諧振頻率轉換機制振動能采集器研究進展*

杜小振，張龍波，曾慶良

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

0 引 言

近年來,環境振動能量采集技術研究越來越廣泛，其特有的機/電轉換性能有望實現為微型傳感器、無線傳感網絡節點等低功耗微電子器件持續供能[1,2]。電池的研發一直滯后于便攜式電子設備功能多樣化的更新換代，傳統化學電池除了廣泛普及、技術相對成熟、成本低廉等優勢外，同樣存在壽命有限需定期更換、溫度適應性差、污染環境等缺點[3]。然而周圍環境振動場合隨處可見，采集環境振動能換能技術的新型微電源未來可替代傳統化學電池為低功耗無線傳感網絡系統提供穩定持久、高效環保能源[4]。

當前研究的環境振動能量采集形式主要包括靜電式、電磁式、壓電式、摩擦發電效應及復合式等[5～13]，比較各種能量轉換形式的特點可知,靜電式能量采集器需外加電壓源，實用性差；電磁式易受外圍磁場干擾；壓電式,傳統工藝采用的含鉛壓電陶瓷材料，脆性大易產生應變疲勞，同時鉛具有毒性危害人體健康，污染環境[14,15]；摩擦發電效應在微能源領域研究中起步較晚，2012年，美國科學家王中林提出了利用耦合摩擦起電和靜電感應原理將環境中極其微小的振動機械能轉換為電能，成功研發出了世界首臺納米發電機，其制造工藝相對簡單、成本低廉易于批量生產，為未來微能源領域提供新的能量供給模式[16]。當前研究振動能采集形式主要表現為固定頻率形式，而環境隨機振動多表現為頻率低、頻域廣、振幅小且多方向性，并且受工藝和微電源尺寸限制，目前，研究的大多數環境振動能采集器自身諧振頻率較高，不利于在低頻振動環境中高效采集能量，鑒于以上特點，需調整拾振結構的振動特性實現頻率轉換，滿足低寬頻隨機振動環境能量采集要求[17，18]。當前研究拾振結構頻變方式主要有接觸式和非接觸式。

本文分析總結了多種發電裝置頻率轉換結構設計優缺點及其實用性，為拾振型微電源優化設計提供經驗。

1 接觸式頻率轉換法

1.1 直接碰撞拾振體進行頻率轉換

當前多數環境振動能量收集裝置采用懸臂梁作為拾振換能結構，尺寸設計過小則裝置自身固有頻率很大，然而傳感網節點周圍環境振動頻率一般低于100 Hz，二者難以匹配實現高效發電，必須進行頻率轉換使高頻發電裝置更好適應低頻振動環境。韓國光云大學的Halim M A等人[19]提出了頻率轉換寬頻壓電能量采集裝置，如圖1，低頻驅動梁自由端固定長方體質量塊，在其正下方適當垂直距離固定兩根自由端無質量塊的高頻壓電懸臂梁。裝置受到外界振動激勵時，質量塊隨低頻驅動梁上下運動碰撞高頻壓電懸臂梁。外接最優阻抗180 kΩ，施加0.4gn激勵加速度，在低諧振頻率13.5 Hz下輸出峰值功率247 μW。裝置可實現低/高頻轉換并拓寬采集頻帶8 Hz。新加坡國立大學的Liu H 等人[20]設計了如圖2所示壓電式MEMS微電源，高頻壓電懸臂梁和自由端固定質量塊的低頻壓電懸臂梁對向分布固定于上、下硅基底，對其金屬封裝并上、下固定于中間設置墊片的PCB上。低頻壓電懸臂梁自由端質量塊受環境振源激勵，自由振動碰撞高頻壓電懸臂梁驅使其諧振變形。實驗測試結果表明：外界施加0.6gn激勵加速度，裝置適應環境采集頻帶30～48 Hz，輸出最優功率34～100 nW，滿足低寬頻振動環境工作要求。

圖1 低高頻組合梁壓電式發電裝置

圖2 壓電式MEMS微電源結構

立陶宛考納斯科技大學的Dauksevicius R等人[21]設計了多懸臂梁組合式頻率轉換能量采集裝置,如圖3，兩端豎直基板中間位置橫向固定兩根諧振驅動梁，對應其上、下位置分別固定兩根高頻壓電懸臂梁，通過多組適當間隔的低頻諧振梁相互碰撞驅動高頻壓電懸臂梁，可實現在低頻振動環境下寬頻發電。實驗測試：激勵頻率范圍10～40 Hz，在1gn激勵加速度下兩根諧振梁共振頻率范圍10～30 Hz，裝置輸出功率范圍30～37 μW，有效拓寬采集頻帶9 Hz。

圖3 多梁組合式壓電能量采集裝置

泰國曼谷國王科技大學的Janphuang P等人[22]設計的旋轉式頻率轉換MEMS微電源如圖4，其中,壓電懸臂梁、半圓形旋轉質量塊和齒盤上下依次同軸固定，半圓形質量塊旋轉帶動齒盤與壓電懸臂梁端齒發生嚙合運動，每次嚙合過程中均驅使壓電懸臂梁彎曲變形產生電能。當齒盤旋轉速度為3～19 rad/s，裝置可獲得幾十毫瓦平均功率輸出。同時這種垂直布置可降低裝置高度、保證結構緊湊性，適合為智能手表、電子手環等可穿戴式低功耗設備供能。韓國光云大學的Miah M A H等人[23]設計了一種圓柱結構式電磁能量采集裝置如圖5，其尺寸大小類似于單節普通干電池。圓柱磁鐵固定在外殼兩端內置彈簧上，同時外殼兩端外部纏繞線圈，中間非磁性圓球可在外殼內部通道自由運動碰撞圓柱磁鐵，在彈簧作用下兩圓柱磁鐵高頻振動，穿過外圍線圈的磁通量變化產生感應交變電流。外接負載電阻16 Ω，施加激勵加速度2.5gn，在振動頻率15 Hz下裝置輸出功率227.52 μW。

圖4 旋轉質量塊壓電式MEMS微電源

圖5 圓柱結構式電磁能量采集裝置

直接作用于發電裝置拾振結構進行能量采集頻率轉換來適應低頻振動環境，基本通過相互碰撞方式實現，這種結構設計往往會增大裝置體積、降低能量密度，持續碰撞拾振體會損失部分機械能,同時產生額外振動噪聲，并且直接接觸式機械磨損極大地降低了裝置工作壽命。

1.2 間接碰撞拾振體進行頻率轉換

韓國光云大學的Halim M A等人[24]設計了如圖6所示手動驅動式頻率轉換復合能量采集裝置，手動驅動模式下頂部非磁性圓球可在矩形通道內來回擺動，壓電懸臂梁中心位置上方固定弧度質量塊，下方固定圓柱磁鐵，感應線圈位于磁鐵正下方。頂部圓球來回擺動擠壓弧度質量塊，間接驅使壓電懸臂梁自由振動，同時圓柱磁鐵與線圈相對運動。在手動驅動頻率5 Hz下，壓電和電磁發電各自輸出峰值功率0.98，0.64 mW。Halim M A課題組[25]還提出了通過碰撞兩側柔性壁間接作用于壓電懸臂梁沖擊力進行頻率轉換，結構設計如圖7所示，中間金屬球可在兩端通口圓柱通道內自由運動，每次碰撞柔性壁均將沖擊力傳遞給壓電懸臂梁，驅使其變形產生電能。實驗測得以手動驅動頻率4.96 Hz搖晃發電裝置實物原型，可輸出峰值功率175 μW。

圖6 手動驅動復合式能量采集裝置

圖7 頻率轉換壓電式能量采集裝置

通過擠壓弧度質量塊或碰撞柔性壁間接作用于壓電懸臂梁，相互之間沖擊力將環境低頻振動驅動轉換為發電裝置高頻諧振發電，避免對懸臂梁直接接觸碰撞磨損，減小振動噪聲，延長系統壽命。

2 非接觸式頻率轉換法

2.1 驅使振動體形變進行頻率轉換

韓國西江大學的Jun S M等人[26]提出了如圖8所示機械式頻率轉換能量采集裝置，兩根細長柔性梁共用中心大質量塊，其底部粘貼兩根自由端固定小質量塊的壓電懸臂梁。裝置受到外部環境激勵超過細長梁穩態閾值加速度，此時壓電懸臂梁隨柔性梁中心質量塊上下運動產生諧振，將環境低頻激勵振動轉化為壓電懸臂梁高頻能量采集振動。在30 Hz諧振頻率下，輸出峰值功率131 μW，有效拓寬工作頻帶15～40 Hz。同樣來自韓國西江大學的Han D等人[27]也提出了類似頻率轉換結構，如圖9所示，中間柔性驅動梁兩端連接柔性側壁，壓電懸臂梁固定于柔性驅動梁中心質量塊上。當外部激勵加速度超過柔性驅動梁穩態閾值加速度時，質量塊上下運動過程中帶動兩側柔性壁擴張或收縮，施加沖擊力于壓電懸臂梁驅使其形變。在激勵加速度0.5gn，振動頻率15 Hz下，裝置可輸出10 μW的峰值功率。

圖8 機械式頻率轉換壓電發電裝置

圖9 采用柔性側壁頻變結構的壓電能量采集裝置

韓國梨花女子大學的Ju S等人[28]利用蹦床效應設計了如圖10所示的低頻能量采集裝置，頂部腔室內放置永久磁性圓球，兩端S型彈簧提高磁球碰撞彈速。往復運動的磁球可實時對底部磁電復合材料提供垂直變化的磁場，根據其形狀記憶效應，變化的磁場控制上、下磁性形狀記憶合金(MSMA)層發生形變并驅使中間MFC(一種柔韌性壓電材料)層變形產生電能。在手動驅動模式下，裝置輸出峰值開路電壓11.2 V，外接負載電阻50 kΩ,輸出功率0.57 μW。韓國西江大學的Jang M等人[29]設計了用半圓形殼式懸臂梁替代傳統平板懸臂梁進行頻率轉換的壓電能量采集裝置，如圖11，殼式懸臂梁固定于基座作為驅動梁，其自由端質量塊上固定壓電懸臂梁。當外部激勵加速度超過驅動梁閾值加速度，此時驅動梁會隨質量塊向下彎曲運動，激勵加速度反向時驅動梁則停止運動將沖擊力傳遞給壓電懸臂梁驅使其彎曲變形。實驗測得在振動頻率20 Hz下輸出峰值功率101 μW。

圖10 基于蹦床效應的頻率轉換低頻能量采集裝置

圖11 半圓形殼式驅動梁壓電能量采集裝置

驅使振動體形變也可實現發電裝置能量采集結構諧振頻率低、高頻之間轉換，避免了與拾振體相互碰撞，從而提高了裝置工作壽命。由于需要滿足較大振動結構形變空間往往整體結構設計不緊湊，導致裝置體積過大，降低能量密度，同時結構設計的特殊性也決定了此類發電裝置一般僅適用于低頻大振幅且振動方向固定的場合。

2.2 磁力耦合作用進行頻率轉換

英國帝國理工學院的Pillatsch P等人[30]設計了旋轉式MEMS壓電微電源，如圖12所示，繞中心軸旋轉的偏心盤轉子質量塊外邊緣固定永久磁鐵，自由端同樣設置了永久磁鐵的壓電懸臂梁，固定于外蓋下表面且正對轉子質量塊磁鐵。裝置體積約5 cm3，直徑30 mm，約為一英鎊硬幣尺寸。轉子質量塊持續旋轉速度20 m/s2，激振頻率2 Hz時裝置輸出峰值功率43 μW。韓國全南國立大學的Wu X和Lee D W[31]提出了如圖13所示非接觸式磁力耦合寬頻發電裝置，懸臂梁采用折疊結構設計減小尺寸空間并提高應力分布。低高頻聚偏氟乙烯(PVDF)懸臂梁通過自由端磁鐵組相互耦合，無論激勵頻率過高或者過低，這種頻率轉換機制均可提高兩組PVDF懸臂梁的能量采集效率。外接負載電阻50 kΩ，在30 Hz激勵頻率下，低、高頻PVDF懸臂梁分別輸出功率7.2，11.25 μW，滿足低功率無線傳感網絡供能需求。

圖12 旋轉式MEMS微電源結構

圖13 折疊式懸臂梁磁力耦合寬頻發電裝置

巴西圣保羅大學的Olympio Raul B等人[32]同樣提出了對壓電懸臂梁施加磁力耦合作用進行頻率轉換，如圖14，在壓電懸臂梁自由端磁鐵質量塊相對位置設置豎直陣列磁鐵組，對壓電懸臂梁施加非線性磁力作用。裝置外接負載電阻并固定于衣服口袋內，在人體步行頻率2 Hz和跑步頻率3 Hz下測試，分別輸出功率12.7 mW和5.3 mW。美國密歇根大學的Galchev T等人[33]設計了如圖15所示的低寬頻壓電發電裝置，固定磁鐵質量塊的螺旋式壓電彈簧梁分別位于裝置頂部和底部，中間懸浮彈簧固定鎢質量塊，分別與頂部和底部磁鐵質量塊發生磁力耦合作用，驅使壓電彈簧梁諧振形變。在1gn激勵加速度下，裝置輸出峰值功率100 μW，有效拓寬采集頻帶24 Hz。

圖14 非接觸式磁力耦合壓電能量采集裝置

圖15 螺旋式彈簧梁低寬頻壓電發電裝置

土耳其中東技術大學的Zorlu O等人[34]設計了如圖16所示的低、高頻轉換電磁式MEMS微電源，底部高頻隔膜上表面設置平面線圈四周通過聚對二甲苯微型懸臂梁與基底相連，平面線圈中心區域鍍有鎳層，正對頂部低頻隔膜下表面固定的磁鐵質量塊。磁鐵隨低頻隔膜運動對中間鎳層施加磁力作用驅使高頻隔膜振動，同時磁鐵與平面線圈發生相對運動產生感應電流。外接負載電阻10 kΩ，在0.6gn激勵加速度下，裝置輸出峰值電壓和功率分別為6.94 mV和8.1 nW。

圖16 低高頻轉換電磁式MEMS微電源

引入磁鐵與拾振結構進行磁力耦合實現頻率轉換可減小發電裝置整體尺寸、簡化結構提高緊湊性，更好適應隨機振動多變的復雜環境。同時由于非線性磁力耦合特性作用，還可實現裝置能量采集諧振頻率轉換調節的連續性，提高裝置在低寬頻隨機振動環境下的實用性。此外,磁鐵的外輻射磁場會干擾其周邊近距離電子元器件的正常工作，因此,若不能解決磁干擾問題，該技術的應用將會受到一定程度的局限性。

3 環境振動能采集微電源的研究趨勢

環境振動能采集微電源因具備工作壽命持久、可靠性高、環保無污染、微型易集成等特性。其實用化研究過程需要解決微電源拾振結構自身諧振頻率與環境振源激勵頻變匹配、采集振動能機/電轉換效率、優化能量儲存管理模塊等問題[35～37]。

環境隨機振動激振頻率較低且不穩定、振源多方向性，微電源結構設計能夠適應復雜環境。當前研究的振動式能量采集發電裝置在尺寸微型化的同時自身諧振頻率較高，與周圍環境振源激勵頻差較大，頻率不匹配問題降低了發電裝置的機/電轉換效率。需拓寬發電裝置的能量采集頻帶，實現微電源自適應低寬頻隨機振動環境多頻段發電；研制新型高性能無鉛壓電材料替代傳統壓電陶瓷材料[38]，改進微加工工藝，在結構緊湊基礎上融合多種換能形式，提高微電源機電轉換效率；為了實現環境振動微電源對低功耗系統直接供能，需設計優化電源儲能管理模塊對采集到的能量進行轉換儲存,實現完全自主供能微系統結構。

4 結束語

環境振動能采集微電源應用于低功耗微機電系統自供電，其特有供能優勢有望成為微能源領域重要補充。當前研究的微型發電裝置在實際應用過程中存在機/電換能效率低、環境適用性差等不足，如何提高其高效實用性仍為待攻克的研究難題。直接或間接碰撞拾振體振動穩定性差，造成工作壽命短；振動體形變的頻率轉換結構空間體積大，能量密度低，與自供能系統微型化研究相矛盾；磁力耦合調頻可有效縮減裝置體積，實現連續調頻，但存在磁干擾問題。優化微電源結構設計達到多頻段、多方向適應環境振源改進傳統型發電裝置僅單頻諧振高效發電不足、深入微加工工藝研究并提高微組裝技術、與電能儲存管理模塊智能化匹配等方面仍將是以后的研究重點。

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