壓電陶瓷電能捕獲發展現狀與展望

汪 濤，張麗麗，龍祖祥，楊雪鋒

（1.中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學大學生創新訓練中心，江蘇 徐州 221116）

1 引言

5G技術的發展，使得物聯網技術的應用日趨廣泛，人們對于傳感器技術的研究也日益增多。在過去的二十年中，無線傳感器技術已經在理論和應用方面得到了巨大的發展，該技術的出現以及相關的實踐成果對我們的日常生活和工業的各個方面產生影響，如污染監測，精準農業等[1]。目前，絕大多數的傳感器節點采用的是傳統化學能源供電[2]，但化學電池存在更換困難、污染環境等缺點，這直接影響了傳感器節點在物聯網中的成本和生命周期[3]。由于低功耗無線傳感器有著巨大的優勢[4?5]。

因此從工況環境中獲得電能成為目前一個主要研究方向。振動能量廣泛存在于各種工況，如果能對振動能量進行采集，并給無線傳感器進行供電，將會極大的延長傳感器的使用壽命。

文獻[6]對包括太陽能，溫差能，振動能等在內的多種環境能量進行了比較，說明了從環境振動中采集能量為小型無線傳感器節點供電是可行的。目前將環境中的振動轉變成振動的裝置主要有三類：電磁式[7]，靜電式[8]，以及壓電式[9]，而壓電式能量采集器可以產生最高的輸出功率[10]。

壓電陶瓷因為價格低廉，穩定可靠，故常被作為壓電元件使用。文獻[11]采用錐形懸臂梁壓電陶瓷利用環境中的振動能量為濕度傳感器節點供電，采集濕度信息。文獻[12]采用壓電陶瓷收集風能，為風速傳感器和無線射頻發射器供電，分能轉化效率高達18%，遠高于常規發電機。由于壓電陶瓷電能捕獲有結構簡單、無污染、能量密度高、免維護和壽命長等優點，目前在國內外對其在傳感器自供電方面有著眾多的研究[12?14]，具有較廣闊的應用前景。

2 壓電陶瓷的研究與應用

目前，國內外對于壓電陶瓷電能捕獲技術的研究越來越多，已有很多相關成果被應用于實際工程中。例如，文獻[15]將收集振動能量的壓電裝置集成到鞋底或者表帶中，從而為可穿戴設備進行供電。文獻[16]提出了一種適用于無源無線傳感器節點的分布式低功耗網絡通信方案，設計并制作了一種基于振動能量收集裝置的無線傳感器用于有軌車輛狀況的實時監測，提高了檢修的效率。但是對于這項技術的研究更多的是處于實驗設計階段，若要進行更廣泛的商業化應用，仍然有很多技術瓶頸有待解決。目前就振動能量采集研究前景主要有如下幾個方面。

2.1 非線性振動能量采集器的研究

目前振動能量采集裝置往往針對的是線性振動模型，即通過調節采集裝置使之與振動體的共振頻率相一致，從而獲得較大的輸出功率，但是由于實際環境中的振動往往是非周期、低頻和寬頻的激勵，這就使得許多采集裝置無法工作在共振狀態，從而在實際應用中采集效率不高，為了解決這個問題，研究人員提出通過非線性振動來獲得較寬的振動頻率范圍[16?18]。由于非線性振動能量采集相關技術的研究還相對于較少，理論不夠成熟，還處在初步階段，所以有待進一步研究。

2.2 接口電路的研究

振動能量被采集后，通常輸出的功率和電流較低，電壓隨機不穩定，需要經過整流電路才能夠對相關設備進行供電，但是現有的橋式整流電路存在自身耗能高，轉換效率低等問題。因此，一種低能耗、高效率的接口電路對采集效率提高有著重要意義。國內外已經有了一些研究，文獻[19]設計了一種用于無線供電的低電壓生物醫用植入體的新型全波CMOS整流器，使得整體功率效率和低電壓降方面得到了顯著的提高。文獻[20]設計了一種非線性開關匹配電路，以非線性的方式提高了復合換能器功率的匹配輸出，使得輸出提高2.1倍。除此之外，在一些時候，為了提高發電量，有時需要聯接幾個壓電元件一起使用，而這個毫無疑問會帶來部分的損耗，如何合理的設置電路以此來減少這種損耗也值得關注。

2.3 采集裝置的實用化研究

從目前的研究來看，實驗設計的壓電能量采集裝置已能產生毫瓦級別的功率，能夠為低功耗的無線傳感器進行供電，但距離使用實用化還有很多的研究需要進行。首先是微型化的研究，現有能量采集裝置為實驗研究方便，往往體積較大，往往體積較大，但為了提高能量的利用效率，傳感器有朝著小型化發展的趨勢，有的甚至達到微納米級別，這就要求能量采集裝置能夠被加工到微納尺度，并收集可觀的振動能量。其次是集成化的研究，現有的研究工作偏向于設計新型的能量采集裝置以提高采集效率，但能否將采集裝置與接口電路結合，甚至與傳感器集成為一個微機電系統，對于一款實用化的產品很重要。最后是壽命的問題，現有采集裝置專注于提高發電性能，但對于這個采集裝置能工作多久，會有怎樣的生效形式，研究甚少，若要使用采集裝置替代化學電池進行供電，則工作壽命非常關鍵。

3 基本原理及相關技術分析

3.1 發電原理

壓電陶瓷是一類由帶電晶體組成的還具有壓電特性的陶瓷材料，當其在高壓電場極化作用下時，晶粒的極化矢量方向發生變化，使得壓電材料電荷中心發生偏移，在電場取消之后，宏觀上仍會有部分剩余極化效應存在，使陶瓷能表現出壓電特性[21]。當極化處理后的壓電晶體材料兩端受到機械壓力時，內部會產生極化，其兩表面上會產生電荷聚集從而形成電壓，電荷量與所受機械力成正比，也隨機械應力方向變化而變化，當外部力撤離時，材料表面的電荷與電勢也會消失，恢復到不帶電的狀態[22?23]，這就是壓電效應。電介質在電場作用下電極化程度可用電極化強度來表示，電極化強度p是單位體積內電偶極矩的矢量和，得：

式中：p—極化強度；?V—任意微元體微元體的體積；q—的此微元體的電偶極矩，由此可得其電學與力學的特性聯系。當所受應力相對較小時，應力近似與極化強度成線性關系：

式中：P—極化強度；σ—應力；ε—壓電應變常數。

壓電效有正壓電效應和逆壓電效應兩個方面[24]，逆壓電效應是指在壓電晶體施加一電場，壓電晶體產生的極化現象，同時壓電材料發生形變。壓力發電主要應用正壓電效應，依靠壓電陶瓷吸收基體振動產生的能量，實現對電能的捕獲。

3.2 發電模式

壓電陶瓷電能捕獲結構具有多種耦合工作模式，這也是影響其能量采集效率的重要因素。根據壓電材料的三個獨立的壓電應變常數，有三種壓電耦合工作模式d31模式，d33模式和d15模式[25]，如圖1所示。

圖1 壓電材料不同發電模式Fig.1 Different Generation Modes of Piezoelectric Materials

理論上，壓電陶瓷在d15工作模式下的電能轉換效率最高，但d15工作模式是基于壓電陶瓷產生的扭轉變形，這在實際環境中獲得比較困難，所以其研究和應用較少。d31模式是指壓電材料的極化方向與引起應變的應力方向相互垂直，常用在懸臂梁結構中；d33模式是指壓電材料的極化方向與引起應變的應力方向相同，常用在壓電元件被擠壓的場合，如堆棧結構中。

文獻[26]研究表明，雖然d33模式耦合系數更高，但由于其結構剛度大，在相同作用力下，形變量較小，輸出功率比d31模式的懸臂梁結構低兩個數量級，而且d31模式有更好的順應性，共振頻率更低，在低頻振動環境中電能捕獲效率更高。文獻[27]對d33模式下壓電元件進行研究表明，當壓電材料在d33模式下時，輸出功率與介電常數以及機電耦合系數成正比，較大的介電常數、機電耦合系數和較小的剛度有利于提高輸出功率和能量采集的效率。因為應用環境大多是低頻環境，為了更好的實現頻率匹配，d31模式應用相對更為廣泛。

3.3 多層壓電振子結構

由于壓電材料本身比較薄，剛性一般，變形較大時易發生脆斷，所以通常壓電材料會與一些金屬彈性體組成壓電振子，在振源激振作用下產生共同振動，獲得較大形變，產生電壓。單層壓電振子發電量較少，采集輸出電流較低，往往不足以滿足負載供電需求，采用多層壓電振子并聯或串聯的結構可以使得單位體積壓電結構采集的能量提高。雙層壓電振子串聯或并聯的結構，如圖2所示。

圖2 雙層壓電振子的串聯和并聯Fig.2 Series and Parallel Connections of Double Piezoelectric Oscillators

實驗研究表明[28]，壓電懸臂梁結構中，與單層壓電振子結構相比，雙壓電層串聯后的輸出電壓加倍，而雙壓電層并聯之后的輸出電流增加了一倍，但電壓幾乎不變。所以通過壓電片的電路并聯可以增大輸出電流量，優化電流輸出特性，使壓電發電裝置試用范圍增加。對于多層壓電層并聯結構，文獻[29]研究后得出，當壓電材料厚度相同時，壓電材料分層越多，其電流增加，電壓減小，輸出功率等于電流與電壓的乘積，所以輸出功率與層數并非簡單的線性關系，因此，實際應用中壓電層數的選擇應結合負載所需的電壓和電流大小進行設計。

3.4 支撐結構

不同的支撐結構對于壓電陶瓷電能捕獲的效率以及使用壽命都會產生影響，目前壓電式能量捕獲裝置的支撐結構主要有簡支梁結構、懸臂梁結構、鈸型結構、螺圓桶形結構、旋裝結構等。其中懸臂梁結構因其實現方便、效率較高、技術較為成熟，目前應用最為廣泛。

懸臂梁結構的壓電振子一端固定，另一端為自由端，如圖3所示。這種結構對能量收集效果較好，諧振頻率較低，且易于實現。通過ANSYS仿真分析發現，在相同厚度比時，三角形型式懸臂梁壓電結構的輸出電壓和固有頻率均最大，梯形型式次之，矩形型式最小[30]。由于三角形和梯形懸臂梁的寬度隨力臂長度的增加而線性減小，所以應變分布更為均勻，對于同種壓電材料，比能量更大，所以在較低頻率振動環境中可以采用矩形壓電振動懸臂梁。當振動環境頻率較高時，采用三角形等變截面寬度型壓電懸臂梁可以提高能量收集效率。文獻[31]利用軟件對懸臂梁壓電系統進行仿真，研究了不同模態條件下，壓電片布置位置和長度對于懸臂梁結構壓電陶瓷電能捕獲裝置捕獲效率的影響，指出當只考慮一階模態時，懸臂梁的根部為壓電片布置的最優位置。當同時考慮多階模態的控制時，將壓電元件布置在懸臂梁中部附近位置或懸臂梁固定端，此處較大應變較大，能取得較好的控制性能，提高電能捕獲效率[32]。

圖3 懸臂梁結構壓電裝置Fig.3 Piezoelectric Device of Cantilever Beam Structure

簡支梁結構為兩端支撐中間懸空的結構，如圖4所示。簡支梁結構便于使用墊塊進行固定，結構耐疲勞性好，與懸臂梁相比，在同等壓力下，形變量較小，使用壽命更長，穩定性更好，但其輸出的電能較小。文獻[33]對不同跨距支撐點的簡支梁壓電結構進行測試，分析得出，壓電片的輸出能量受形變壓電片的體積與壓電材料的最大形變量兩方面的影響，跨度減小時形變增大，局部應力也增大，但發生形變的壓電材料體積反而減小，因此支撐點間的不同跨度對輸出電能的影響比較小。文獻[34]設計了一種利用滾動輪胎內機械能的新型振動壓電發電機，采用兩端浮動支撐和激振質量固定在中心的簡支梁結構，提高了其魯棒性和功率輸出。

圖4 簡支梁結構壓電裝置Fig.4 Piezoelectric Device of Simply Supported Beam Structure

鈸形（Cymbal）壓電支撐結構由兩鈸形金屬帽夾一壓電元件構成，具有阻抗低、彎曲變形大、承載能力高等優點，被廣泛用于驅動器系統設計，它由兩拱形金屬帽中間粘結壓電陶瓷片而組成，如圖5所示。

圖5 鈸形結構壓電裝置Fig.5 Piezoelectric Device with Cymbal Structure

文獻[35]實驗研究表明，鈸形壓電支撐結構的應力分布比傳統堆疊裝置更均勻，使得其產生壓電效應的有效面積更大，采集裝置的捕能效率更高，同時鈸型換能器可將有效壓電常數增強40倍，其對振動應力有高耐受性。文獻[36]利用有限元理論對鈸形壓電換能結構進行了建模分析表明，金屬帽內腔底徑和壓電陶瓷厚度越大時，輸出電壓越高，而金屬帽厚度和內腔頂徑越大，輸出電壓越低，其基振頻率也易受上述參數的改變而改變。

除上述幾種比較常見的支撐結構，研究人員也正在積極探索一些新型結構。文獻[37]采用微加工設計一種新型S型曲折懸臂，降低了懸臂的剛度以實現較低的共振頻率，振動由線性振蕩變成非線性沖擊振蕩，擴展了頻寬。文獻[38]對一種用于收集旋轉振動源的極化陶瓷圓柱形壓電殼結構進行分析研究，得到輸出功率密度與驅動頻率、負載的關系。發現輸出功率密度對驅動頻率和負載很敏感，在小負荷下輸出功率密度隨頻率線性增加并達到最大值，在大負荷下單調下降。

3.5 幾何參數以及形狀

當懸臂梁振動頻率接近共振頻率時電能捕獲效率最高[39]，壓電陶瓷的幾何參數會影響懸臂梁的共振頻率，從而會影響到能量采集裝置的能量輸出。文獻[40]通過Ansys分析得出：懸臂梁的共振頻率與長度是成負相關的。共振頻率與寬度雖然是正相關，但是相關系數很小，而厚度與共振頻率是成正相關。文獻[41]在研究十字形能量采集裝置的發電特性時，通過實驗證實了上面的結論。文獻[42]通過實驗驗證，單晶壓電振子的開路電壓隨長度的增加而增加。

由于矩形壓電陶瓷易于制造，便于實現，所以矩形懸臂梁得到了廣泛的使用。但是矩形梁沿長度方向的應力變化是不均勻的[43]，這就導致它對能量的采集效率較低。為了提高輸出效率，研究人員開始對其他形狀的壓電振子進行研究。文獻44]對幾種均勻寬度但形狀不同的梁進行了研究分析，得到長度—應變曲線，如圖6所示。可以看出，三角形梁的應變分布更加均勻。文獻[45]對矩形梁，三角形梁，梯形梁進行了對比實驗，發現三角形梁共振頻率較低，在較低的激振頻率下，能獲得最高的形變量和輸出電壓，從而獲得更多的能量。據此，我們可以使用三角形的懸臂梁來替代傳統的矩形梁，從而獲得更加理想的能量采集效率。

圖6 不同形狀壓電振子長度?應變曲線圖Fig.6 Length?Strain Curves of Piezoelectric Oscillators with Different Shapes

為了便于應用，文獻[46]針對V形梯式懸臂梁的固有頻率進行了研究，推導出了一個基于Rayleigh?Ritz方法計算V形懸臂基本共振頻率的公式。利用該分析公式，計算結果與模擬結果吻合良好，幾乎沒有相對誤差（小于3%）。另外，還有研究人員提出了一些不同形狀的懸臂梁，文獻[47]研究了S形能量采集器的發電性能，發現對于相同的輸出電壓，S形懸臂梁夾緊端附近的正應力低于矩形懸臂梁中的正應力，因此可以預估出S形懸臂梁的使用壽命大于矩形懸臂梁的使用壽命。文獻[48]對基于E型懸臂梁的能量采集器進行了仿真分析，發現增加懸臂梁的分支數可以提高被采集振動能量的帶寬，也就是說，可以收集更多的能量，從而提高能量采集效率。

4 發展趨勢

4.1 實現獨立的微能源器件自供電

MEMS作為新時代的一個重要發展方向，雖然壓電陶瓷發電為微瓦到毫瓦級，但對于很多微電子器件，這些發電足以為其正常運行供電。目前很多微傳感器的供能主要采用化學能源和有線電源，有線電源供電布線復雜，對于多節點系統易增大故障率和維修難度；目前主要發展方向為無線傳輸傳感器，無線傳輸傳感器主要采用化學電池供電，化學電池有更換不便、污染環境等缺點。壓電陶瓷作為一種清潔的自供電傳感器或供能器件，可以很好利用振動或者形變的能量，為傳感器供能，提高系統可靠度和降低系統成本，也必將推動電子技術、計算機技術和MEMS技術的進一步發展。

4.2 可穿戴設備供能

互聯網的迅猛發展，讓智能可穿戴設備逐漸成為引領電子消費的新熱點，智能可穿戴設備意味著人智能化的延伸，使人們更好的感知外部和自身的信息，實現了人與機器數據的無縫交流，設備應用范圍滲透到人們生活各個角落，但其續航能力并不理想，因此其供能技術也日漸受到關注，成為推動其發展的重要環節。人體每天運動所產生的能量收集足以為產品供能，相比于其他供能方式，自供能方式可解決電池便攜性和續航能力的沖突，目前智能穿戴設備的自供能主要有光能、振動能和熱能等方式，相比于光能和熱能，振動能的收集成本更低。

壓電陶瓷作為振動能收集的主要形式，對于智能穿戴設備的自供能有重要意義。目前智能手環、智能鞋子、智能服飾都有采用壓電材料進行振動能量收集的研究，其中智能鞋子技術已經相對較成熟。人體振動相比于工業振動頻率區別較大，人體振動能量收集主要集中在低頻振動區域，因此，壓電陶瓷對于低頻段振動能量采集的研究對于智能穿戴設備的自供能具有重要意義和研究價值。

4.3 與旋轉機械相結合實現供能

對于大部分旋轉機械，都存在振動現象，大部分旋轉機器工作時會進行動平衡處理來達到降振和減少零件疲勞損傷的目的，但通常其動平衡精度一般會與其轉速和功率成正比，所以即使旋轉機械進行了動平衡，但其所產生的振動能仍很大，完全可滿足大部分儀器設備的供能。例如在一些礦山機械的振動能量收集即可滿足礦井下很多供電不便的許多儀器的自供能。目前在此方面的實際應用相對較少，但其也是壓電陶瓷電能捕獲一個重要發展方向。

4.4 高頻寬振動的電能捕獲

當系統與周圍環境發生共振時，壓電振子振動幅度增大，電能捕獲效率顯著提高。目前壓電陶瓷主要應用于高頻振動能量的采集，在低頻振動采集效率很低，但低頻振動在生活廣泛存在，提高系統在低頻振動環境的捕獲效率有很大意義。為了提高振動能量捕獲頻寬，目前主要通過對系統的共振頻率進行調整，主要有主動式自調整和被動式自調整。主動式自調整通過外加電壓或者電容，由其產生的外加驅動力對系統共振頻率進行調整，調頻效果較好，但需要外加驅動造成額外的能量輸入；被動式自調整主要通過對結構進行設計優化，使得系統共振頻率能適應環境變化，通常被動式結構較為復雜，體積較大，也會帶來額外的機械磨損和能量損失[49]因此，研究發展體積小、捕獲效率高、捕獲頻帶寬的壓電陶瓷電能捕獲系統是一個重要發展方向。

5 結束語

壓電陶瓷作為一種新型綠色能源，具有無污染，能量密度高，壽命長，環境適應性強在微功耗電子元件、無線傳感網絡等領域有很好的應用前景。目前研究主要集中在非線性振動、接口電路和實用化等方面，目的在于提高電能捕獲效率和擴大應用范圍。不同的發電模式、支撐結構以及壓電振子的結構和幾何形狀都會影響到壓電陶瓷的電能捕獲效率，隨著對相關參數的優化電能轉換效率不斷提高。此外，壓電陶瓷在微能源器件自供電、可穿戴設備供能、結合旋轉機械供能以及高頻寬振動電能捕獲等領域具有巨大潛力，是未來的主要發展方向。