無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、射頻識(shí)別(RFID) 、無(wú)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(luò)和系統(tǒng)中,微型傳感器等無(wú)線元器件得到廣泛應(yīng)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(yīng)元器件要求其供電部分具有體積小、集成度高、壽命長(zhǎng)甚至無(wú)需更換、無(wú)人看管等特點(diǎn)。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(fù)充電 。近年來(lái),微型高能電池蓬勃發(fā)展,它可以滿(mǎn)足對(duì)無(wú)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(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間(工作時(shí)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(yuǎn)或難以觸及(比如戰(zhàn)場(chǎng)、人體內(nèi)) 的原因而無(wú)法更換。
為了擺脫對(duì)電池的依賴(lài)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線元器件供能的要求,研究人員提出了微能量采集技術(shù) 。它是把周?chē)h(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能,為元器件供能。在各種能量源中,振動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jiǎn)單,便于MEMS 加工,能量采集密度大,且無(wú)需啟動(dòng)電壓,在實(shí)際應(yīng)用中滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的要求。
壓電能量采集器的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。Glynne Jones et al . 提出了一種方法來(lái)設(shè)計(jì)和建立振動(dòng)能量采集器, 它描述了一種體壓電采集器。Roundy et al . 報(bào)道了一種微小壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)9225 mm) ,它能在加速度2. 5 m/ s2 頻率為120 的條件下產(chǎn)生375 μW 的能量。Sood 在他的論文中描述了一種壓電微能量采集器。這種采集器利用d33模式把聲能轉(zhuǎn)換為電能,它的工作頻率在20～40kHz ,能量輸出約為1μW。以上已報(bào)道的能量采集器要么尺寸較大,屬于非MEMS 范圍;要么工作頻率過(guò)高,只適用于特殊場(chǎng)合。因此,本文提出了一種基于MEMS 技術(shù)制作,工作于低頻振動(dòng)環(huán)境(頻率小于1 000 Hz) 的壓電微能量采集器,并通過(guò)一種能量采集電路完成了測(cè)試。
能量采集器結(jié)構(gòu)及工藝
壓電效應(yīng)有兩種: d31 和d33 模式[8 ] 。本文介紹了一種采用d33 模式制作的復(fù)合懸臂梁式結(jié)構(gòu),如圖2 。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1 。其中叉指電極可以產(chǎn)生d33 模式的響應(yīng)電場(chǎng); ZrO2層作為絕緣層可以阻擋PZT 層產(chǎn)生的電荷泄漏。
圖1 d33模式壓電型微能量采集器結(jié)構(gòu)圖
