1. 研究目的与意义（文献综述）

1.研究背景及发展现状

随着时代的发展，科学技术的不断进步，互联网技术、无线通讯技术和微电子技术日趋成熟。基于上述技术的成熟，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）技术的发展也日渐完善，应用领域不断扩大。无线传感网络技术由微纳制造技术、无线通讯技术、现代网络技术、分布式信息处理技术等组成，分布嵌入于各种类型的环境当中（如地下矿井，森林，太空站外壁等），通过微型传感器件，实现对不同目标信息的实时监测、存储、处理、传输，广泛应用于军事侦测、环境监测、医疗卫生、智能家居、工业预警、太空探测等领域^[1-2]。无线传感器网络系统由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点组成，无线传感器网络节点由包括以下四个基本单元：传感单元、处理单元、通信单元和电源。如何分别对这些传感器节点提供稳定的电压，是该领域内的一大难题。传统电池（如铅酸电池，锂电池，镍氢电池等）作为电源集中或分散供电的方法因其以下缺陷已不适用于为无线传感器网络节点供电。

传统电池的缺陷：

1、相比于传感器网络节点，传统电池的体积较大，不适用一些特殊环境；

2、传统电池化学毒性污染严重，且有泄漏可能性；

3、供电寿命有限，或一次性供电时间较短，拆换困难；

4、传感器网络节点数量多，且大量散布在作用区域内，采用传统电池，布线困难，成本较高；

因此，亟需研发有效可行的替代方案，而能从周围环境中采集能量的能源装置无疑是一种颇有前景的代替方案^[3]。此外，该研究对埋植监测系统、便携式电子设备、恶劣环境工作的微器件等“自供电”需求也具有实际应用价值^[4]。

能量采集（Energy Harvesting or Energy Scavenging），简单地说，就是一种利用能量采集器从其周围环境中获取能量的技术。其本质是利用光伏、热电、压电、电磁等各种物理或化学效应把器件周围环境中广泛存在的光能、热能、振动能、风能等能量转换成可以使用的电能^[5]。

太阳能（Solar Energy）是有太阳内部氢原子发生氢氦聚变而释放出巨大核能而产生的。早在17世纪初期，太阳能就已经被工程界先驱意识到作为一种能源，并投入到实际应用去，即1615年法国工程师所罗门·德·考克斯发明世界上第一台太阳能驱动的发动机。时至今日，太阳能的利用有“光热转换”和“光电转换”两种方式，是一种新兴的可再生能源。太阳能具有普遍、无害、可再生等优点，但也具有分散性、不稳定性、效率低、成本高等缺点。

由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均，引起大气层中压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向流动，风能（Wind Energy）就是空气流动所产生的动能。风能作为一种洁净的可再生能源，生产成本较低，仍具备一些缺陷，比如风速不稳定、转换效率低等。

热能（Thermal Energy）是环境中普遍存在的一种能量。基于热电效应，将热能转换成电能自19世纪就已经投入研究和应用了，时至今日，热发电技术已渐至成熟，大至地热发电站，小至微型热电发电机。微型热电发电机应用最成功的例子是日本精工株式会社的热电腕式手表（Seiko Thermic wristwatch）^[6]。

振动能量广泛存在于我们的日常生活中，如人行走产生的振动、桥梁的振动、机车的振动、家用电器的振动等。相比于其他能量，振动能量存在于我们的衣、食、住、行当中，比较容易获取，而且不受季节等因素的限制。

图1-1不同能量采集技术输出功率的对比

图1-1列举了部分不同能量采集技术输出功率的对比^[7]。由图1-1以及上述分析可知，室外的太阳能采集技术和振动能采集技术输出功率密度较高，分别为15000μW/cm³和306μW/cm³，但是太阳能在室内的光能功率密度降低至10μW/cm³。图1-2显示了各种电池、太阳能以及振动能作为电源时输出功率随时间（/年）变化的关系^[8]。由图1-2可知，太阳能和振动能能量采集技术是一种稳定的“自供电技术”，其输出功率受时间的影响微乎其微，可忽略不计。然而太阳能因其受天气因素制约等局限性，并不能成为一种高效的替代能源。与之相比，振动能（电磁式）则比较稳定，保持在306μW/cm³左右，是一种更有力的替代方案。

图1-2电池、太阳能和振动能等能源功率-寿命图

另一方面，随着技术的改进和提高，无线传感器节点的能耗也逐步降低，目前某些无线传感器节点产品的活动能耗和睡眠能耗已经分别降到了几十毫瓦和几微瓦的级别^[9]。目前市面上已经研发并投产的无线通讯技术有RFID、GPRS、Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、UWB、Zig-Bee和NFC。应用最普遍的是蓝牙技术，采用蓝牙技术进行传输的无线器件的功耗大约是40-60mW，而Zig-Bee标准消耗的功率大约只为上述的1/3^[5]。其他研发成功的小型无线平台，例如Picoradio等^[1]，它们消耗的功率大约为10-100μW。

因此从周围环境中采集能量的“自供电”技术完全可以满足小型新型电子元器件的功率需求，其中振动能量采集技术相比其他能量采集技术具有莫大的优势。图1-3显示了日常生活中不同振动源的加速度峰值和工作频率大小^[10]。由图可见，环境中的振动源加速度范围为0~12m/s²，工作频率范围多为10~200Hz，其值较低。而振动能量采集器只有在外部激励接近采集器系统固有频率时才具有有效的输出^[11],因此需要在采集器结构设计时，降低其固有频率，接近外部环境激励频率。

图1-3不同振动源的加速度峰值和工作频率

振动能量采集器（A Vibration Energy Harvester），顾名思义，是一种将振动过程中的机械能转换成电能的能源装置，按照其转换机理的不同可分为静电式、压电式、电磁式和复合式。就上述四种形式的能量采集器的转换机理和发展现状进行介绍。

1、静电式能量采集器（An Electrostatic Energy Harvester）

静电式能量采集器，又称可变电容式能量采集器，由电容板组成。依据公式和可知，附加外部电源或电容保持电压U或电量Q不变，将外部的机械振动反馈到电容的电极板上，通过改变电容器的上下极板的间距d或相对面积S改变电容C，使得电量Q或电压U变化，从而达到放电的目的。静电式能量采集器体积小，适合非常小的系统，输出电压和功率也较高，但仍具有需要外加电源、加工困难等缺陷。

目前国外主要研究的机构有德国弗莱堡大学、德国微系统研究所、英国伦敦皇家学院、澳大利亚国立大学、日本东京大学、美国加州大学伯克利分校等。国内的研究机构有重庆大学、台湾国立大学、台湾国立交通大学等。图1-4是上述研究机构中几个研制较为典型的器件基本参数的综合比较^[12]。由图可知，静电式能量采集器在高频激励和低频激励两种状态下，皆有有效的输出。

图1-4 MEMS静电式振动能量采集器性能参数比较

2、压电式能量采集器（A Piezoelectric Energy Harvester）

某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，此即为压电效应，该类电介质成为压电体。当外力去掉时，它又恢复到不带电的状态，此为正压电效应，如图1-5（a）。反之，当在压电体的极化方向上施加电场时，压电体发生变形，电场去掉后，压电体的变形也随之消失，此为逆压电效应，如图1-5（b）。压电式能量

图1-5 （a）正压电效应原理图（b）逆压电效应原理图

采集器时基于正压电效应，将机械振动作用在具有压电转换功能的材料上，引起上下表面电荷变化，通过外接电路连成回路，输出电能，从而完成机械能与电能的转换。基于压电效应的能量采集器的研究较为完善，已被广泛地应用，其具有输出电压高、输出电能密度高，结构紧凑简单、环境适应能力强，适合低频振动等优点，但仍然具有诸如压电功能材料性能较差、机电耦合系数较低、存在内部电容、输出阻抗较高等缺陷^[13]。

2000年，加州大学S.Roundy等人研究提出了一种悬臂梁结构的压电式能量采集器^[10]，如图1-6所示。在薄钢板上下两表面各有一块PZT-5A薄垫片，锡铋合金制造的质量块粘贴在悬臂梁末端。实验结果显示，谐振频率接近100Hz、阻抗为250kΩ时，输入加速度为0.5-5ms^-2，压电式能量采集器可以产生接近80μW的功率。

图1-6 带有固定装置和质量块的PZT悬臂梁

2005年，韩国科学技术研究所的Jeon等学者基于PZT薄膜d₃₃型压电能量采集器^[14]，如图1-7所示。实验结果显示，该系统有三个不同谐振模态：两种弯曲模态（13.9和48.5kHz）和一种扭转模态（21.9kHz）。一阶谐振模态（13.9kHz）时，负载为10.1MΩ，输出最大电压3V；负载为5.2MΩ，输出最大功率1μW，相应的能量密度为0.74mWh/cm².

图1-7 d₃₃型PZT薄膜器件示意图

2009年，新加坡南洋理工大学的Yang等学者研制出一种基于纤维化合物（MFC，Macro Fiber Composites）压电材料的单晶片式压电能量采集器^[15]，如图1-8所示。单晶片悬臂梁尺寸为250mmх62mmх1.5mm，输出功率达151.6μW。

图1-8 MFC单晶片式压电能量采集器

2014年，上海交通大学的TANG、等学者研究了基于铌镁酸铅PMN-PT单晶厚膜单梁-质量块d₃₃型能量采集器^[16]，如图1-9所示。该俘能器谐振频率为406Hz，当激励频率接近该数值时，输出最大电压5.36V，输出功率为7.182μW。

图1-9 PMN-PT单晶厚膜单梁-质量块d₃₃型能量采集器

3电磁式能量采集器（An Electromagnetic Energy Harvester）

电磁式能量采集器，是根据电磁感应定律，从磁场中获取电能的能源装置，包括永磁体和感应线圈绕组。电磁感应现象，即线圈内磁通量的变化产生感应电动势或闭合回路的一部分在磁场内切割磁感线产生感应电动势的现象。当系统受到外部环境振动激励时，永磁体和和线圈做相对运动，线圈内磁通量发生变化，产生感应电动势。电磁式能量采集器根据永磁体和感应线圈绕组的运动状态又分为以下三种形式：动磁式、动圈式、磁圈共动式。电磁式能量采集器输出电流和输出功率较大，输出功率密度加大且无需附加电源，但其输出电压较低，难以驱动外围电路，另外，其驱动频率较高、感测频率范围较广等因素限制了其广泛应用^[17]。

重庆大学温志渝教授领导的团队研发的一种微型MEMS电磁发电机^[18-19] ，如图1-10所示。在典型工作频率122Hz下，负载为1000Ω时，输出功率达到最大值18.04mW，输出电压为134.3mV。

2015年，S Wang等研究学者提出了一种含有铁磁流体 可动永磁体 固定永磁体的振动能量采集器^[20]。其结构如图1-11所示，自上而下，有固定永磁体、线圈、塑料管、塞子、铁磁流体、可动永磁体。该能量采集器的谐振频率为3.5Hz，在慢跑过程中，能产生3.40mW的功率。

图1-11 铁磁流体能量采集器结构示意图

4、复合式能量采集器

复合式能量采集器，是指将上述能量采集形式两种或两种以上结合起来，依托于同一系统而开发构造出来的一种装置，应用最广泛的是压电-电磁复合式能量采集器。复合式能量采集器的最大输出功率相比于单一的压电式或电磁式能量采集器均较高^[17]，大大的提高了能量采集效率，目前受到了研究学者们的广泛关注。

2008年，Xu Y等人设计了一种压电-电磁式能量采集器^[21],其结构如图1-12所示。该能量采集器被设计用于收集汽车发动机舱（15ms^-2、50HZ）的振动能量，在外界负载为10Ω时，压电部分输出功率6.9μW，整体的输出功率密度达到1.18mW/cm³。

图1-12 复合式能量采集器示意图

中科院北京纳米能源与系统研究所王中林团队中杨亚课题组于2015年发布了一种摩擦-电磁复合式能量采集器^[22]，如图1-13所示。在该装置中，空气流动的动能驱动Kapton膜振动，使一端固定的TENG和设备前端的EMG能同时工作。复合式能量采集器有较高的能量转换效率，如图所示，产生较大的电压和电流，能同时驱动四个温度传感器，也可以储存起来为其它电子器件供电。

图1-13(A)能量采集器结构示意图(B)输出电压/V（C）输出电流/mV

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

1、本课题设计了一种基于压电效应和磁电效应的复合式能量采集器，即压电-磁电复合能量采集器。以单悬臂梁结构收集外界振动的能量，如图2-1所示。外界振动源激励下，悬臂梁振动（近似为简谐振动），一方面，永磁体进出线圈，线圈内磁通量发生变化，产生感应电动势，另一方面，粘贴在悬臂梁上下表面的PZT压电陶瓷随悬臂梁振动，受变化应力，基于正压电效应，产生感应电动势。

图2-1 压电-电磁复合式能量采集器结构示意图

2、熟悉压电-磁电复合式能量采集器的工作原理，基于Hamilton泛函，建立压电-磁电能量采集器的动力学数学模型，使用matlab软件对俘能器进行仿真，完成动力学特性分析和输出功率特性分析。为方便分析，依据振动学基础知识，将压电-磁电俘能器简化为质量-弹簧-阻尼系统，如图2-2所示。

图2-2 压电-电磁能量采集器等效模型

3、基于复合俘能器工作特性，配置整流电路，制备压电-磁电复合俘能器件，表征俘能器输出功率。

4、使用已制备并且已安装好的复合俘能器做实验，采集实验数据，表征外界激励频率、外界电阻对俘能器件输出特性的影响。

2.2研究意义

随着社会的发展，时代的进步，能源的需求也日益紧张。传统能源（如石油煤炭等）的过度使用不仅加剧了能源危机，还造成了环境的污染。在新的时代背景下，对环保能源、清洁能源、可再生能源的呼声越来越高。更多的研究学者和资源投入到了新能源的开发中，一种可从周围环境中采集能量的自供电技术便应运而生，振动能量采集器是其中一种。无数实验表明，振动能量采集器所获取的电能完全可以为微小型电子器件持续供电，并且适应复杂多变的环境。然而传统的单一压电式、电磁式或静电式能量采集器能量装换效率较低，并且有着各自的缺陷，本课题所研究设计的压电-磁电复合式俘能器，可以大大提高能量采集效率，提高功率输出密度。

2.3拟解决的关键问题

1、在单压电悬臂梁制作过程中，将压电材料附加在垫片上的过程应严格按工艺标准要求执行，以保证对悬臂梁和压电材料本身性能的影响降至最低，贴合要紧密，提高压电材料的能量转换效率。

2、由于磁性物质周围分布无数闭合磁感线，在磁体外面，从N极指向S极，越靠近两极磁感线越密集，磁场强度也越强，随着距离的增加，磁场强度迅速减小。因此磁体周围的磁场分布是非线性的，即电磁回路是非线性的，如何将非线性系统线性化处理，需要查找相关文献认真了解。

2.4技术路线

3. 研究计划与安排

02/18——03/02：浏览国内外各学术网站，查找下载与俘能器相关的文献，包括期刊论文、会议文献以及学位论文，了解俘能器工作原理、研究背景以及发展现状，并进行分类总结。另外翻译相关英文文献一篇。

03/02——03/15：阅读文献，以学位论文为主，期刊、会议论文为辅，完成开题报告。另外，完成matlab软件的学习，并且能够进行建模和仿真。

03/16——03/31：使用solidworks完成夹具的设计，并且完成anysis软件接触性分析相关部分的学习，以便于对夹具进行分析。建立压电-磁电俘能器动力学数学模型，并用matlab进行特性分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] rabaey j m,ammer m j, silva j l d, et al. picoradio supports ad hoc ultra-low powerwireless networking[j].computer,2000,33(7):42-48.

[2]李金田,文玉梅. 压电式振动能量采集装置研究进展[j].现代电子技术，2011,34(18):184-189.

[3] beeby, s. p,tudor,m. j. and white, n. m. energy harvesting vibration sources for microsystemsapplications[j]. measurement science and technology. 2006, vol 17 (12),175-195.