基于壓電效應(yīng)的傳感器自供電徐詩(shī)友

潘典旺+劉政昊+黃念

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)傳感器模塊在復(fù)雜環(huán)境中電池適應(yīng)性差、維護(hù)困難的弊端。給出了基于壓電效應(yīng)的傳感器自供電方案，該方案采用壓電能量收集器、倍壓整流電路、MAX4685芯片為核心的開(kāi)關(guān)電路以及LTC1540芯片為核心的電壓管理電路，將收集到的能量給傳感器等低功耗電子器件供電。實(shí)驗(yàn)表明，收集到的能量可以支持低功耗的傳感器正常工作。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng)；傳感器；自供電；低功耗

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題變得尤為突出，由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布廣泛，常常分散在惡劣的野外環(huán)境中，布線或更換電池成本過(guò)高[1]。因此，能量收集技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。能量收集技術(shù)就是吸收環(huán)境中所未能利用的能源，將其轉(zhuǎn)換成人們可以使用的電能，以達(dá)到能源的回收，如，太陽(yáng)能、風(fēng)能、振動(dòng)能等。其中，振動(dòng)能在生活中非常普遍，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的方式一般有電磁式、壓電式和靜電式三種[2]。與其他方式相比，壓電式能量收集器具有機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的關(guān)注[3]。壓電能量收集技術(shù)就是將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能，從而為低功耗的電子器件供電。

本文提出了一種基于壓電能量收集技術(shù)的傳感器自供電方案。利用壓電能量收集器、倍壓整流電路、MAX4685芯片為核心的開(kāi)關(guān)電路以及LTC1540芯片為核心的電壓管理電路，將收集到的能量給傳感器等低功耗電子器件供電。本文就是研究壓電能量收集器在諧振狀態(tài)下，壓電能量收集器的輸出電壓、電流和輸出功率。

1 壓電能量收集器及其工作原理

壓電效應(yīng)是指大部分無(wú)對(duì)稱中心的晶體，在機(jī)械應(yīng)力的作用下呈比例地產(chǎn)生電荷或在外電場(chǎng)的作用下呈比例地產(chǎn)生幾何變形，反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合，可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。壓電能量收集器利用的是壓電材料的正壓電效應(yīng)，把環(huán)境中振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能，從而為電子器件供能[4]。

懸臂梁式能量收集器結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)[5]，圖 1所示為一種典型的壓電雙晶懸臂梁式能量收集器，懸臂梁中間是金屬層，在金屬層上下表面都貼有壓電陶瓷。一端固定于基座中，另一端為自由端，自由端上附有一個(gè)質(zhì)量塊。當(dāng)它受到振動(dòng)源作用上下振動(dòng)時(shí)，梁的自由端在慣性的作用下也將上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，壓電陶瓷產(chǎn)生橫向應(yīng)力，將在壓電陶瓷層產(chǎn)生電荷，從而將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能[6]。

圖1 能量收集器的結(jié)構(gòu)圖

本文中的壓電能量收集器采用圖1所示的懸臂梁式結(jié)構(gòu)，其中，壓電雙晶片采用PZT壓電陶瓷，金屬?gòu)椥詫硬捎命S銅材料。

2 能量收集電路的設(shè)計(jì)

能量收集電路就是將壓電能量收集器產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流、DC-DC變換、輸出控制，然后將變換后的電能給傳感器供電[7]。傳統(tǒng)的能量收集電路是采用ESSH和SSDV技術(shù)[8，9]，這些電路需要電子原件過(guò)多，電路自身消耗的能量大，導(dǎo)致能量收集的效率較低。為了提高能量收集的效率，本文設(shè)計(jì)了以MAX4685芯片為核心的開(kāi)關(guān)電路以及LTC1540芯片為核心的電壓管理電路，可將收集到的能量給傳感器等低功耗電子器件供電。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 倍壓整流電路

當(dāng)?shù)皖l振動(dòng)時(shí)，壓電能量收集器產(chǎn)生電壓較小，且芯片工作電壓需要大于1.8 V，故本文設(shè)計(jì)了二倍壓電路，將壓電能量收集器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行升壓。在開(kāi)始的幾個(gè)周期內(nèi)電壓并不能真正充至2U，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期之后的累積，電壓可以近似達(dá)到2U，從而在負(fù)載兩端得到近似于2倍的電壓[10]。

2.2 開(kāi)關(guān)電路

MAX4685是美國(guó)美信半導(dǎo)體公司推出的一款低阻值、低電壓、低功耗的模擬開(kāi)關(guān)芯片。該芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)模塊，可以控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)。MAX4685的輸入電壓最低是1.8 V，阻值0.8 Ω，靜態(tài)工作電流最大是50 nA?？赏ㄟ^(guò)控制內(nèi)部開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。

開(kāi)關(guān)電路如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)電路

2.3 電壓管理電路

LTC1540是美國(guó)凌力爾特公司推出的新型微功率芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的基準(zhǔn)比較輸出。輸入電壓2 V～11 V，可以輸出1 V～5 V范圍內(nèi)穩(wěn)定的直流電。靜態(tài)電流可以低至0.3uA，適用于低功耗的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)用該芯片來(lái)管理電壓的輸出，電壓管理電路如圖4所示。

圖4 電壓管理電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

壓電能量收集器將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)壓電器件固有頻率和激勵(lì)信號(hào)的頻率一致時(shí)，能量收集器的輸出功率最大[11]。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，測(cè)得收集器的開(kāi)路電壓與激勵(lì)頻率的關(guān)系如圖5所示。用于實(shí)驗(yàn)壓電晶片的中間層長(zhǎng)為80mm，寬為30 mm，厚為0.2 mm；壓電層長(zhǎng)為60 mm，寬為30 mm，厚為0.2 mm。

圖5 能量收集器開(kāi)路電壓與激勵(lì)頻率的關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)外部激勵(lì)信號(hào)約為12 Hz時(shí)，能量收集器輸出的電壓最大。因此，選擇激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為12 Hz的簡(jiǎn)諧正弦信號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試的能量收集電路的原理圖如圖6所示。

圖6 能量收集電路的原理圖

在實(shí)際測(cè)試中，是一個(gè)基于觸摸檢測(cè)IC（TTP223B）的電容式點(diǎn)動(dòng)型觸摸開(kāi)關(guān)模塊。常態(tài)下，模塊輸出低電平，模式為低功耗模式。當(dāng)用手指觸摸相應(yīng)位置時(shí)，模塊會(huì)輸出高電平，模式切換為快速模式；當(dāng)持續(xù)12秒沒(méi)有觸摸時(shí)，模式又切換為低功耗模式，模塊供電電源可為DC2～5.5 V，其正常工作的功率范圍是0.4 mW～20 mW。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振動(dòng)后，調(diào)節(jié)電路輸出的電壓為2.5 V，用手指觸摸傳感器相應(yīng)的位置時(shí)，模塊上的LED指示燈會(huì)亮，說(shuō)明傳感器正常工作，此時(shí)模塊輸入端的電流是0.94 mA，功率為2.35 mW。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)收集環(huán)境中的振動(dòng)能量來(lái)給低功耗的傳感器供電。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于壓電效應(yīng)的傳感器自供電設(shè)計(jì)方案，所設(shè)計(jì)的能量收集電路在壓電能量收集器處于諧振狀態(tài)下，輸出功率可達(dá)到2.35 mW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 與傳統(tǒng)的能量收集電路相比， 本文設(shè)計(jì)的能量收集電路，降低了電路的功耗，提高了帶負(fù)載能力，可實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉成龍，孟愛(ài)華，陳文藝，等.振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].裝備制造技術(shù)，2013（12）：43-47.

[2]劉祥建，陳仁文.壓電振動(dòng)能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31（16）：169-176.

[3]王青萍，王騏，姜?jiǎng)倭?壓電能量收集器的研究現(xiàn)狀[J].電子元件與材料，2012，31（2）：72-76.

[4]費(fèi)曉強(qiáng)，張克軍，崔雷濤，等.智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備能量收集技術(shù)[J].電子元件與材料，2015（2）：79-81.

[5]陳文藝，孟愛(ài)華，劉成龍.微型振動(dòng)能量收集器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].微納電子技術(shù)，2013（11）：715-720.

[6]王忠民，張延波，郭林鑫，等.振動(dòng)能量收集電源電路設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（5）：24-25，29.

[7]李政，唐禎安，余雋.一種壓電能量收集與管理電路[J].電子器件，2015，38（1）：122-125.

[8]朱莉婭.壓電多方向振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)及其充電控制方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[9]沈輝.基于壓電材料的振動(dòng)能量回收電路及其應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[10]李蜀川，楊忠孝，成友才.倍壓整流電路的計(jì)算[J].川北教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，12（1）：51-54.

[11]張廣明，徐飛，董智利.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓電能量收集技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（4）：44-47.