振动能量收集技术的近况与展望
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摘要：随着人们对环境和能源越来越关注，振动能量收集技术已成为能量收集技术中的一大研究热点，振动能量收集技术在微机电系统中主要起供电的作用，该技术主要通过电磁转换、静电转换、压电转换等将振动能转化为电能。简要介绍了振动能量收集技术的原理以及三种能量收集装置的结构形式，分析了以上三种能量转化方式的优点和缺点，并着重描述了国内外研究人员的创新设计与研究成果，由此展望了振动能量收集技术的发展趋势。
关键词：振动能量收集;电磁转换;静电转换;压电转换
中图分类号：TM619
文献标识码：A
DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.036
1 引言
近几年来，随着微机电系统（ MicroelectromechanicalSystems，MEMS）的快速发展，人们对MEMS元件的尺寸要求也越来越高，即要求元件尺寸的微小化与高精度化。由于MEMS在各个领域的应用更加广泛，也将面临越来越复杂的环境，所以对MEMS元件的性能要求也将更高，其中最重要的一点是元件的可持续性。因此，与MEMS元件的可持续性密切相关的能量收集技术受到广大研究人员的关注。振动能是一种低频率且功率稳定的振动能量，它广泛地分布于生活中的方方面面。在微纳米技术、机械与材料工程方面的快速創新与发展使得振动能量收集成为可能，因此，振动能量采集技术将有广阔的应用领域。目前，国内外学者提出的振动能量收集技术主要包括电磁转换、静电转换和压电转换三种能量收集技术[1-2]。本文将介绍以上三种技术的创新方法、发展现状和发展前景。
2 发展现状
2.1 电磁转换能量收集技术
根据电磁转换原理设计的振动能量收集装置是基于法拉第电磁感应定律将生活中的大量振动能转化为可利用的电能，该装置的结构为闭合线圈和永磁体。法拉第电磁感应定律表明，只要通过闭合线圈的磁通量产生变化，闭合电路中就会产生电流，从而对外部系统输出电能，这种现象称为电磁感应现象。根据法拉第电磁感应定律，外界的振动使闭合线圈或永磁体二者发生相对运动，引起通过线圈的磁通量发生改变，导致感应电流的产生，使电能向外部系统输出。
由于外界的振动引起电磁转换能量收集装置不同部件的振动，因此，可以将电磁转换能量收集装置的结构分为三类，分别为动铁型结构（永磁体发生振动）、动圈型结构（闭合线圈发生振动）、铁圈同振型结构（永磁体和闭合线圈一起振动）。动铁型结构即为闭合线圈不动，永磁体相对于闭合线圈振动，通过闭合线圈的磁通量产生变化，从而使闭合线圈中产生感应电动势，将振动能转化为电能输出;动圈型结构是永磁体不动，闭合线圈相对于永磁体发生振动，通过闭合线圈的磁通量产生变化，从而使闭合线圈中产生感应电动势，将振动能转化为电能输出。为了更进一步提高电能的输出，改善上述两种结构，即出现了铁圈同振型结构，铁圈同振型结构是在外部环境给系统输入振动时，永磁体和闭合线圈都发生振动，但二者之间有相对运动，从而在闭合线圈中产生感应电动势，将振动能转化为电能输出。
电磁转换振动能量收集技术不需要额外的驱动电源与功能材料，且输出电流大。但是有输出电压较低、磁体与线圈尺寸较大等缺点。电磁转换能量收集装置的各种结构已经十分完善，国内外很多学者也对电磁转换装置进行了相当深入的研究，比如英国南安普顿大学HAMI[3]的团队、美国麻省理工学院AMIRTHARAJAHl4]的团队、中国上海交通大学的王佩红[5]博士等开发的不同结构的电磁转换能量收集装置，这其中对悬臂梁形式结构进行的探索最多，因为其结构简单，易于与MEMS兼容。
2.2 静电转换能量收集技术
静电转换振动能量收集技术的基本原理是静电效应，其主要结构为平行板电容器，通过改变电容来产生电能。在振动能量收集器开始对外传输电能之前，需要对电容器施加初始电压，在电容器之间产生电势差，进而感知振动激励引起极板间距或相对位置的变化，当外界的振动发生变化时，会产生电流的流动，将振动能转化为电能，从而实现了能量的转化。
国外的研究者对静电转换能量收集技术研究较多，比如伯克利大学的ROUND[6]等人针对电容器两极板相对位置和间距的不同设计了两种不同结构的静电转换能量收集装置，即变间距式结构和变面积式结构。
基于静电转换的振动能量收集方式不需要功能材料，输出电压较高，易与MEMS技术集成，且不需考虑谐振效应，因此具有较宽频带的能量收集范围。但是，该技术需要外部电压源，且产生的电流低、电容气隙小，因此，其实现较困难、能量收集装置的加工工艺比较复杂、效率较低，这些缺点限制了静电转换能量收集装置的应用范围。
2.3 压电式能量收集技术
压电转换能量收集技术的基本原理是压电效应，是压电材料发生正压电效应，将外界的振动能转化为可利用的电能的过程。压电陶瓷在某个方向上受到外部作用力而发生变形时，其内部会产生极化现象，并且在它的两个相对表面上出现电荷量相等但正负相反的电荷，当作用力的方向发生变化时，电荷的极性也发生变化;当外力撤除后，它又会恢复到原来不带电的状态，这种现象称为正压电效应。压电转换能量收集技术就是由正压电效应将振动能变化成电能。
国内外科研学者也对压电转换能量收集装置作了深入的研究，其中包括对压电材料的研究和对压电转换能量收集装置结构的研究分析。上海交通大学的董璐[7]团队、大连理工大学的褚金本[8]墩授的团队、吉林大学的刘艳涛[9]和国外的SAADON[10]等团队皆对压电转换能量收集装置的结构进行了一定程度的分析研究和创新，设计出一系列结构，比如悬臂梁结构、圆形结构、钹式结构、螺旋梁式结构等，对压电转换能量收集装置的发展作出贡献。在众多结构中，单悬臂梁结构[11]是研究的最透彻的，在应用方面也取得不错的发展。由于压电转换能量收集装置不需要驱动电源，机电转换性能高、输出电压高、环境适应能力好、结构紧凑，并且与MEMS集成度高，所以在国内外掀起了对此领域的研究热潮，但无论结构形式、设计参数如何变化，其最终目的就是能够投入到实际应用中。 目前，压电转换能量收集装置在滤波器、传感器、信息技术[11-12]领域得以广泛应用。但由于该装置存在充电泄漏、电容性、高输出阻抗、非线性效应和压电材料比较脆、容易疲劳等缺点，因此，还需要大量的研究和创新才能让压电转换能量收集技术在MEMS中广泛使用。
3 研究展望
目前，对电磁转换、静电转换和压电转换能量收集技术做了大量研究，电磁转换、静电转换和压电转换能量收集装置结构的创新和研究还在不断改进和完善，一些更先进的结构也逐步被研究人员开发出来，并投入实际工程应用。尽管对各种振动能量收集方式和结构进了大量的分析研究，但还有多项问题有待解决，比如提高收集效率、耦合性能、集成性能，扩大频率范围，降低成本等问题，且很多设计仅处于实验与猜想阶段。从振动能量收集技术的研究进展来看，未来的研究工作應注重于新型振动能量收集装置的微型化和集成化、多功能化、寿命、结构等方面的研究，以期获得更加有工程应用前景的技术。
参考文献：
[1]陈文艺，孟爱华，刘成龙.微型振动能量收集器的研究现状及发展趋势[J].微纳电子技术，2013，50（11）： 715-720.
[2]刘成龙，孟爱华，陈文艺.振动能量收集技术的研究现状与发展趋势[J].装备制造技术，2013（ 12）：43-47.
[3] HAMIME， JOHNS P G， WHITEN M， et al.Design andfabrication of a new vibration-based electromechanicalpower generator[J].Sensors and Actuators： A， 2001，92（ 1）： 335-342.
[4] AMIRTHARAJAH R， CHANDRAKASAN A P.Self-powered signal processmg usmg vibration-based powergeneration[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1998.33（5）：687-695.
[5]王佩红.基于MEMS技术的微型电磁式振动能量采集器的研究[D].上海：上海交通大学，2010.
[6] ROUNDY S，WRIGHT P K， KRISTOFER P S J.Microelectrostatic vibration-to-electricity converters[C] //New Orleans： American Society of Mechanical Engi-neers.2002：487-496.
[7]董璐.基于MEMS的压电型微能量采集器的研究[D].上海：上海交通大学，2007.
[8]杜小振，褚金奎，张海军，等.环境振动能收集系统的微型压电悬臂梁设计与制作[J].功能材料与器件学报，2008，14（2）：116-118.
[9]刘艳涛.压电自供电型无线发射装置研究[D].长春：吉林大学，2006.
[10]SAADON S， SIDEK O.A review of vibration-basedMEMS piezoelectric energy haIvesters[J].EnergyConversion and Management， 2011（ 52）：500-504.
[11]刘祥建，陈仁文.压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势[J].振动与冲击，2012，31（ 16）：169-176.
[12]段利利，邢健.浅谈压电材料研究现状及发展趋势[J].山东工业技术，2015（ 16）： 271.
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