1.1研究现状
随着微电子器件，无线网络传感器以及mems等低功耗产品的应用日益广泛，从环境中提取能量，给微电子设备使用已成为研究的热点。一种采用压电俘能技术的压电能量采集器，具有结构简单，不受电磁干扰，无污染，不发热的无限寿命[1]等优点，能满足低耗能电子产品的供能需求。

压电材料可按多种构成形式应用于压电俘能系统中, 可通过改变压电材料属性, 改变压电单元工作模式, 利用多层化来增加压电体有效容积, 改变压电振子的结构形式[2]以及调节系统的谐振频率等方法改变压电俘能装置的构成形式来提高压电俘能装置的俘能性能。

压电材料的选择对压电俘能系统的性能有着重要的影响。到目前为止, 已有多种压电材料应用于压电俘能器中。其中, 最常用的压电材料是锆钛酸铅, 又称为PZT[3]。虽然PZT型的压电材料应用最为广泛, 但PZT陶瓷易碎, 使得PZT压电片在压电俘能系统中不能承受大的应变。Lee等研究表明在高频周期载荷作用下,压电陶瓷极易产生疲劳裂纹, 发生脆性断裂[ 4] 。为了克服PZT的这一缺陷和提高俘能效率, 研究者需要研制出柔韧性能更好的压电材料。

另一种常用的压电材料为聚偏氟乙稀(PVDF)。PVDF是一种压电聚合体, 相比于与PZT, 具有更好柔韧性。Lee等[ 5]研究表明PVDF更适合应用于交变载荷的场合。由于PVDF的柔韧性能更好, 其使用寿命更长, 俘获的能量将更多。Mohammadi等[ 6]研究了一种压电光纤混合体, 它由不同直径的压电光纤和环氧树脂构成。对由40%的压电光纤和60%的环氧树脂构成的矩形梁进行了实验研究, 矩形梁的结构尺寸为34 mm×11 mm×5.85mm。当一个质量为33.5 g, 直径为20 mm的刚球, 从10 cm的高度撞击矩形梁, 可得最大输出电压为350 V, 最大功率为120 mW。在此基础上, 对输出电压与矩形梁结构尺寸关系进行了研究, 研究结果表明, 矩形梁越厚,承受变形能力越大;压电光纤的直径越小, 压电系数越大, 介电常数越小, 俘能系统的输出功率越大, 能量转化效率越高。因此, 柔韧性好的压电材料在俘能装置的应用中备受青睐。

提高俘能效率的另外一种方法是采用有效的工作模式, 其中常用的两种工作模式为:d31模式和d33模式。d31模式为作用力与极化方向垂直, d33模式为作用力的方向与极化方向相同, 如图1 所示。一般地,d31是最常用的转换模式, 但d31 模式的耦合系数比d33模式小。Baker等[ 7] 通过对三种不同的压电材料研究表明, d33模式下的耦合系数要高于d31模式的耦合系数。将一个等体积的d33 模式下的压电叠堆与d31模式下压电悬臂梁进行了对比实验, 结果表明叠堆结构振动性能更好且耦合系数更高, 但是在同样的应力作用下, 压电悬臂梁产生的能量比压电叠堆产生的能量多两个数量级, 其主要原因是由于压电叠堆的机械刚度大, 从而使压电单元产生的形变小。Roundy给出了相同的结论[ 8] 。同时还指出, 相比于d33 模式,d31模式下的压电俘能系统的谐振频率更低, 这样使得d31模式下的压电俘能系统更容易在低频的自然环境下产生谐振, 从而俘获更多的能量。

Yang等[ 9] 对不同的连接模式进行了数值分析研究。研究结果表明, 工作在d33 模式下的压电盘的输出功率与机电耦合系数和介电常数成正比, 压电发电装置的机电耦合系数越高, 俘获的能量越多及俘能效率越高。同时给出了当激振力的频率接近于俘能系统的谐振频率时, 输出的功率显著增加的结论。Richards等[ 10] 做了相似的研究, 建立了压电俘能器的机电耦合系数、品质因数Q和转换效率之间的数学模型。研究表明, 在一个振荡系统中阻尼越大, 以热能形式流失的能量越大;机械品质因数正好与阻尼作用相反, 品质因数越高, 其以热能流失的能量越少, 俘能系统的转换效率就越高。同时还指出, 若要提高俘能效率, 俘能系统需要适中的机电耦合系数和大的品质因数。因此, 为了提高俘能系统的俘能能力, 系统的品质因数对压电俘能器来说是一个非常重要的设计参数。

许多传统的俘能系统采用的是压电单晶片, 另外一种常用的结构是压电双晶片。压电单晶片由单个压电片粘贴在金属悬臂梁上, 压电双晶片由在金属片两面分别黏结压电片组成, 从连接形式分为串联压电双晶片和并联压电双晶片。吉林大学程光明等[ 11]研制了一套压电发电能力的测试系统, 在104 Hz的激励频率下, 压电双晶片最大输出电压为2.5 V;Ng和Liao[ 12]对一种压电单晶片和两种压电双晶片进行了研究。研究结果表明, 当负载和激振力频率较低时, 压电单晶片产生的能量较高;当负载阻抗和激振力频率居中时, 并联压电双晶片输出的能量较高;当负载阻抗和激振力频率较高时, 串联压电双晶片输出的能量较高。这是由于当负载阻抗与俘能系统的阻抗相匹配时, 转化成的电能最大, 而串联连接增加了系统的负载, 所以当负载阻抗高时, 此时的能量转换效率高。