基于压电材料的振动能量采集器
摘要：振动能是自然环境中广泛存在的一种能量，振动式微型发电机可将其提取并转换为可直接使用的能源。从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手，从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。简单介绍国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面，介绍了电路结构的优化改进。
关键词：压电材料，振动能量收集，能量收集电路
随着环保意识的增强,人们对绿色能源的需求越来越强烈,太阳能、风能及地热能等各种环保新能源应运而生。最近几年,随着新型高效压电材料的快速发展,人们的研究视野转向振动发电的开发与利用。周围环境处处蕴藏着振源,如大气中的气流、海洋中的洋流,人类活动中交通工具引起的桥梁及路面振动,各种噪声引起的振动,还有人的呼吸、心跳、血液流动等微振动,如何有效利用这些振源发电引起了国内外研究者的广泛关注（1）。近年来,由于集成电路技术的快速发展,许多电子产品,特别是微电子产品能耗越来越低,利用压电发电技术为这些设备充电也成为学者研究的热点。另外,还有许多难以供电的场所,对振动发电自供电技术有着更大的需求。
目前，用于实现振动能量收集的装置种类是繁多的，有电磁式收集装置(2-3)、静电式收集装置(4)及压电式收集装置（5-11）等，其中以压电式收集装置的研究为最多。因为与其它能量收集装置相比，压电式装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、清洁环保和易于微型化等诸多优点。随着对基于压电材料的振动能量收集装置研究的广泛展开，出现了各种各样的压电发电装置，如悬臂梁单晶 / 双晶结构、Cymbal 结构、叠堆形结构等。
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振动能量收集常用的压电材料及其压电性
- 1 压电陶瓷材料
压电陶瓷经过几十年的研究，取得了重大进展，已成为国内外最重要的功能材料之一。压电陶瓷的特点是: 压电常数大，灵敏度高; 制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能; 成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷材料中最常用的为锆钛酸铅，又称为 PZT。虽然 PZT 型的压电陶瓷材料应用最为广泛，但 PZT 压电陶瓷较脆，在使用过程中易碎，使得PZT压电陶瓷片在振动能量收集中不能承受较大的应变。Lee(12)等研究表明，在高频周期载荷作用下，压电陶瓷极易产生疲劳裂纹，发生脆性断裂，这也是压电陶瓷材料在使用中的一大缺陷。
1. 2 压电薄膜材料
压电薄膜材料是一种高分子聚合物。聚合物压电性的研究始于生物物质，如木材、羊毛和骨头等，后来扩大到合成高聚物，但由于压电性不高，均无实用意义。1969 年日本的 Kawai 报道了聚偏二氟乙烯 ( PVDF) 在高温高电压下极化后可产生有工业应用价值的压电性，使压电聚合物的研究发生了历史性的转折。压电聚合物的典型代表就是 PVDF，PVDF 压电薄膜具有柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀等优良特性，且可加工成大面积和复杂形状的膜使用，为压电材料的应用开辟了一个新的领域。
普林斯顿大学研究出了一种压电橡胶薄膜（piezo－rubber），该材料将纳 米PZT并排嵌入到硅胶中，有效结合了硅胶的高延展性、生物相容性与PZT良好的压电特性，适用于体内医疗装置发电。
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