如今，電子設備的體積越來越小。在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)時代中，通過微型傳感器可以研發(fā)出在科幻小說中才有的科技應用。然而，微電子設備的運行依舊需要電能，其運行電力主要來自微機電系統(tǒng)（MEMS）對機械振動等環(huán)境能量的收集。

傳統(tǒng)的MEMS能量采集器（圖片來源:Tokyo Institute of Technology）

MEMS能量采集技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式系統(tǒng)、射頻識別(RFID) 、無線通訊等技術(shù)發(fā)展迅速。在由這些技術(shù)組成的網(wǎng)絡和系統(tǒng)中 ,微型傳感器等無線元器件得到廣泛應用。

這些元器件一般數(shù)目龐大、位置分散、體積微小。因此 ,相應元器件要求其供電部分具有體積小 、集成度高、壽命長甚至無需更換 、無人看管等特點 。傳統(tǒng)電池體積大、質(zhì)量大 、供能壽命有限，能量耗盡需更換或反復充電 。

近年來 ,微型高能電池蓬勃發(fā)展 ,它可以滿足對無線元器件供能的需求 ,但是它的能量密度及供能壽命仍然有限 。另外 ,對于一些需要長時間 (工作時間以年為單位)工作的分散式、嵌入式元器件而言 ,更換電池極大地增加了成本 ,尤其是元器件數(shù)目較多 ,甚至由于位置偏遠或難以觸及 (比如戰(zhàn)場、人體內(nèi)) 的原因而無法更換。

為了擺脫對電池的依賴而實現(xiàn)對無線元器件供能的要求 ,研究人員提出了微能量采集技術(shù)。微能量采集技術(shù)是利用某種效應把周圍環(huán)境中的某種形式的能量轉(zhuǎn)換成電能 ,為嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡中的MEMS器件供能 。在各種能量源中 ,振動機械能廣泛存在 ,且能量密度大 ,因此在微能量采集技術(shù)中 ,是一種比較好的選擇。

振動機械能轉(zhuǎn)換為電能的方法有三種：電磁式 、靜電式、壓電式，其中壓電式換能方式結(jié)構(gòu)簡單，便于MEMS加工，能量采集密度大，且無需啟動電壓，在實際應用中滿足嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡的要求 。

壓電式振動能量采集器

壓電式能量采集器的研究已經(jīng)取得了一些進展 。一種基于MEMS技術(shù)制作，工作于低頻振動環(huán)境 (頻率小于 1 000 Hz) 的壓電微能量采集器，通過一種能量采集電路完成了測試。

1、基本原理

壓電能量采集器的基本工作原理是壓電效應，即壓電材料在外界振動的激勵下發(fā)生形變，引起材料內(nèi)部偶極子的不對稱, 發(fā)生極化現(xiàn)象 , 同時在材料的外表面上出現(xiàn)正負相反的電荷 。

壓電方程可以簡單表達為

式中 :σ為應力 ;α為應變;ε為介電常數(shù) ;E 為電場強度;D 為電位移 ;c 為楊氏模量;dxx為壓電常數(shù) 。

從式 (1)可以看出 , 壓電材料的電輸出和應力應變存在著緊密的聯(lián)系, 這種機電耦合機制也正是壓電材料能將機械能轉(zhuǎn)化為電能的基礎 。

壓電式能量采集器工作時引起壓電材料內(nèi)部發(fā)生應變的原因是:特定的結(jié)構(gòu) (一般是梁結(jié)構(gòu))將外界的振動激勵轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)自身的振動, 并由此帶動壓電材料的形狀發(fā)生變化 , 從而輸出電能。

2、物理模型

研究人員最早提出利用彈簧-質(zhì)量塊阻尼振動模型來解決振動能與電能的轉(zhuǎn)換問題,該模型基于線性系統(tǒng)理論而且與具體的換能機制(壓電式 、 靜電式或電磁式)無關(guān), 其典型的物理模型如圖 1 所示, 主要包括彈簧、 質(zhì)量塊 、 阻尼器和基座。當基座在外界激勵的作用下發(fā)生振動時, 質(zhì)量塊隨之振動, 從而把外界的振動能轉(zhuǎn)化為電能。

模型的數(shù)學表達式為

式中：x 為彈簧的形變量；y 為環(huán)境振動的輸入位移量 ；m 為質(zhì)量塊的質(zhì)量 ;be 和 bm 分別表示電阻尼系數(shù)和機械阻尼系數(shù) ;k 為彈簧的彈性常數(shù)。

3、能量采集器結(jié)構(gòu)及工藝

壓電效應有兩種 : d31 和 d33 模式。這里介紹一種采用 d33 模式制作的復合懸臂梁式結(jié)構(gòu)。它由 Pt/ Ti 叉指電極 , PZT 壓電層 , ZrO2 , SiO2和 Si 層組成 ,在梁的自由端加一鎳質(zhì)量塊 ,如圖2。

其中叉指電極可以產(chǎn)生 d33 模式的響應電場 ; ZrO2層作為絕緣層可以阻擋 PZT 層產(chǎn)生的電荷泄漏 ;鎳質(zhì)量塊是用來降低梁的諧振頻率 ,以實現(xiàn)工作在低頻的環(huán)境 。

這種懸臂梁結(jié)構(gòu)的制作工藝如圖3。首先 ,在N 型 < 100 > 約 500 μm 厚的硅片上雙面熱氧化生長約 2. 2μm 厚的 SiO2 層。接著 ,在 SiO2 層上先制備 ZrO2 薄膜 , 再利用 sol - gel 技術(shù)在其上涂覆PZT 薄膜。在其上依次濺射 Ti 、Pt 。采用 H F 溶液在背面刻蝕出 SiO2 窗口 ,純 Ar 氣體進行離子轟擊使叉指電極圖形化 , PZT 和 ZrO2 層則采用專門的PZT 刻蝕液使其圖形化。然后 ,采用 RIE 工藝正面刻蝕 SiO2 / Si 層。采用專門夾具保護正面 , KO H 溶液刻蝕背面硅。需預留較薄一層硅 ,以防止過刻蝕 。RIE 從背面刻蝕硅直至刻穿釋放出懸臂梁 。最后 ,在梁末端加寬度和懸臂梁一致的 Ni 質(zhì)量塊。

能量收集器的一些應用

1、能量收集器應用于環(huán)境

密歇根大學教授開發(fā)出一種能量收集器，通過一種壓電裝置，利用綠花金龜（Green June Beetle）飛行過程中翅膀的震動來發(fā)電，使每只甲蟲輸出的總體電功率達到45毫瓦。機器昆蟲能作為微型飛行器來使用，執(zhí)行搜尋與救援、跟蹤、監(jiān)控危險環(huán)境、探測爆炸物等任務。

能量收集器收集昆蟲飛行過程中翅膀的震動能量

此前收集昆蟲能量的方法包括用熱電偶收集昆蟲體熱，或用共振磁性裝置收集振動能量。但不同甲蟲翅膀震動的頻率有很大不同，同一只甲蟲在不同條件下的震動頻率也不同，所以非共振裝置才能有效收集各種振動產(chǎn)生的能量。

2、能量收集器應用于軍事領(lǐng)域

如今，在國防領(lǐng)域中能量收集器的主要應用于飛機和直升機的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）。不過，對于民用和軍用市場，HUMS系統(tǒng)都是新興的應用。此外，HUMS微型版本也在研發(fā)之中：用于無人機。

近20年來的使用證明，HUMS系統(tǒng)在直升機的廣泛使用，帶來很大的功效：提高了直升機的安全性，減小了使用維護費用，能防止因操作失誤而引發(fā)的事故。由于HUMS具有故障檢測隔離的作用，現(xiàn)在人們將HUMS視為機械系統(tǒng)的自檢測系統(tǒng)。

HUMS包含各種傳感器用來監(jiān)測直升機或旋翼飛機的外部狀態(tài)。

目的：關(guān)鍵組件的診斷和預知（采用加速度計）+ 環(huán)境遙感（溫度讀數(shù)）。

相比傳統(tǒng)的HUMS系統(tǒng)使用有線傳感器，現(xiàn)在的HUMS采用無線電傳輸數(shù)據(jù)的無線傳感器，并利用能量收集器收集轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動能量。

3、能量收集器應用于電力電路

電力電路正在采用一種全新的理念，即能量收集（energy Scavenging）。該技術(shù)能夠利用太陽能電池，壓電發(fā)電機、以及其他能量轉(zhuǎn)換設備來收集能量，然后將其轉(zhuǎn)換為電能，并存儲在電容器中，以備使用。很多情況下，傳感器電路不需要持續(xù)運行，因此，在傳感器停止工作期間，能量即可以得到補充。

由于各種條件的制約 ,這種基于MEMS技術(shù)的振動能量采集器提供的能量一般較低(μW 級別) ,除了一些特殊場合 ,這些能量還不能滿足大多數(shù)電子設備的需求 。

因此 ,微能量采集技術(shù)應該在以下方向取得突破: (1)發(fā)展低功耗電子技術(shù)及先進電源管理技術(shù) ,降低微型電子器件的功耗。(2)設計新的采集器結(jié)構(gòu)或研究新材料 ,提高能量轉(zhuǎn)換效率和功率。(3)在同一電子器件中 ,不同能量采集方式的結(jié)合 ,將會極大地提高采集能量的能力。

審核編輯 ：李倩