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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

近年来，物联网技术受到了国内外广泛地关注，而大量传感网节点对能源的需求日益成为一个亟待解决的问题。一方面，微电子技术与微机电技术（ＭＥＭＳ）的进步使ＭＥＭＳ微传感器及其专用集成电路的能耗越来越小，达到毫瓦级别；另一方面从环境中收集到的能量密度也能达到几毫瓦每立方厘米，这使利用能量收集技术收集到的能量对这些微传感器进行供电成为可能。而振动能量几乎无处不在，受环境约束也较小，所以直接从环境中提取振动能量为微电子器件供能具有广阔的应用前景。

国内外研究现状

压电能量采集器的研究是近年来国际上新起的一个研究方向。随着高集成化、低功耗电子元件和无线电射频技术的使用，更加为压电能量采集技术的应用提供了前提。1996年，荷兰的Thad Starner等利用压电陶瓷收集笔记本“开/合”的运动能量，用以驱动笔记本电脑，开创了压电发电与能量收集技术这一研究领域。2004年，Leland E. S.等设计了自供能微型温度传感器节点，一阶固有频率为27Hz，在共振情况下输出功率为29.3pW，实现了对温度传感节点连续供电。美国麻省理工学院的RajendraK.sood和Sang-Gook Kim等人制作了微型压电式能量收集器，该器件的悬臂粱长宽在在13.7KHz的一阶共振频率下，峰值电压达2.36V输出电能1 uW。

国内在也积极开展了这一方面的研究工作。20世纪60年代末，中国科学院上海硅盐所和上海精密医疗器材厂合作研究利用压电材料的正压电效应制作出了X光机，这种电源特别适用于各种移动设备。2002年，南京航空航天大学孙亚飞，陈仁文等人通过在压电驱动器收缩时储存于其电场和应变场中的能量，借助瞬时电容器所构成的系统实现电荷的回收和利用。

2. 研究的基本内容

本论文研究的基本目的是利用压电材料的正压电效应，设计为电子设备供能的能量采集器。通过压电发电设备吸收电子设备外部环境中的振动能量或吸收其他的机械能量，为电子设备的正常工作提供电能。本文采用理论研究与试验相结合的方式展开研究，将利用压电理论、振动分析、电学等专业知识，分析，讨论压电发电的能量转换以对压电材料发电能力进行预测。 1、悬臂梁式压电能量采集机理研究 由于外界振动将引起悬臂梁的受迫振动，导致悬臂梁发生弯曲变形，进而引起压电层内应变和应力的变化。根据压电学理论，当压电振子自由端受外力作用而产生弯曲变形时，其表面将有自由电荷生成。压电体所受应力及产生电场的关系可表示为 D=dT (ε^T)E .S=(s^E)T dE .式中，D是电位移，E是电场强度，d是压电常数矩阵，S和r分别是应变和应力，ε^T为应力恒定时的自由介电常数矩阵，s^E为电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵。由于压电晶体的弯曲变形，压电层的上、下电极之间将产生变化的电势差，为负载供电。当环境振动频率等于悬臂梁固有频率时，将引起悬臂梁的共振，压电层应力和应变的变化最大，从而使发电机输出电压的变化达到最大。 2、悬臂梁式压电振动能量采集器的构形研究 设计悬臂梁式压电振动能量采集器的基本结构，运用有限元法建立压电振动能量采集器的实体模型，通过有限元仿真软件COMSOL进行仿真并分析各参数对压电振动能量采集器的工作模式、振动特性、电输出响应等的影响，得到影响振动压电振动能量采集器的谐振频率、振型和相关振动性能的主要因素及相应规律，得到优化后的结构尺寸和设计参数。 3、悬臂梁式压电振动能量采集器实验 将仿真软件中的悬臂梁式压电振动能量采集器进行实体实验测量该能量采集器的实际工作特性。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

1、悬臂梁式压电能量采集机理研究

压电能量采集机理研究，主要是基于压电材料的压电性，来实现环境振动力学-机械运动-电学的转化的。当对压电元件施加应力，会引起其内部的正负电荷中心发生相对位移而产生电极化，从而导致元件的两个表面出现符号相反的等量束缚电荷，当外力移除后，有回复电中性的状态。其中，电荷的大小与外力成正比。

在上述压电效应理论的基础上，还需要对环境振动对能量采集效果的评估进行研究。能量采集的效果决定于压电振动能量采集器的工作模式、振动特性、能量采集器的材料和结构，所以还需要研究环境振动时压电模型的振动形态，强度，幅度与相应产生的能量的理论关系。

4. 参考文献

[1]袁江波，单小彪，谢涛.悬臂梁单晶压电发电机的实验[jjl.光学精密工程，2009, 17(5): 1072-1076.

[2]jing-quan liu,hua-bin fang,zheng-yi xu等 a mems-based piezoelectric power generator array for vibration energy harvesting.microelectronics journal 39 (2008) 802–806

[3]曾平，佟刚，程光明，等.压电发电能量储存方法的初步研究[j].压电与声光,2008,30(2):230-235

[4]孙亚飞，陈仁文，陈勇等.压电材料电荷能量回收技术研究[j].压电与声光，2002 24(1):71-74