電機(jī)用于收集人體步行的能量，得到的最大輸出電壓和電流分別為3.2 V和195 nA。

安裝有壓電能量集能器的鞋一般采用PZT的彎曲模式，但是PZT很脆，在彎曲狀態(tài)下易碎，從而不能承受高靜態(tài)力和沖擊力，因此這種鞋可靠性低、壽命短。Haghbin[45]基于這些原因，設(shè)計(jì)了一個(gè)氣泵壓電發(fā)電機(jī)，只固定壓電器件的兩端，由氣體使壓電器件上下運(yùn)動。壓電器件結(jié)構(gòu)為兩層PZT圓片并聯(lián)，各粘貼在黃銅墊片兩側(cè)。每層PZT的厚度為0.35 mm，黃銅厚度為0.2 mm，PZT半徑為12.7 mm，黃銅半徑為25 mm。結(jié)果表明，一個(gè)體重75 kg，身高175 cm的人穿著此鞋在跑步機(jī)上以4 m/s的速度跑步時(shí)，產(chǎn)生的平均能量為1.12 mW。

4 面臨問題及發(fā)展趨勢

行走是常人最頻繁、壓能輸出最多的能量源，目前已成形的有門墊、童鞋、音樂樓梯等形象性實(shí)用產(chǎn)品，然而作為鞋用高效能壓電式集能器還鮮見成功的產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)際鞋樣，選擇更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)配置、幾何參數(shù)，以及高效的能量轉(zhuǎn)換存儲電路是提高能量效率的必然選擇。可穿戴集能器走向?qū)嵱萌杂斜姸鄦栴}需解決，主要包括以下幾方面。

首先，隨著微電子系統(tǒng)集成度的不斷提高，可穿戴設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)，其在商業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域成為熱點(diǎn)問題。可穿戴集能器為其供電，相比其他方式更具有優(yōu)勢。因此，可穿戴集能器具有很大市場。然而，可穿戴集能器的設(shè)計(jì)與集能部位的選擇受人體生物力學(xué)、鞋的結(jié)構(gòu)以及人體舒適性三者的同時(shí)制約，相比環(huán)境能量集能器，其更加難以設(shè)計(jì)。而且目前，其遠(yuǎn)不如環(huán)境集能器一樣具有多種結(jié)構(gòu)來提高效率。因此，研究基于鞋樣的可穿戴集能器顯得非常重要。

其次，人體運(yùn)動的頻率較低，不如環(huán)境能量一樣大多具有高頻率，因此，設(shè)計(jì)成與環(huán)境集能器一樣的結(jié)構(gòu)，會制約可穿戴集能器的響應(yīng)次數(shù)，影響總體能量。因而，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，需考慮其有限的行走頻率、振幅及沖擊力，以設(shè)計(jì)更高效壓電可穿戴集能器。

第三，目前常用的壓電材料，它們并不理想的壓電性能也制約了集能器的發(fā)展。因此，研究更高壓電特性的壓電材料并完善其制備工藝，以及研究符合可穿戴集能器的可穿戴性能的壓電材料如壓電纖維等，都是提高可穿戴集能器效率的可行之法。

除以上問題外，其他面臨問題基本上都和環(huán)境能量集能器一樣，需要廣大研究者們更深入研究。突破以上這些難題，設(shè)計(jì)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)耐久、集能效率高又不影響舒適性的壓電可穿戴集能器是必然發(fā)展趨勢。

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（編輯：曾革）

Current situation and development trend of piezoelectric wearable energy harvesters

CAO Wenying, NIE Fanghui, HUANG Wei, GU Qiujin, YU Weidong
(Key Laboratory of Textile Science &Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The basic theory of piezoelectric energy harvesting is provided. The applications of electromechanical coupling modes are analyzed. Some of the existing design of piezoelectric energy harvesters is listed. From the perspective of human biomechanics, the plantar stress and the effect of shoe on the plantar stress are presented. The common materials and the existing harvesting methods of piezoelectric foot kinetic energy harvesters are introduced in detail. The current situation of different harvesting ways is stated respectively. Finally, the main problems needed to be solved are pointed out, and the development trend of piezoelectric wearable energy harvesters is summarized.

piezoelectric energy harvester; foot; review; piezoelectric energy harvesting; shoe; wearable; flexible

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.002

TN303

:A

:1001-2028（2016）08-0006-05

2016-06-03

：曹文英

曹文英（1987-），女，湖南婁底人，博士研究生，研究方向?yàn)槿梭w能量收集，E-mail: wenying8941@163.com 。

時(shí)間：2016-08-03 22:16

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2216.002.html