压电式能量获取装置的研究现状

　　0　引　言

　　微机电系统(micro electromechanical system,MEMS)是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的系统,可以广泛地用于国防、航空、航天、生物医学[1, 2]、制造业、交通、通信、农业、环保以及家庭,为世界科技发展带来了新的机遇和挑战,可能引发新一轮的产业技术革命。

　　MEMS具有移动性、自控性、集成化等特点,这就决定了MEMS的能源器件朝着小型化、微型化发展。而要使MEMS产品真正实用化,制造出高质量、高功率能量密度的微能源器件是当前的关键之所在。

　　目前,微能源的研究和开发的主要思路是以现有的常规能源为基础,运用MEMS工艺或是新的方法开发与制造[3],研制的微能源器件有:微热光电(TPV)系统[4, 5]、微内燃机系统[5, 6]、微太阳能电池[7]、微锂电池[8]、微燃料电池[9~12]、微热电系统[13]等。文献[13]指出,很多的能量解决方案只适合用于短寿命周期,虽然太阳能电池适合于长寿命周期,在直射的阳光下具有非常高的能量密度,但在无光或光线暗淡的情况下就很不理想;从热梯度中获取能量也可作为长寿命周期的能量解决方案,但它不太适合微能源器件,因为微小的体积获取大的热梯度非常困难.一些科研机构开始研究基于机械能的集能系统,结果证明:

　　从机械振动中获取能量已经证明是切实可行的。虽然只能产生小级别的电力,一般在微瓦到毫瓦尺度之间,但对于微功耗系统已经足够。要将机械振动转化为电能所采用的方法一般有3种:静电式、电磁式[13, 14]和压电式。

　　电磁能量取得是通过磁场把机械能转化为电能。这种方式产生的感应电压量很小,使用变压器、提高线圈圈数和提高磁场强度可以提高感应电压,但各种方法都受到尺寸的限制。

　　静电学能量取得通过变容二极体因振动造成的容量变化来实现。这种方法最吸引人的特性是具有IC相容性,可以通过硅微加工技术制造,并进行批量生产。与电磁方法相比,同等尺寸具有更高的输出电压。为了实现电容两端的电压约束或电容的电荷约束,需要独立的电源支持。

　　压电能量取得则通过压电效应把机械能转换为电能。这种方式通常采用悬臂梁结构并在悬臂独立端上放置质量块来构成振荡系统。与上述2种能量转化方式相比,可以达到相对更高的电压和功率密度。

　　本文针对压电式能量获取装置在国际上的研究进展情况进行系统的阐述。

　　1　压电效应

　　当压电晶体在外力作用下发生形变时,在它的某些表面上出现异号极化电荷,这种没有电场作用,只是由于应变或应力,在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。当在压电晶体上加一电场时,晶体不仅要产生极化,还要产生应变和应力,这种由电场产生应变和应力的现象称为逆压电效应[15]。通常情况下,压电式能量获取装置正是利用正压电效应来实现机械能到电能的转化,它具有较高的能量密度,无需单独的电压源,而且,能量获取的渠道广泛,非常