基于压电驻极体的微能量采集

综述了以压电驻极体换能器为核心部件的微能量采集研究,包括压电驻极体的基本物理原理和性能特点,以及该材料在微能量采集领域的应用研究.压电驻极体是具有微孔结构的驻极体材料,其压电效应是基体聚合物的驻极体性能和材料微孔机械结构协同作用的结果,是一类新型人工微结构柔性机电耦合材料.压电驻极体以强压电效应、柔韧、低密度、低声阻抗、薄膜型等为特征,是制备轻量化柔性传感器和机械能量采集器的理想换能材料.压电驻极体已被应用于振动能量采集器、人体运动能量采集器、以及声能采集器的研究中.根据压电驻极体膜受力方向的不同,可以将能量采集器的工作模式分为33模式和31模式两种.本文对基于压电驻极体的三类能量采集器的研究状况进行综述,并讨论未来的发展方向.

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进.为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过对压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式.通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求.

交联聚丙烯压电驻极体的压电性能及振动能量采集研究

以电子束辐照交联聚丙烯(IXPP)泡沫薄板为原材料,首先利用热压工艺对微观结构进行改性,然后采用电晕充电方法对样品实施极化处理,使之具有压电效应,成为压电驻极体.通过准静态和动态压电系数d33、复电容谱,以及等温衰减的测量,研究了IXPP压电驻极体膜的机电耦合性能;同时考察了基于IXPP压电驻极体膜的振动能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获.结果表明,IXPP压电驻极体的准静态压电系数d33可高达620 pC/N;厚度方向的杨氏模量和品质因数(FOM,d33·g33)分别是0.7 MPa和11.2 GPa^(-1);在50,70和90℃下进行等温老化,经过24 h后,IXPP压电驻极体膜的准静态压电系数d_(33)分别降低到初始值的54%,43%和29%;采用面积为3.14 cm^2的IXPP压电驻极体膜为换能元件,当振子质量为25.6 g,振动频率为820 Hz时,振动能量采集器在匹配负载附近可以输出高达65μW/g^2的功率.

道路压电微能量采集电路开发及应用效果研究

分析了现有电路用于道路压电能量采集存在的技术缺陷,基于标准能量采集电路提出2种改进方案,借助仿真软件系统研究了改进电路在不同电源激励下的能量采集功效,测试并评价了改进电路的实际应用效果,表明道路压电微能量的高电压、低电流、不连续瞬时、峰值电压不一致和低频等特性决定了现有采集电路难以实现对道路压电微能量的高效采集。仿真结果表明,标准能量改进电路可稳定输出5V直流电压,且持续充电270s即可实现稳定的2.2V直流输出。

聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

以线性聚丙烯(PP)为原材料,经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后,使其具有压电效应,并将其应用在振动能量采集器中。结果表明,PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33·g33)分别为1.7 MPa和8.4GPa^(-1),利用面积为3.14cm^2单层膜进行能量采集,当振子质量为25.6,33.7和57.7g时,其共振频率分别为2 300,2 000和1 800 Hz,在各自的匹配负载条件下,获得的输出功率分别为10.1,13.2和16.9μW/g^2。将两片PP膜电学串联,当振子质量为33.7g时,在共振频率1 400Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下,可以获得的输出功率为15μW/g^2。

微环音振荡压电发电机同步电荷能量采集方法

能量采集效率是引信微环音振荡压电发电机能否得到应用的关键之一。在经典能量采集电路和填谷能量采集电路的基础上,采用同步电荷能量采集法,基于脉冲宽度调制技术,设计了一种较高能量采集效率的同步电荷能量采集电路,由微动开关精确控制转移电能时间。理论分析和实验模拟的结果表明,开关精确控制转移电能时间的同步电荷能量采集电路,其输出功率最大且与负载无关,这将有利于微环音振荡压电发电机在不同型号引信中的应用。

基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器

高能量密度输出、低频范围响应、环境适应性强的自供电振动能量采集器已成为微能源技术领域的一个重要发展方向。提出一种d31型工作模式下MEMS压电式振动能量采集器,设计八悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构,利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)技术在每个悬臂梁上异质集成制备锆钛酸铅(Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47)O_3,PZT)压电功能厚膜层,通过MEMS工艺和引线键合技术完成器件础结构制造。输出性能测试结果表明,器件一阶谐振频率为41 Hz,3 gn加速度激励下输出电压峰峰值为264.00 m V;在器件两端加载3.00 MΩ负载时输出功率最大,为0.72 n W。

考虑尺度效应的微振动能量采集器建模

考虑尺度效应[1],引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集器。通过实验测试得到采集器的谐振频率、尖端位移和输出电压,与有限元分析结果相比较,改进模型比宏观模型的误差降低了13%,35%和22%。

二次碰撞升频压电振动能采集器研究

压电振动能量采集器可以通过压电效应收集环境中的振动能,但现实中环境振动频带较窄,使采集器在低频表现很差。鉴于此,在传统一次碰撞升频采集器的基础上设计了二次碰撞升频采集器,以达到提高低频能量采集效率的目的。建立了物理模型,在原理上证明方法的可行性;分别设计了二次碰撞升频和一次碰撞升频压电振动能采集器实验。对比分析发现,二次碰撞升频扩宽了收集频带46.2%,但相应的电压幅值小幅下降,低频环境下表现优秀但高频表现变差。最后探究了附加尖端质量的影响。试验结果表明,采集器的1阶共振频率、最大输出电压均随着其增大而减小,1阶共振频率与尖端质量呈现近似线性相关。

基于梯形压电悬臂梁的折线形结构振动能量采集装置

提出了一种用于环境振动能量收集的新型振动微能量采集装置。该装置由一个梯形悬臂梁与折线形结构复合组成:折线形结构包含两个分离的质量块,可提供较大的转动惯量,并在梯形悬臂梁的自由端产生弯矩;悬臂梁部分由梯形不锈钢基板与自制PZT-5压电陶瓷组成,其中PZT-5采用固态法制备,它的压电常数d_(33)为512 pC/N,平面机电耦合系数k_(p)为0.69。振动功率输出测量实验表明,通过选择两个质量块合适的质量比,可以使梯形悬臂梁的纵向应变分布趋向均匀,并且使得整体结构在不同振动模态下的输出表现更为优秀。

介质层对驻极体基能量采集器输出性能的影响

设计了一种以聚二甲基硅氧烷作为电容介质并同时用作弹性层的驻极体基微振动能量采集器。对双电容结构器件的测试结果表明:当振动强度为0.5 N、驻极体膜的表面电位为1 500 V、外接负载电阻为55 MΩ时,采集器的输出功率为29.1μW,是以空气为介质层时的2.7倍。采用LTC3588-1能量管理芯片,使用所制备的能量采集器,成功地实现了给无线发射模块的供电。

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 m V,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 m V,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。

压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求,研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源,结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型,用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析,并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明,谐振频率为290Hz下,器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加,1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61m V和324m V,有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。

基于压电微悬臂梁的能量采集研究

利用ANSYS分析软件对矩形微悬臂梁进行模拟仿真分析,得出微悬臂梁的振型、固有频率及其在外加负载时的电压输出。在此基础上,设计、制作了微悬臂梁及能量存储电路,并在低频下对微悬臂梁的发电性能进行了测试。结果表明,当负载电阻为1 k时,此时的瞬时输出功率最大可达到0.077 4 W,可以满足低功耗产品的供电需求。

一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器

为实现物联网的自驱动供电,本研究提出一种基于双极性驻极体的多气隙结构微振动能量采集器,驻极体材料为三明治型双极性复合驻极体膜.其基本结构单元为驻极体薄膜被放置在由微型弹簧支撑的两个振动电极中间所形成的双气隙结构.这种双气隙结构等同于两个对称的可变电容.利用驻极体所产生的静电场在电容中产生原始电势差,在振动激励下使电势差发生变化,实现电荷的流动,将振动能转变成电能.对能量采集器性能的测试结果表明,在振动频域30～180Hz范围内存在一个谐振频率和最大输出功率.最大输出功率与振动强度、气隙数、驻极体膜的面积和电场强度呈正相关.当振动强度为0.5N时,在负载电阻为55MΩ时,四气隙结构能量采集器在谐振频率97Hz处的最大输出功率达到了59.12μW.

一种基于压电俘能器供电的温度测量系统设计

物联网时代传感器节点往往分布广泛,且有时传感器节点放置位置不易触及,电池能量一旦用尽不易更换,该传感器节点就无法正常工作。为此,该文设计了一种基于压电振子振动能量供电的微功耗温度测量系统,该系统利用压电振动能量收集装置将环境中存在的低频振动能量转换为电能并收集存储,并为设计的微功耗温度测量系统供电从而实现温度信号采集和发送。提出了一种基于干簧管的能量采集电路,其采集效率是标准能量采集电路的32倍,最后通过试验验证了该系统的可行性与准确性。

基于压电驻极体的倒置旗帜式风能采集器研究

在气流作用下,倒置旗帜式结构展现出优异的振荡特性,被广泛应用在风能采集器中,其结构简单、体积小、在微型化方面具有极大的优势。压电驻极体作为新型高性能压电材料,在能量采集领域有很大的应用前景。提出一种基于压电驻极体的倒置旗帜式风能采集器。对采集器的原理进行了分析;搭建了小型风洞实验系统,对倒置旗帜式风能采集器的性能进行了实验研究。结果表明,采集器具有较宽的有效风速范围(5 m/s-14 m/s);在9.5 m/s的风速,10 kΩ的负载电阻下,可获得187.66μW的最大输出功率,其功率密度为3.61 mW/cm^(3)。采用压电驻极体作为换能材料,该倒置旗帜式风能采集器实现了风能的有效采集,且具有较好的输出性能,在无线传感器网络节点、低功耗电子设备供电等方面有极大的应用潜力。

驻极体式微型发电机的研究进展

随着电子系统的尺寸不断减小,研制体积小、重量轻、能量密度高并且能够持续供能的微型发电机将对电子系统具有重要意义.振动能在日常环境中广泛存在,振动能微型发电机是将振动能转化成能给电子系统供能的装置.驻极体式微型发电机是振动能采集微型发电机的一种,是目前微能源研究的热点之一.本文主要从驻极体材料及注极方法、振动能拾取方式和转换效率的提高3个方面介绍了驻极体式微型发电机的最新进展.