壓電式能量收集器發展現狀及產品研究

李　旭

（中糧營養健康研究院有限公司，北京102209）

0　引言

過去幾十年，便攜式電子設備和無線傳感網（WSN）得到了快速發展，其在人體健康檢測、環境監測控制、軍事安全、動物追蹤、智能樓宇、智能家居等方面得到了廣泛的應用[1]。一直以來，這些器件依靠傳統的化學電池提供能量，然而化學電池相對于微電子器件體積較大，需要長時間提供能量的無線傳感器需要定期更換電池。這不僅給無線傳感器帶來很多不便和經濟負擔而且還造成環境的污染。有些場合，比如嵌入在動物和人體內的電子設備更換電池相當困難[2]。化學電池固有的缺點限制了便攜式電子設備和無線傳感網的應用，成為其發展的瓶頸之一。為了解決這一問題，除了研發高性能的電化學電池外，越來越多的學者將目光投向從環境中收集能量為微電子器件供電，以取代傳統電池[3-7]。能量收集器作為能量收集的器件可以從環境中收集不同類型的能量，如靜電、太陽能、射頻輻射、機械振動等。機械振動在自然界無處不在，具有較高的能量密度，使得基于機械振動的能量收集器具有可以長期供電、不易受天氣和應用場合限制等優點，從而越來越成為一個備受關注的研究領域[8-9]。機械振動轉化為電能的方式有三種：電磁式、靜電式和壓電式，各有優缺點。壓電式能量收集器具有結構簡單、高能量密度[1 0]、壽命長、可以與MEMS兼容等優點，最近幾十年得到快速發展，成為最具潛力的能量收集器件之一。伴隨著智能化設備的普及、物聯網的快速發展以及便攜式電子設備的推廣，能量收集器件和系統的需求進一步增加，國際上相關科研機構和公司紛紛投入巨資進行能量收集器的研究與開發，從材料、結構、采集電路等影響壓電能量收集器的性能關鍵因素突破，來滿足日益增長的市場需求。本文主要對比歸納了壓電式能量收集器的應用領域、研發機構和上市產品。然后對壓電式能量收集器未來的發展趨勢進行了深刻的探討。

1　壓電式能量收集器關鍵技術國內外研究現狀

1.1　工業應用

智能道路中大量的傳感器件以及交通工程中各種信息板、信號燈、反光路鈕等都需要能量供應，因此鋪面技術的發展對道路能量收集技術也有廣闊的需求[11]。

2008年以色列的Innowattech公司與海法理工學院共同研發了應用于道路工程的壓電能量收集系統Innowattech Piezo Electric Generator（IPEG）。采用該能量收集系統，交通量為600的一條雙車道道路上能產生0.4以上的電量，可支持400~600戶家庭的日常用電。

Innowattech[12]采用的壓電裝置包括嵌入在粘合劑多個PZT材質壓電桿，將這些壓電裝置進行陣列，嵌入在道路中可以收集人行道、公路、鐵軌、飛機跑道振動所產生的能量，并將這些能量應用于為各種信息板、信號燈、反光路紐、路燈、電動車充電站等多個裝置的供電。此外，還可以將壓電裝置嵌入在工廠設備的基座下，用以收集設備在運行過程中振動產生的能量，并將能量應用于其他設備的供電。如圖1所示。

圖1　Innowattech公司能量收集系統

1.2　物聯網、無線傳感網領域

如今人類正跨入物聯網時代，智能化的設備裝置都將實現互通，其中無線傳感器組網是實現物聯網的關鍵技術，而它的發展卻受到電源供電的很大限制，為實現真正的無線組網，應該為其配備自供電模塊，壓電能量采集器便能實現這一目標。

MicroGen Systems公司（下稱“MicroGen”）去年于美國伊利諾伊州羅斯蒙特舉辦的“Sensors Expo and Conference”展覽會（會期為2013年6月5日至6日）上宣布：振動能量收集器 BOLT Power Cell實現了一款實時無線傳感器網絡（WSN），其采用凌力爾特（Linear Technology）公司的Dust Networks LTC5800-IPM SmartMeshTMIP片內微塵。凌力爾特微塵由MicroGen的壓電式微機電系統（壓電式 MEMS）振動能量收集器或微功率發電機（MPG）技術進行供電。

1.3　日常便攜式電子設備

隨著現在電子設備功耗越來越低，能量收集器所輸出的功率可以滿足電子設備的功率要求，進而代替傳統的電池能源。可攜帶電子器件在過去幾十年得到了快速的發展，在人類各個生活領域得以應用。早在1998年，MIT就利用PVDF制作了壓電發電鞋，它們采用的是一種PZT壓電材料，由于這種材料為脆性材質，不能彎曲，因而研究者將PZT壓電器件安置在一個附屬裝置里，并間接地將人行走時的能量轉換為電能[13]。如圖2所示。

圖2　MIT研發的壓電發電鞋

Granstrom等利用PVDF作為背包的肩部背帶，當人行走時，肩部產生的力傳給背帶，背帶就會把這種力轉換為電能。該能量收集裝置的壓電器件采用的材質為2024-T351 Aircraft grade aluminum，結構采用柔性結構，輸出平均功率為0.176 mW.見圖3.

圖3　壓電發電背包

Paradiso和Feldmeier等[14]人在2001年發明了一種按鈕發電機，將手按壓時產生能量轉換為電能。MIDE公司將壓電能收集器應用于日常無線鼠標中，代替傳統電池為無線鼠標進行充電，其原理為通過壓電材料，將人在滾動鼠標中間滾輪時所產生的運動收集起來轉換為電能，并反過來為鼠標進行充電。

丹麥Danfoss PolyPower[1]公司開發出一款名為“stretch sensor”的運動腕帶，能夠在使用者進行運動或從事體育活動時采集能量，所采集的能量可為腕帶中的感測器供電，為用戶提供有關其運動的訊息至無線裝置上。該公司表示，這款穿載式的腕帶有助于用戶改善在運動中的表現，讓他們在跑步時知道自己的步伐，或協助用戶在打高爾夫球時確認揮桿的手肘角度是否正確。此外，這款具彈性的感測器還能用于其它應用中，例如測試混凝土鋼架的結構是否正常或測試地下儲存室的壓力以采集風能。Danfoss還表示，這項技術未來將用于從海洋波浪中采集能量，該公司目前正致力于開發可實現這一目標的材料。

紐約新創公司Uncharted Play[2]開發出一款稱為SOCCKET的足球原型，可在足球被踢出或拋開時擷取所產生的動能，并將能量儲存在足球內建的電池中備用。該設計可用于發展中國家一些常常缺乏足夠照明電力的地區。SOCCKET采用柔軟的塑料制成，觸感就和足球一樣，足球內部還建置了一款可隨足球動作搖擺的能量采集器。透過內部電路板將動能轉化為電能后，再儲存于電池中，即可用于小型電子產品中。踢拋SOCCKET足球半小時的時間大約可維持至少三小時的燈光照明。

1.4　生物醫學領域

人體植入式電子設備供電，如人造耳蝸麥克風、植入式助聽器，埋藏式心臟起搏器（ICD）、心臟除顫器（AICD）、心臟再同步化治療設備（CRT）。人體植入式電子設備目前大部分采用電池進行供電，但有些裝置體積小不能容下電池，如人工耳蝸，而且電池的使用壽命嚴重影響電子設備的使用。

通過基于心臟跳動壓電能量收集器，可以將心臟的跳動能量轉換為電能，為埋藏式起搏器、AICD、CRT供電，無需電池和其他附屬機械設備、導線等等，可以作為病人的終身攜帶設備。早在1969年，美國就有一項專利提出利用一種小型壓電懸臂梁收集人體心臟跳動時產生的能量。美國專利US20130226260中提出了一種利用心臟振動能量的能量收集系統，該系統類似于一個能量存儲“衛星”，由嵌入式電路、控制器、電容、多個彈性壓電陶瓷片（“小葉”）構成，壓電陶瓷采用懸臂梁結構[15]。

除此之外，密歇根大學、UC Berkeley（加州大學伯克利分校，MEMS研究室、Southampton（南安頓大學），國內重慶大學、清華大學、華中科技大學、南京航空航天大學、臺灣積體電路制造有限公司也在能量收集方面也做了很多工作。值得一提的是北京大學已經制備出微型復合式低頻寬頻帶能量收集器，但是目前來看，國內的研究水平不論是從材料還是結構、工藝等方面都與國外有著很大的差距。造成這種情況的原因是多方面的，筆者認為國內在該領域的研究起步較晚，積累較少，加之國內科研經費投入相對較少造成實驗條件有限也是造成這種狀況的原因之一。雖然最近幾年，國內許多高校和科研單位開始投入大量人力物力搭建實驗平臺，許多科研人員投入大量精力在MEMS領域，微機械加工有了長足的進步，但依然任重道遠。單單就能量收集器而言，目前國內還沒有一家單位制成產品投入市場，依然需要不懈的追趕。

表1對以上所述壓電能量收集器在各個領域的應用，世界各大科研機構、企業及其相關成果與產品進行總結與對比，以供讀者參考。

表1　壓電能量收集器的應用

2　壓電式能量收集器發展趨勢

（1）理論方面。目前，壓電能量收集器建模主要基于線性模型，非線性振動模型還停留在概念上。基于非線性振動理論建立收集器精確的數學模型以滿足實際需求是大勢所趨，這一方面需深入研究。另外，對一些材料如弛豫型鐵電單晶等的壓電機理需要深入研究，建立壓電材料精確的等效電路模型是提高收集效率的關鍵。

（2）器件設計方面。壓電材料是壓電能量收集器的核心，不管是現在還是將來壓電材料的研究必是一個熱點。一方面研究人員將探索新的高新能材料；另一方面也將著力研究現有材料的壓電性能。器件結構和收集電路也對壓電能量收集器的性能有重要影響。為了適應各種振動環境、提高收集器的轉換率，寬頻帶、多方向、頻率可調式的器件結構和穩定可靠、耗能小、效率高、適用性強的收集電路將備受科研工作者關注。

（3）應用領域方面。目前能量收集器比較成熟的應用領域是便攜式電子設備，其他領域則涉及較少。然而，其他領域如：航空、航天、生物植入器件等急需高性能的能量收集器件。研究應用于高溫、高壓、強輻射等極端條件的能量收集器已經受到各國的重視；研發生物相容性好的植入在人體內的能量收集器也將備受關注。