如今,电子设备的体积越来越小。在即将到来的物联网时代中,通过微型传感器可以研发出在科幻小说中才有的科技应用。然而,微电子设备的运行依旧需要电能,其运行电力主要来自微机电系统(MEMS)对机械振动等环境能量的收集。

 

传统的MEMS能量采集器(图片来源:Tokyo Institute of Technology)

 

MEMS能量采集技术

无线传感器网络、嵌入式系统、射频识别(RFID) 、无线通讯等技术发展迅速。在由这些技术组成的网络和系统中 ,微型传感器等无线元器件得到广泛应用。 

 

这些元器件一般数目庞大、位置分散、体积微小。因此 ,相应元器件要求其供电部分具有体积小 、集成度高、寿命长甚至无需更换 、无人看管等特点 。传统电池体积大、质量大 、供能寿命有限,能量耗尽需更换或反复充电 。 

 

近年来 ,微型高能电池蓬勃发展 ,它可以满足对无线元器件供能的需求 ,但是它的能量密度及供能寿命仍然有限 。另外 ,对于一些需要长时间 (工作时间以年为单位)工作的分散式、嵌入式元器件而言 ,更换电池极大地增加了成本 ,尤其是元器件数目较多 ,甚至由于位置偏远或难以触及 (比如战场、人体内) 的原因而无法更换。

 

为了摆脱对电池的依赖而实现对无线元器件供能的要求 ,研究人员提出了微能量采集技术。微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能 ,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能 。 在各种能量源中 ,振动机械能广泛存在 ,且能量密度大 ,因此在微能量采集技术中 ,是一种比较好的选择。

 

振动机械能转换为电能的方法有三种:电磁式 、静电式、压电式,其中压电式换能方式结构简单,便于MEMS加工,能量采集密度大,且无需启动电压,在实际应用中满足嵌入式系统和无线传感网络的要求 。 

 

压电式振动能量采集器

压电式能量采集器的研究已经取得了一些进展 。一种基于MEMS技术制作,工作于低频振动环境 (频率小于 1 000 Hz) 的压电微能量采集器,通过一种能量采集电路完成了测试。 

 

1、基本原理

压电能量采集器的基本工作原理是压电效应,即压电材料在外界振动的激励下发生形变,引起材料内部偶极子的不对称, 发生极化现象 , 同时在材料的外表面上出现正负相反的电荷 。

 

压电方程可以简单表达为 

 

 

式中 :σ为应力 ;α为应变;ε为介电常数 ;E 为电场强度;D 为电位移 ;c 为杨氏模量;dxx为压电常数 。

 

从式 (1)可以看出 , 压电材料的电输出和应力应变存在着紧密的联系, 这种机电耦合机制也正是压电材料能将机械能转化为电能的基础 。 

 

压电式能量采集器工作时引起压电材料内部发生应变的原因是:特定的结构 (一般是梁结构)将外界的振动激励转化为结构自身的振动, 并由此带动压电材料的形状发生变化 , 从而输出电能。 

 

2、物理模型

研究人员最早提出利用弹簧-质量块阻尼振动模型来解决振动能与电能的转换问题,该模型基于线性系统理论而且与具体的换能机制(压电式 、 静电式或电磁式)无关, 其典型的物理模型如图 1 所示, 主要包括弹簧、 质量块 、 阻尼器和基座。当基座在外界激励的作用下发生振动时, 质量块随之振动, 从而把外界的振动能转化为电能。 

 

 

模型的数学表达式为 

 

 

式中:x 为弹簧的形变量;y 为环境振动的输入位移量 ;m 为质量块的质量 ;be 和 bm 分别表示电阻尼系数和机械阻尼系数 ;k 为弹簧的弹性常数。

 

3、能量采集器结构及工艺

压电效应有两种 : d31 和 d33 模式。这里介绍一种采用 d33 模式制作的复合悬臂梁式结构。它由 Pt/ Ti 叉指电极 , PZT 压电层 , ZrO2 , SiO2和 Si 层组成 ,在梁的自由端加一镍质量块 ,如图2。

 

 

其中叉指电极可以产生 d33 模式的响应电场 ; ZrO2层作为绝缘层可以阻挡 PZT 层产生的电荷泄漏 ;镍质量块是用来降低梁的谐振频率 ,以实现工作在低频的环境 。 

 

这种悬臂梁结构的制作工艺如图3。首先 ,在N 型 < 100 > 约 500 μm 厚的硅片上双面热氧化生长约 2. 2μm 厚的 SiO2 层。接着 ,在 SiO2 层上先制备 ZrO2 薄膜 , 再利用 sol - gel 技术在其上涂覆PZT 薄膜。在其上依次溅射 Ti 、Pt 。采用 H F 溶液在背面刻蚀出 SiO2 窗口 ,纯 Ar 气体进行离子轰击使叉指电极图形化 , PZT 和 ZrO2 层则采用专门的PZT 刻蚀液使其图形化。然后 ,采用 RIE 工艺正面刻蚀 SiO2 / Si 层。采用专门夹具保护正面 , KO H 溶液刻蚀背面硅。需预留较薄一层硅 ,以防止过刻蚀 。RIE 从背面刻蚀硅直至刻穿释放出悬臂梁 。最后 ,在梁末端加宽度和悬臂梁一致的 Ni 质量块。

 

 

能量收集器的一些应用

1、能量收集器应用于环境

密歇根大学教授开发出一种能量收集器,通过一种压电装置,利用绿花金龟(Green June Beetle)飞行过程中翅膀的震动来发电,使每只甲虫输出的总体电功率达到45毫瓦。机器昆虫能作为微型飞行器来使用,执行搜寻与救援、跟踪、监控危险环境、探测爆炸物等任务。

 

能量收集器收集昆虫飞行过程中翅膀的震动能量

 

此前收集昆虫能量的方法包括用热电偶收集昆虫体热,或用共振磁性装置收集振动能量。但不同甲虫翅膀震动的频率有很大不同,同一只甲虫在不同条件下的震动频率也不同,所以非共振装置才能有效收集各种振动产生的能量。

 

2、能量收集器应用于军事领域

如今,在国防领域中能量收集器的主要应用于飞机和直升机的健康和使用监控系统(HUMS)。不过,对于民用和军用市场,HUMS系统都是新兴的应用。此外,HUMS微型版本也在研发之中:用于无人机。

 

近20年来的使用证明,HUMS系统在直升机的广泛使用,带来很大的功效:提高了直升机的安全性,减小了使用维护费用,能防止因操作失误而引发的事故。由于HUMS具有故障检测隔离的作用,现在人们将HUMS视为机械系统的自检测系统。

 

HUMS包含各种传感器用来监测直升机或旋翼飞机的外部状态。

 

目的:关键组件的诊断和预知(采用加速度计)+ 环境遥感(温度读数)。

 

相比传统的HUMS系统使用有线传感器,现在的HUMS采用无线电传输数据的无线传感器,并利用能量收集器收集转子旋转产生的振动能量。

 

3、能量收集器应用于电力电路

电力电路正在采用一种全新的理念,即能量收集(energy Scavenging)。该技术能够利用太阳能电池,压电发电机、以及其他能量转换设备来收集能量,然后将其转换为电能,并存储在电容器中,以备使用。很多情况下,传感器电路不需要持续运行,因此,在传感器停止工作期间,能量即可以得到补充。


由于各种条件的制约 ,这种基于MEMS技术的振动能量采集器提供的能量一般较低 (μW 级别) ,除了一些特殊场合 ,这些能量还不能满足大多数电子设备的需求 。

 

因此 ,微能量采集技术应该在以下方向取得突破 : (1) 发展低功耗电子技术及先进电源管理技术 ,降低微型电子器件的功耗。 (2) 设计新的采集器结构或研究新材料 ,提高能量转换效率和功率。 (3) 在同一电子器件中 ,不同能量采集方式的结合 ,将会极大地提高采集能量的能力。