壓電陶瓷電能捕獲發(fā)展現(xiàn)狀與展望

汪 濤，張麗麗，龍祖祥，楊雪鋒

（1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，江蘇 徐州 221116）

1 引言

5G技術(shù)的發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，人們對于傳感器技術(shù)的研究也日益增多。在過去的二十年中，無線傳感器技術(shù)已經(jīng)在理論和應(yīng)用方面得到了巨大的發(fā)展，該技術(shù)的出現(xiàn)以及相關(guān)的實(shí)踐成果對我們的日常生活和工業(yè)的各個方面產(chǎn)生影響，如污染監(jiān)測，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等[1]。目前，絕大多數(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用的是傳統(tǒng)化學(xué)能源供電[2]，但化學(xué)電池存在更換困難、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，這直接影響了傳感器節(jié)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)中的成本和生命周期[3]。由于低功耗無線傳感器有著巨大的優(yōu)勢[4?5]。

因此從工況環(huán)境中獲得電能成為目前一個主要研究方向。振動能量廣泛存在于各種工況，如果能對振動能量進(jìn)行采集，并給無線傳感器進(jìn)行供電，將會極大的延長傳感器的使用壽命。

文獻(xiàn)[6]對包括太陽能，溫差能，振動能等在內(nèi)的多種環(huán)境能量進(jìn)行了比較，說明了從環(huán)境振動中采集能量為小型無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電是可行的。目前將環(huán)境中的振動轉(zhuǎn)變成振動的裝置主要有三類：電磁式[7]，靜電式[8]，以及壓電式[9]，而壓電式能量采集器可以產(chǎn)生最高的輸出功率[10]。

壓電陶瓷因為價格低廉，穩(wěn)定可靠，故常被作為壓電元件使用。文獻(xiàn)[11]采用錐形懸臂梁壓電陶瓷利用環(huán)境中的振動能量為濕度傳感器節(jié)點(diǎn)供電，采集濕度信息。文獻(xiàn)[12]采用壓電陶瓷收集風(fēng)能，為風(fēng)速傳感器和無線射頻發(fā)射器供電，分能轉(zhuǎn)化效率高達(dá)18%，遠(yuǎn)高于常規(guī)發(fā)電機(jī)。由于壓電陶瓷電能捕獲有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、能量密度高、免維護(hù)和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)外對其在傳感器自供電方面有著眾多的研究[12?14]，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

2 壓電陶瓷的研究與應(yīng)用

目前，國內(nèi)外對于壓電陶瓷電能捕獲技術(shù)的研究越來越多，已有很多相關(guān)成果被應(yīng)用于實(shí)際工程中。例如，文獻(xiàn)[15]將收集振動能量的壓電裝置集成到鞋底或者表帶中，從而為可穿戴設(shè)備進(jìn)行供電。文獻(xiàn)[16]提出了一種適用于無源無線傳感器節(jié)點(diǎn)的分布式低功耗網(wǎng)絡(luò)通信方案，設(shè)計并制作了一種基于振動能量收集裝置的無線傳感器用于有軌車輛狀況的實(shí)時監(jiān)測，提高了檢修的效率。但是對于這項技術(shù)的研究更多的是處于實(shí)驗設(shè)計階段，若要進(jìn)行更廣泛的商業(yè)化應(yīng)用，仍然有很多技術(shù)瓶頸有待解決。目前就振動能量采集研究前景主要有如下幾個方面。

2.1 非線性振動能量采集器的研究

目前振動能量采集裝置往往針對的是線性振動模型，即通過調(diào)節(jié)采集裝置使之與振動體的共振頻率相一致，從而獲得較大的輸出功率，但是由于實(shí)際環(huán)境中的振動往往是非周期、低頻和寬頻的激勵，這就使得許多采集裝置無法工作在共振狀態(tài)，從而在實(shí)際應(yīng)用中采集效率不高，為了解決這個問題，研究人員提出通過非線性振動來獲得較寬的振動頻率范圍[16?18]。由于非線性振動能量采集相關(guān)技術(shù)的研究還相對于較少，理論不夠成熟，還處在初步階段，所以有待進(jìn)一步研究。

2.2 接口電路的研究

振動能量被采集后，通常輸出的功率和電流較低，電壓隨機(jī)不穩(wěn)定，需要經(jīng)過整流電路才能夠?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行供電，但是現(xiàn)有的橋式整流電路存在自身耗能高，轉(zhuǎn)換效率低等問題。因此，一種低能耗、高效率的接口電路對采集效率提高有著重要意義。國內(nèi)外已經(jīng)有了一些研究，文獻(xiàn)[19]設(shè)計了一種用于無線供電的低電壓生物醫(yī)用植入體的新型全波CMOS整流器，使得整體功率效率和低電壓降方面得到了顯著的提高。文獻(xiàn)[20]設(shè)計了一種非線性開關(guān)匹配電路，以非線性的方式提高了復(fù)合換能器功率的匹配輸出，使得輸出提高2.1倍。除此之外，在一些時候，為了提高發(fā)電量，有時需要聯(lián)接幾個壓電元件一起使用，而這個毫無疑問會帶來部分的損耗，如何合理的設(shè)置電路以此來減少這種損耗也值得關(guān)注。

2.3 采集裝置的實(shí)用化研究

從目前的研究來看，實(shí)驗設(shè)計的壓電能量采集裝置已能產(chǎn)生毫瓦級別的功率，能夠為低功耗的無線傳感器進(jìn)行供電，但距離使用實(shí)用化還有很多的研究需要進(jìn)行。首先是微型化的研究，現(xiàn)有能量采集裝置為實(shí)驗研究方便，往往體積較大，往往體積較大，但為了提高能量的利用效率，傳感器有朝著小型化發(fā)展的趨勢，有的甚至達(dá)到微納米級別，這就要求能量采集裝置能夠被加工到微納尺度，并收集可觀的振動能量。其次是集成化的研究，現(xiàn)有的研究工作偏向于設(shè)計新型的能量采集裝置以提高采集效率，但能否將采集裝置與接口電路結(jié)合，甚至與傳感器集成為一個微機(jī)電系統(tǒng)，對于一款實(shí)用化的產(chǎn)品很重要。最后是壽命的問題，現(xiàn)有采集裝置專注于提高發(fā)電性能，但對于這個采集裝置能工作多久，會有怎樣的生效形式，研究甚少，若要使用采集裝置替代化學(xué)電池進(jìn)行供電，則工作壽命非常關(guān)鍵。

3 基本原理及相關(guān)技術(shù)分析

3.1 發(fā)電原理

壓電陶瓷是一類由帶電晶體組成的還具有壓電特性的陶瓷材料，當(dāng)其在高壓電場極化作用下時，晶粒的極化矢量方向發(fā)生變化，使得壓電材料電荷中心發(fā)生偏移，在電場取消之后，宏觀上仍會有部分剩余極化效應(yīng)存在，使陶瓷能表現(xiàn)出壓電特性[21]。當(dāng)極化處理后的壓電晶體材料兩端受到機(jī)械壓力時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化，其兩表面上會產(chǎn)生電荷聚集從而形成電壓，電荷量與所受機(jī)械力成正比，也隨機(jī)械應(yīng)力方向變化而變化，當(dāng)外部力撤離時，材料表面的電荷與電勢也會消失，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)[22?23]，這就是壓電效應(yīng)。電介質(zhì)在電場作用下電極化程度可用電極化強(qiáng)度來表示，電極化強(qiáng)度p是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和，得：

式中：p—極化強(qiáng)度；?V—任意微元體微元體的體積；q—的此微元體的電偶極矩，由此可得其電學(xué)與力學(xué)的特性聯(lián)系。當(dāng)所受應(yīng)力相對較小時，應(yīng)力近似與極化強(qiáng)度成線性關(guān)系：

式中：P—極化強(qiáng)度；σ—應(yīng)力；ε—壓電應(yīng)變常數(shù)。

壓電效有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩個方面[24]，逆壓電效應(yīng)是指在壓電晶體施加一電場，壓電晶體產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，同時壓電材料發(fā)生形變。壓力發(fā)電主要應(yīng)用正壓電效應(yīng)，依靠壓電陶瓷吸收基體振動產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)對電能的捕獲。

3.2 發(fā)電模式

壓電陶瓷電能捕獲結(jié)構(gòu)具有多種耦合工作模式，這也是影響其能量采集效率的重要因素。根據(jù)壓電材料的三個獨(dú)立的壓電應(yīng)變常數(shù)，有三種壓電耦合工作模式d31模式，d33模式和d15模式[25]，如圖1所示。

圖1 壓電材料不同發(fā)電模式Fig.1 Different Generation Modes of Piezoelectric Materials

理論上，壓電陶瓷在d15工作模式下的電能轉(zhuǎn)換效率最高，但d15工作模式是基于壓電陶瓷產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形，這在實(shí)際環(huán)境中獲得比較困難，所以其研究和應(yīng)用較少。d31模式是指壓電材料的極化方向與引起應(yīng)變的應(yīng)力方向相互垂直，常用在懸臂梁結(jié)構(gòu)中；d33模式是指壓電材料的極化方向與引起應(yīng)變的應(yīng)力方向相同，常用在壓電元件被擠壓的場合，如堆棧結(jié)構(gòu)中。

文獻(xiàn)[26]研究表明，雖然d33模式耦合系數(shù)更高，但由于其結(jié)構(gòu)剛度大，在相同作用力下，形變量較小，輸出功率比d31模式的懸臂梁結(jié)構(gòu)低兩個數(shù)量級，而且d31模式有更好的順應(yīng)性，共振頻率更低，在低頻振動環(huán)境中電能捕獲效率更高。文獻(xiàn)[27]對d33模式下壓電元件進(jìn)行研究表明，當(dāng)壓電材料在d33模式下時，輸出功率與介電常數(shù)以及機(jī)電耦合系數(shù)成正比，較大的介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)和較小的剛度有利于提高輸出功率和能量采集的效率。因為應(yīng)用環(huán)境大多是低頻環(huán)境，為了更好的實(shí)現(xiàn)頻率匹配，d31模式應(yīng)用相對更為廣泛。

3.3 多層壓電振子結(jié)構(gòu)

由于壓電材料本身比較薄，剛性一般，變形較大時易發(fā)生脆斷，所以通常壓電材料會與一些金屬彈性體組成壓電振子，在振源激振作用下產(chǎn)生共同振動，獲得較大形變，產(chǎn)生電壓。單層壓電振子發(fā)電量較少，采集輸出電流較低，往往不足以滿足負(fù)載供電需求，采用多層壓電振子并聯(lián)或串聯(lián)的結(jié)構(gòu)可以使得單位體積壓電結(jié)構(gòu)采集的能量提高。雙層壓電振子串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 雙層壓電振子的串聯(lián)和并聯(lián)Fig.2 Series and Parallel Connections of Double Piezoelectric Oscillators

實(shí)驗研究表明[28]，壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)中，與單層壓電振子結(jié)構(gòu)相比，雙壓電層串聯(lián)后的輸出電壓加倍，而雙壓電層并聯(lián)之后的輸出電流增加了一倍，但電壓幾乎不變。所以通過壓電片的電路并聯(lián)可以增大輸出電流量，優(yōu)化電流輸出特性，使壓電發(fā)電裝置試用范圍增加。對于多層壓電層并聯(lián)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[29]研究后得出，當(dāng)壓電材料厚度相同時，壓電材料分層越多，其電流增加，電壓減小，輸出功率等于電流與電壓的乘積，所以輸出功率與層數(shù)并非簡單的線性關(guān)系，因此，實(shí)際應(yīng)用中壓電層數(shù)的選擇應(yīng)結(jié)合負(fù)載所需的電壓和電流大小進(jìn)行設(shè)計。

3.4 支撐結(jié)構(gòu)

不同的支撐結(jié)構(gòu)對于壓電陶瓷電能捕獲的效率以及使用壽命都會產(chǎn)生影響，目前壓電式能量捕獲裝置的支撐結(jié)構(gòu)主要有簡支梁結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、鈸型結(jié)構(gòu)、螺圓桶形結(jié)構(gòu)、旋裝結(jié)構(gòu)等。其中懸臂梁結(jié)構(gòu)因其實(shí)現(xiàn)方便、效率較高、技術(shù)較為成熟，目前應(yīng)用最為廣泛。

懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振子一端固定，另一端為自由端，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)對能量收集效果較好，諧振頻率較低，且易于實(shí)現(xiàn)。通過ANSYS仿真分析發(fā)現(xiàn)，在相同厚度比時，三角形型式懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)的輸出電壓和固有頻率均最大，梯形型式次之，矩形型式最小[30]。由于三角形和梯形懸臂梁的寬度隨力臂長度的增加而線性減小，所以應(yīng)變分布更為均勻，對于同種壓電材料，比能量更大，所以在較低頻率振動環(huán)境中可以采用矩形壓電振動懸臂梁。當(dāng)振動環(huán)境頻率較高時，采用三角形等變截面寬度型壓電懸臂梁可以提高能量收集效率。文獻(xiàn)[31]利用軟件對懸臂梁壓電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，研究了不同模態(tài)條件下，壓電片布置位置和長度對于懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電陶瓷電能捕獲裝置捕獲效率的影響，指出當(dāng)只考慮一階模態(tài)時，懸臂梁的根部為壓電片布置的最優(yōu)位置。當(dāng)同時考慮多階模態(tài)的控制時，將壓電元件布置在懸臂梁中部附近位置或懸臂梁固定端，此處較大應(yīng)變較大，能取得較好的控制性能，提高電能捕獲效率[32]。

圖3 懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電裝置Fig.3 Piezoelectric Device of Cantilever Beam Structure

簡支梁結(jié)構(gòu)為兩端支撐中間懸空的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。簡支梁結(jié)構(gòu)便于使用墊塊進(jìn)行固定，結(jié)構(gòu)耐疲勞性好，與懸臂梁相比，在同等壓力下，形變量較小，使用壽命更長，穩(wěn)定性更好，但其輸出的電能較小。文獻(xiàn)[33]對不同跨距支撐點(diǎn)的簡支梁壓電結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，分析得出，壓電片的輸出能量受形變壓電片的體積與壓電材料的最大形變量兩方面的影響，跨度減小時形變增大，局部應(yīng)力也增大，但發(fā)生形變的壓電材料體積反而減小，因此支撐點(diǎn)間的不同跨度對輸出電能的影響比較小。文獻(xiàn)[34]設(shè)計了一種利用滾動輪胎內(nèi)機(jī)械能的新型振動壓電發(fā)電機(jī)，采用兩端浮動支撐和激振質(zhì)量固定在中心的簡支梁結(jié)構(gòu)，提高了其魯棒性和功率輸出。

圖4 簡支梁結(jié)構(gòu)壓電裝置Fig.4 Piezoelectric Device of Simply Supported Beam Structure

鈸形（Cymbal）壓電支撐結(jié)構(gòu)由兩鈸形金屬帽夾一壓電元件構(gòu)成，具有阻抗低、彎曲變形大、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于驅(qū)動器系統(tǒng)設(shè)計，它由兩拱形金屬帽中間粘結(jié)壓電陶瓷片而組成，如圖5所示。

圖5 鈸形結(jié)構(gòu)壓電裝置Fig.5 Piezoelectric Device with Cymbal Structure

文獻(xiàn)[35]實(shí)驗研究表明，鈸形壓電支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布比傳統(tǒng)堆疊裝置更均勻，使得其產(chǎn)生壓電效應(yīng)的有效面積更大，采集裝置的捕能效率更高，同時鈸型換能器可將有效壓電常數(shù)增強(qiáng)40倍，其對振動應(yīng)力有高耐受性。文獻(xiàn)[36]利用有限元理論對鈸形壓電換能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模分析表明，金屬帽內(nèi)腔底徑和壓電陶瓷厚度越大時，輸出電壓越高，而金屬帽厚度和內(nèi)腔頂徑越大，輸出電壓越低，其基振頻率也易受上述參數(shù)的改變而改變。

除上述幾種比較常見的支撐結(jié)構(gòu)，研究人員也正在積極探索一些新型結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[37]采用微加工設(shè)計一種新型S型曲折懸臂，降低了懸臂的剛度以實(shí)現(xiàn)較低的共振頻率，振動由線性振蕩變成非線性沖擊振蕩，擴(kuò)展了頻寬。文獻(xiàn)[38]對一種用于收集旋轉(zhuǎn)振動源的極化陶瓷圓柱形壓電殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，得到輸出功率密度與驅(qū)動頻率、負(fù)載的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)輸出功率密度對驅(qū)動頻率和負(fù)載很敏感，在小負(fù)荷下輸出功率密度隨頻率線性增加并達(dá)到最大值，在大負(fù)荷下單調(diào)下降。

3.5 幾何參數(shù)以及形狀

當(dāng)懸臂梁振動頻率接近共振頻率時電能捕獲效率最高[39]，壓電陶瓷的幾何參數(shù)會影響懸臂梁的共振頻率，從而會影響到能量采集裝置的能量輸出。文獻(xiàn)[40]通過Ansys分析得出：懸臂梁的共振頻率與長度是成負(fù)相關(guān)的。共振頻率與寬度雖然是正相關(guān)，但是相關(guān)系數(shù)很小，而厚度與共振頻率是成正相關(guān)。文獻(xiàn)[41]在研究十字形能量采集裝置的發(fā)電特性時，通過實(shí)驗證實(shí)了上面的結(jié)論。文獻(xiàn)[42]通過實(shí)驗驗證，單晶壓電振子的開路電壓隨長度的增加而增加。

由于矩形壓電陶瓷易于制造，便于實(shí)現(xiàn)，所以矩形懸臂梁得到了廣泛的使用。但是矩形梁沿長度方向的應(yīng)力變化是不均勻的[43]，這就導(dǎo)致它對能量的采集效率較低。為了提高輸出效率，研究人員開始對其他形狀的壓電振子進(jìn)行研究。文獻(xiàn)44]對幾種均勻?qū)挾鹊螤畈煌牧哼M(jìn)行了研究分析，得到長度—應(yīng)變曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，三角形梁的應(yīng)變分布更加均勻。文獻(xiàn)[45]對矩形梁，三角形梁，梯形梁進(jìn)行了對比實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)三角形梁共振頻率較低，在較低的激振頻率下，能獲得最高的形變量和輸出電壓，從而獲得更多的能量。據(jù)此，我們可以使用三角形的懸臂梁來替代傳統(tǒng)的矩形梁，從而獲得更加理想的能量采集效率。

圖6 不同形狀壓電振子長度?應(yīng)變曲線圖Fig.6 Length?Strain Curves of Piezoelectric Oscillators with Different Shapes

為了便于應(yīng)用，文獻(xiàn)[46]針對V形梯式懸臂梁的固有頻率進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了一個基于Rayleigh?Ritz方法計算V形懸臂基本共振頻率的公式。利用該分析公式，計算結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好，幾乎沒有相對誤差（小于3%）。另外，還有研究人員提出了一些不同形狀的懸臂梁，文獻(xiàn)[47]研究了S形能量采集器的發(fā)電性能，發(fā)現(xiàn)對于相同的輸出電壓，S形懸臂梁夾緊端附近的正應(yīng)力低于矩形懸臂梁中的正應(yīng)力，因此可以預(yù)估出S形懸臂梁的使用壽命大于矩形懸臂梁的使用壽命。文獻(xiàn)[48]對基于E型懸臂梁的能量采集器進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)增加懸臂梁的分支數(shù)可以提高被采集振動能量的帶寬，也就是說，可以收集更多的能量，從而提高能量采集效率。

4 發(fā)展趨勢

4.1 實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的微能源器件自供電

MEMS作為新時代的一個重要發(fā)展方向，雖然壓電陶瓷發(fā)電為微瓦到毫瓦級，但對于很多微電子器件，這些發(fā)電足以為其正常運(yùn)行供電。目前很多微傳感器的供能主要采用化學(xué)能源和有線電源，有線電源供電布線復(fù)雜，對于多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)易增大故障率和維修難度；目前主要發(fā)展方向為無線傳輸傳感器，無線傳輸傳感器主要采用化學(xué)電池供電，化學(xué)電池有更換不便、污染環(huán)境等缺點(diǎn)。壓電陶瓷作為一種清潔的自供電傳感器或供能器件，可以很好利用振動或者形變的能量，為傳感器供能，提高系統(tǒng)可靠度和降低系統(tǒng)成本，也必將推動電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

4.2 可穿戴設(shè)備供能

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，讓智能可穿戴設(shè)備逐漸成為引領(lǐng)電子消費(fèi)的新熱點(diǎn)，智能可穿戴設(shè)備意味著人智能化的延伸，使人們更好的感知外部和自身的信息，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器數(shù)據(jù)的無縫交流，設(shè)備應(yīng)用范圍滲透到人們生活各個角落，但其續(xù)航能力并不理想，因此其供能技術(shù)也日漸受到關(guān)注，成為推動其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。人體每天運(yùn)動所產(chǎn)生的能量收集足以為產(chǎn)品供能，相比于其他供能方式，自供能方式可解決電池便攜性和續(xù)航能力的沖突，目前智能穿戴設(shè)備的自供能主要有光能、振動能和熱能等方式，相比于光能和熱能，振動能的收集成本更低。

壓電陶瓷作為振動能收集的主要形式，對于智能穿戴設(shè)備的自供能有重要意義。目前智能手環(huán)、智能鞋子、智能服飾都有采用壓電材料進(jìn)行振動能量收集的研究，其中智能鞋子技術(shù)已經(jīng)相對較成熟。人體振動相比于工業(yè)振動頻率區(qū)別較大，人體振動能量收集主要集中在低頻振動區(qū)域，因此，壓電陶瓷對于低頻段振動能量采集的研究對于智能穿戴設(shè)備的自供能具有重要意義和研究價值。

4.3 與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相結(jié)合實(shí)現(xiàn)供能

對于大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械，都存在振動現(xiàn)象，大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)器工作時會進(jìn)行動平衡處理來達(dá)到降振和減少零件疲勞損傷的目的，但通常其動平衡精度一般會與其轉(zhuǎn)速和功率成正比，所以即使旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行了動平衡，但其所產(chǎn)生的振動能仍很大，完全可滿足大部分儀器設(shè)備的供能。例如在一些礦山機(jī)械的振動能量收集即可滿足礦井下很多供電不便的許多儀器的自供能。目前在此方面的實(shí)際應(yīng)用相對較少，但其也是壓電陶瓷電能捕獲一個重要發(fā)展方向。

4.4 高頻寬振動的電能捕獲

當(dāng)系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生共振時，壓電振子振動幅度增大，電能捕獲效率顯著提高。目前壓電陶瓷主要應(yīng)用于高頻振動能量的采集，在低頻振動采集效率很低，但低頻振動在生活廣泛存在，提高系統(tǒng)在低頻振動環(huán)境的捕獲效率有很大意義。為了提高振動能量捕獲頻寬，目前主要通過對系統(tǒng)的共振頻率進(jìn)行調(diào)整，主要有主動式自調(diào)整和被動式自調(diào)整。主動式自調(diào)整通過外加電壓或者電容，由其產(chǎn)生的外加驅(qū)動力對系統(tǒng)共振頻率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)頻效果較好，但需要外加驅(qū)動造成額外的能量輸入；被動式自調(diào)整主要通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，使得系統(tǒng)共振頻率能適應(yīng)環(huán)境變化，通常被動式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積較大，也會帶來額外的機(jī)械磨損和能量損失[49]因此，研究發(fā)展體積小、捕獲效率高、捕獲頻帶寬的壓電陶瓷電能捕獲系統(tǒng)是一個重要發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

壓電陶瓷作為一種新型綠色能源，具有無污染，能量密度高，壽命長，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)在微功耗電子元件、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。目前研究主要集中在非線性振動、接口電路和實(shí)用化等方面，目的在于提高電能捕獲效率和擴(kuò)大應(yīng)用范圍。不同的發(fā)電模式、支撐結(jié)構(gòu)以及壓電振子的結(jié)構(gòu)和幾何形狀都會影響到壓電陶瓷的電能捕獲效率，隨著對相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化電能轉(zhuǎn)換效率不斷提高。此外，壓電陶瓷在微能源器件自供電、可穿戴設(shè)備供能、結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械供能以及高頻寬振動電能捕獲等領(lǐng)域具有巨大潛力，是未來的主要發(fā)展方向。