懸臂梁微型壓電自發(fā)電系統(tǒng)研制

文/孫亞飛 楊延鵬

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與裝備學(xué)院 廣東省深圳市 518172）

（2.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 人工微結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北省武漢市 430072）

能源短缺問題是21世紀(jì)人類面臨的重要難題之一，尋找各種新型清潔能源成為了當(dāng)務(wù)之急。

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過對(duì)所產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和收集，可為各種低功耗電子系統(tǒng)提供電源。

本課題利用壓電材料設(shè)計(jì)并制作一套懸臂梁式機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并按此轉(zhuǎn)換裝置的輸出電能特性設(shè)計(jì)和開發(fā)一套電能轉(zhuǎn)換和收集電路，最后對(duì)所開發(fā)的懸臂梁壓電自發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能進(jìn)行測(cè)試和分析，為后續(xù)工程應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 懸臂梁壓電發(fā)電裝置設(shè)計(jì)開發(fā)

壓電材料具有良好的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能，外界振動(dòng)可使壓電材料發(fā)生形變從而產(chǎn)生電能，壓電材料已成為將各類環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能的重要元件。但壓電材料本身脆性很大，能夠承受的機(jī)械應(yīng)力和產(chǎn)生的彎曲位移有限，通常需要粘貼在其他彈性材料上以避免承受外界所施加的直接應(yīng)力。

為了對(duì)利用壓電材料的d31壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和研究，課題組設(shè)計(jì)并制作了一套環(huán)氧板懸臂梁微型壓電發(fā)電系統(tǒng)，將壓電片粘貼在環(huán)氧板懸臂梁上，利用壓電片將懸臂梁擺動(dòng)時(shí)的機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)氧板具有良好的絕緣性及優(yōu)良的力學(xué)性能，能夠?qū)C(jī)械振動(dòng)有效的轉(zhuǎn)換為壓電材料的應(yīng)變。因此，為了便于對(duì)利用壓電材料的d31壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一套環(huán)氧板懸臂梁結(jié)構(gòu)。

環(huán)氧板懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一端固定在支座上，另一端隨著環(huán)境的振動(dòng)而自由擺動(dòng)。懸臂梁在擺動(dòng)時(shí)，將對(duì)粘貼在其表面的壓電片產(chǎn)生拉伸和壓縮作用，實(shí)現(xiàn)利用壓電材料的d31壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷能量。

所設(shè)計(jì)的環(huán)氧板懸臂梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 加工制作

對(duì)于圖1所示的環(huán)氧板懸臂梁結(jié)構(gòu)，可有兩種壓電片粘貼結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蝹?cè)粘貼結(jié)構(gòu)、雙側(cè)粘貼結(jié)構(gòu)。其中，單側(cè)粘貼結(jié)構(gòu)由兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，一層為壓電片層、一層為環(huán)氧板層；雙側(cè)粘貼結(jié)構(gòu)則是在環(huán)氧板兩邊粘貼壓電片，由壓電片層、環(huán)氧板層、壓電片層共三層構(gòu)成。具體實(shí)驗(yàn)過程中可靈活選擇單側(cè)粘貼結(jié)構(gòu)或雙側(cè)粘貼結(jié)構(gòu)。

本次設(shè)計(jì)的環(huán)氧板懸臂梁采用了單側(cè)雙層結(jié)構(gòu)粘貼方式，即在環(huán)氧板一側(cè)離固定端1/3處粘貼多片壓電片，以實(shí)現(xiàn)最大能量轉(zhuǎn)換效率，具體如圖2所示。

壓電片在環(huán)氧板懸臂梁上的粘貼位置之所以有一定要求（離固定端1/3處），是因?yàn)槿绻迟N位置不合理，則壓電片感受到的應(yīng)變量則會(huì)不大，從而不能產(chǎn)生最大電能，影響發(fā)電效率，甚至根本發(fā)不了電。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)壓電片貼在離環(huán)氧板懸臂梁固定端三分之一處才能產(chǎn)生最大應(yīng)變，發(fā)揮出最高轉(zhuǎn)換效率。另外在粘貼壓電片時(shí)，在保證壓電片粘貼狀況良好的前提下，粘貼層越薄越好，若粘貼層過厚也會(huì)影響其發(fā)電效率。

圖1：環(huán)氧板懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：環(huán)氧板懸臂梁?jiǎn)蝹?cè)壓電片粘貼位置示意圖

圖3：懸臂梁微型壓電自發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

按照上述要求所制作出來的環(huán)氧板懸臂梁微型壓電自發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖3所示。

2 能量轉(zhuǎn)換收集電路設(shè)計(jì)開發(fā)

圖4所示為常見的壓電發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換電路原理圖。通過對(duì)該電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該電路本身消耗掉了一部分回收的能量，因此需要對(duì)該原理電路進(jìn)行改進(jìn)，以降低能量回收電路本身的能量消耗。

通過調(diào)研得知：美國(guó)凌力爾特(Linear)芯片制造公司針對(duì)壓電材料等高阻抗電源的能量轉(zhuǎn)換電路開發(fā)的需要，于2010年專門設(shè)計(jì)了一款芯片—LTC3588，該芯片內(nèi)置了全橋整流橋和穩(wěn)壓電路，能提供1.8V、2.5V、3.3V及3.8V等四種穩(wěn)定的電壓輸出，且具有極低的內(nèi)耗。

圖4：壓電自發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖5：基于LTC3588芯片的壓電自發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換電路原理圖

本應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)開發(fā)基于LTC3588芯片來實(shí)現(xiàn)，具體分兩步進(jìn)行，首先基于LTC3588芯片，設(shè)計(jì)開發(fā)一套具有1.8V、2.5V、3.3V及3.8V四種穩(wěn)定電壓輸出的電路；在此基礎(chǔ)上，將其與太陽(yáng)能電池等能源裝置進(jìn)行綜合考慮，開發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的微型發(fā)電裝置，滿足相關(guān)領(lǐng)域的真實(shí)需要。

本部分將進(jìn)行第一步應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)開發(fā)，即基于LTC3588芯片來設(shè)計(jì)開發(fā)一套具有1.8V、2.5V、3.3V及3.8V四種穩(wěn)定電壓輸出的電路。

2.1 電路原理設(shè)計(jì)

根據(jù)LTC3588芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)及相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)參考資料，所設(shè)計(jì)的基于LTC3588芯片的壓電材料微型自發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用電路原理電路如圖5所示。

按照LTC3588芯片的引腳設(shè)計(jì)，該應(yīng)用電路設(shè)計(jì)了相關(guān)跳線，從而可輸出1.8V、2.5V、3.3V及3.8V四種電壓。

2.2 電路開發(fā)制作

按照?qǐng)D5所示的能量轉(zhuǎn)換電路原理圖，用DXP電路設(shè)計(jì)軟件開發(fā)了基于LTC3588芯片的壓電材料能量收集與轉(zhuǎn)換電路PCB原理圖，所制作的應(yīng)用電路PCB板及完成電路元件、芯片等焊接的電路板如圖6所示。

3 壓電發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能測(cè)試

壓電發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)主要用于對(duì)本項(xiàng)目中各類基于壓電材料的微型發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能進(jìn)行測(cè)試和分析，以便有效評(píng)估所設(shè)計(jì)的各類壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能。

3.1 發(fā)電性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

根據(jù)上述測(cè)試參數(shù)及對(duì)其測(cè)試范圍的初步分析，選擇美國(guó)是德公司的CX3324A型“器件電流波形分析儀”來對(duì)本課題中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析，以便對(duì)各類壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能進(jìn)行測(cè)試、分析和比較。

美國(guó)是德公司的CX3324A型“器件電流波形分析儀”可測(cè)量電壓、電流（10nA級(jí)）信號(hào)波形，并可對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行各類數(shù)據(jù)分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)其功率、電能的測(cè)量和分析。

3.1.1 壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖6：基于LTC3588芯片的壓電自發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換電路實(shí)物圖

圖7：壓電自發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖8：懸臂梁微型壓電自發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試實(shí)物圖

3.1.2 壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能指標(biāo)分析

（1）輸出電壓特性：測(cè)量壓電發(fā)電裝置所產(chǎn)生電源的電壓波形，U（V）；

（2）輸出電流特性：測(cè)量壓電發(fā)電裝置所產(chǎn)生電源的電流波形，I（A）；

（3）輸出功率特性：基于壓電發(fā)電裝置的電壓波形和電流波形，測(cè)量其輸出功率特性，P=U*I（W），p(t) = u(t) * i(t)（W）；

（4）輸出電能特性：基于上述壓電發(fā)電裝置的瞬時(shí)功率波形，對(duì)從開始產(chǎn)生電能到產(chǎn)生電能結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)的電能大小進(jìn)行測(cè)量（積分），

3.2 壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試

根據(jù)壓電發(fā)電測(cè)試方案，對(duì)所開發(fā)的粘貼有壓電片的環(huán)氧板懸臂梁的發(fā)電性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以便對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)其發(fā)電性能進(jìn)行評(píng)估和比較。

應(yīng)用美國(guó)是德公司的CX3324A型器件電流波形分析儀所構(gòu)建的壓電按壓裝置微型發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電性能測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

另外，與之前壓電按壓發(fā)電裝置的發(fā)電方式不同，該環(huán)氧板懸臂梁微型發(fā)電裝置的發(fā)電方式是讓該環(huán)氧板懸臂梁自由端自由擺動(dòng)，引起粘貼在其上面的壓電片產(chǎn)生剪切應(yīng)變而發(fā)電。每次自由擺動(dòng)從開始到基本停止的時(shí)間約為20秒左右，只要保證其每次擺動(dòng)開始時(shí)的自由端偏置位置相同，就可得到基本相同的發(fā)電效果。

為此，課題組將該環(huán)氧板懸臂梁微型發(fā)電裝置的每次發(fā)電時(shí)間也設(shè)定為20秒，對(duì)其在20秒內(nèi)的多次自由擺動(dòng)的發(fā)電結(jié)果進(jìn)行測(cè)試和記錄，用于對(duì)其發(fā)電性能進(jìn)行評(píng)估和比較。

表1：懸臂梁微型壓電自發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試結(jié)果

圖9：懸臂梁微型壓電自發(fā)電裝置發(fā)電性能測(cè)試曲線

3.2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線

在實(shí)際測(cè)試過程中，課題組按照一次20秒的發(fā)電時(shí)間，對(duì)其進(jìn)行了多次發(fā)電測(cè)試和記錄。其中一次將環(huán)氧板懸臂梁自由擺動(dòng)端拉至固定偏置位置放開讓其自由擺動(dòng)多次，在20秒發(fā)電時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的發(fā)電性能曲線如圖9所示。

3.2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

按照每次發(fā)電測(cè)試曲線上的測(cè)試數(shù)據(jù)，環(huán)氧板懸臂梁微型壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，此處只列出了5次發(fā)電測(cè)量結(jié)果。

由表1可以看出，所研制的環(huán)氧板懸臂梁微型壓電發(fā)電裝置每次自由擺動(dòng)（發(fā)電時(shí)間為20秒）可產(chǎn)生平均功率為13.083uW、輸出電能為261.862uJ的能量。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以通過反復(fù)多次擺動(dòng)該環(huán)氧板懸臂梁壓電發(fā)電裝置，讓其產(chǎn)生更多的電能。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款環(huán)氧板懸臂梁微型壓電自發(fā)電裝置，所產(chǎn)生電壓控制在50V以內(nèi)，便于能量的轉(zhuǎn)換和收集；同時(shí)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一塊電荷能量轉(zhuǎn)換和收集電路，將所產(chǎn)生的交變電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓，為低功耗電子系統(tǒng)供電。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，所開發(fā)的環(huán)氧板懸臂梁微型壓電自發(fā)電系統(tǒng)能產(chǎn)生平均功率為13.038uW電能，可以為低功耗電子系統(tǒng)提供能源。