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【摘 要】随着微电子器件、无线网络传感器以及MEMS等低功耗（几十到几百微瓦）产品的应用日益广泛，从日常环境中提取能量，给微电子设备使用已成为研究热点。一种采用压电俘能技术的压电俘能器，具有结构简单、不受电磁干扰、无污染、不发热和无限寿命等优点，能满足低耗能电子产品的供能需求。本文主要以提高压电俘能器效率的材料和方法为主题，着重讨论了压电材料、压电振子工作模式以及其工作原理和类型。
【关键字】压电俘能器 压电效应 压电材料 压电振子
一、引言
能源问题一直是最为关注的问题。一般情况下，对于微电子器件、无线网络传感器以及MEMS等低功耗（几十到几百微瓦）产品，都是以传统的化学电池提供能量。但随着微电子器件在尺寸和能耗方面的不断减小以及微器件数目越来越多，传统的化学电池已不适应，它们体积庞大、寿命短、化学毒性、需要定期更换等缺点就凸显出来。因此，从周围环境中采集能量供给微系统，使其具有较长的寿命甚至无限寿命的研究具有非常现实的意义[1-4]。
环境中最普遍存在的能量形式是机械振动能量，将这种能量利用机械振动使传感器发生位移或形变从而产生电能，如利用压电效应、电磁感应、静电等。其中压电效应与其它方式相比，因为压电材料本身即可发电，不需要额外电源，且具有很高的性能指标和能量密度，以及容易集成化等优点[5]，因此采用压电俘能技术为微系统供能是一种最有应用前景的技术。
二、压电材料
PZT压电陶瓷是最常见的压电材料之一，具有温度性能好以及良好的能量俘获特性。其中软陶瓷材料具有较高的机械品质因数和耦合系数，而硬陶瓷具有更高的机械品质因数和较低的耦合系数，具有更好的压力承受能力以及更高密度的能量。但二者的品质因数质量指标K2Qm差不多，因此硬陶瓷材料PZT薄膜的机电性能很好的适应MEMS（微机电系统）。
三、压电振子的结构
在设计压电振子时，根据实际要求首先要选择合适的压电材料，设计合适的尺寸和结构，以及选择合适的压电振子振动模式。压电振子的振动模式是指压电振子实现机械能向电能之间转化的振动方式。
当压电材料受到环境中的机械振动时，就会产生相应的变形或位移，压电材料因压电效应将在表面产生电荷，电荷的多少与外界机械力、压电材料的性能、机电耦合系数以及压电振子的材料和结构相关。目前最常见的压电振动能量收集器振子的结构如图所示。
几种典型的采集器结构
图（a）所示的压电单晶片悬臂梁结构主要是由单片压电陶瓷和梁基构成，中间用环氧树脂导电胶粘结起来。图（b）所示的压电双晶片悬臂梁则由两块压电陶瓷利用环氧树脂导电胶粘结在基板上，然后将压电双晶片串联或并联。图（c）所示是在悬臂梁结构的自由端附加了质量块，以增加压电片的变形量，提高输出电压。多层复合结构是包含两层以上的压电晶片结构，这种结构的优点是能够提高输出电压和电流，延长器件的使用寿命。图（d）所示为压电片堆栈结构，可以转换纵向机械振动能，工作模式为d33 。图（f）的Cymbal传感器则由两个碟形的金属帽盖和位于金属帽盖之间的一压电圆片构成，当压电片的厚度为1 mm，直径为29 mm，空腔直径为17 mm，钢帽的高度为1 mm，厚度为0. 3mm时，在100 Hz、7. 8 N的低频作用下，产生的功率可达39 mw。独立结构的悬臂梁（图（g））与传统结构的悬臂梁相比，更有利于电压与电流源之间的灵活转换以及微电子系统集成。
如图所述均为线性电振子结构，在常见的外界低频振动环境（频率小于1000Hz）中，为了使悬臂梁式压电振动能量采集器的固有频率与外界低频振动接近，应减小俘能器本身的固有频率。
参考文献：
[1] GILBERT J M， BALOUCHI F. Comparison of energy harvesting systems for wireless sensor networks [J]. Int J Autom， 2008， 5（4）： 334-347.
[2] CHALASANI S， CONRAD J M. A survey of energy harvesting sources for embedded systems [C] // IEEE Southeast Conference. Huntsville，USA： IEEE， 2008.
[3] ANTON S R， SODANO H A. A review of power harvesting using piezoelectric materials [J]. Smart Mater Struct， 2007， 16（3）： 1-21.
[4] 刘仁鑫，王万章.压电材料在汽车技术中的应用[J]，拖拉机与农用运输车，2007，5（34）：4- 5.
[5] 李以农，陈兵奎，郑玲.压电材料在结构缺陷识别中的应用机理研究[J].机械工程材料，2003，6（27）： 25- 28.
【关键字】压电俘能器 压电效应 压电材料 压电振子
一、引言
能源问题一直是最为关注的问题。一般情况下，对于微电子器件、无线网络传感器以及MEMS等低功耗（几十到几百微瓦）产品，都是以传统的化学电池提供能量。但随着微电子器件在尺寸和能耗方面的不断减小以及微器件数目越来越多，传统的化学电池已不适应，它们体积庞大、寿命短、化学毒性、需要定期更换等缺点就凸显出来。因此，从周围环境中采集能量供给微系统，使其具有较长的寿命甚至无限寿命的研究具有非常现实的意义[1-4]。
环境中最普遍存在的能量形式是机械振动能量，将这种能量利用机械振动使传感器发生位移或形变从而产生电能，如利用压电效应、电磁感应、静电等。其中压电效应与其它方式相比，因为压电材料本身即可发电，不需要额外电源，且具有很高的性能指标和能量密度，以及容易集成化等优点[5]，因此采用压电俘能技术为微系统供能是一种最有应用前景的技术。
二、压电材料
PZT压电陶瓷是最常见的压电材料之一，具有温度性能好以及良好的能量俘获特性。其中软陶瓷材料具有较高的机械品质因数和耦合系数，而硬陶瓷具有更高的机械品质因数和较低的耦合系数，具有更好的压力承受能力以及更高密度的能量。但二者的品质因数质量指标K2Qm差不多，因此硬陶瓷材料PZT薄膜的机电性能很好的适应MEMS（微机电系统）。
三、压电振子的结构
在设计压电振子时，根据实际要求首先要选择合适的压电材料，设计合适的尺寸和结构，以及选择合适的压电振子振动模式。压电振子的振动模式是指压电振子实现机械能向电能之间转化的振动方式。
当压电材料受到环境中的机械振动时，就会产生相应的变形或位移，压电材料因压电效应将在表面产生电荷，电荷的多少与外界机械力、压电材料的性能、机电耦合系数以及压电振子的材料和结构相关。目前最常见的压电振动能量收集器振子的结构如图所示。
几种典型的采集器结构
图（a）所示的压电单晶片悬臂梁结构主要是由单片压电陶瓷和梁基构成，中间用环氧树脂导电胶粘结起来。图（b）所示的压电双晶片悬臂梁则由两块压电陶瓷利用环氧树脂导电胶粘结在基板上，然后将压电双晶片串联或并联。图（c）所示是在悬臂梁结构的自由端附加了质量块，以增加压电片的变形量，提高输出电压。多层复合结构是包含两层以上的压电晶片结构，这种结构的优点是能够提高输出电压和电流，延长器件的使用寿命。图（d）所示为压电片堆栈结构，可以转换纵向机械振动能，工作模式为d33 。图（f）的Cymbal传感器则由两个碟形的金属帽盖和位于金属帽盖之间的一压电圆片构成，当压电片的厚度为1 mm，直径为29 mm，空腔直径为17 mm，钢帽的高度为1 mm，厚度为0. 3mm时，在100 Hz、7. 8 N的低频作用下，产生的功率可达39 mw。独立结构的悬臂梁（图（g））与传统结构的悬臂梁相比，更有利于电压与电流源之间的灵活转换以及微电子系统集成。
如图所述均为线性电振子结构，在常见的外界低频振动环境（频率小于1000Hz）中，为了使悬臂梁式压电振动能量采集器的固有频率与外界低频振动接近，应减小俘能器本身的固有频率。
参考文献：
[1] GILBERT J M， BALOUCHI F. Comparison of energy harvesting systems for wireless sensor networks [J]. Int J Autom， 2008， 5（4）： 334-347.
[2] CHALASANI S， CONRAD J M. A survey of energy harvesting sources for embedded systems [C] // IEEE Southeast Conference. Huntsville，USA： IEEE， 2008.
[3] ANTON S R， SODANO H A. A review of power harvesting using piezoelectric materials [J]. Smart Mater Struct， 2007， 16（3）： 1-21.
[4] 刘仁鑫，王万章.压电材料在汽车技术中的应用[J]，拖拉机与农用运输车，2007，5（34）：4- 5.
[5] 李以农，陈兵奎，郑玲.压电材料在结构缺陷识别中的应用机理研究[J].机械工程材料，2003，6（27）： 25- 28.