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振动能量收集技术的近况与展望

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孟祥凯侯玉亮

摘要：随着人们对环境和能源越来越关注，振动能量收集技术已成为能量收集技术中的一大研究热点，振动能量收集技术在微机电系统中主要起供电的作用，该技术主要通过电磁转换、静电转换、压电转换等将振动能转化为电能。简要介绍了振动能量收集技术的原理以及三种能量收集装置的结构形式，分析了以上三种能量转化方式的优点和缺点，并着重描述了国内外研究人员的创新设计与研究成果，由此展望了振动能量收集技术的发展趋势。

关键词：振动能量收集;电磁转换;静电转换;压电转换

中图分类号：TM619

文献标识码：A

DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.036

1引言

近几年来，随着微机电系统（MicroelectromechanicalSystems，MEMS）的快速发展，人们对MEMS元件的尺寸要求也越来越高，即要求元件尺寸的微小化与高精度化。由于MEMS在各个领域的应用更加广泛，也将面临越来越复杂的环境，所以对MEMS元件的性能要求也将更高，其中最重要的一点是元件的可持续性。因此，与MEMS元件的可持续性密切相关的能量收集技术受到广大研究人员的关注。振动能是一种低频率且功率稳定的振动能量，它广泛地分布于生活中的方方面面。在微纳米技术、机械与材料工程方面的快速創新与发展使得振动能量收集成为可能，因此，振动能量采集技术将有广阔的应用领域。目前，国内外学者提出的振动能量收集技术主要包括电磁转换、静电转换和压电转换三种能量收集技术[1-2]。本文将介绍以上三种技术的创新方法、发展现状和发展前景。

2发展现状

2.1电磁转换能量收集技术

根据电磁转换原理设计的振动能量收集装置是基于法拉第电磁感应定律将生活中的大量振动能转化为可利用的电能，该装置的结构为闭合线圈和永磁体。法拉第电磁感应定律表明，只要通过闭合线圈的磁通量产生变化，闭合电路中就会产生电流，从而对外部系统输出电能，这种现象称为电磁感应现象。根据法拉第电磁感应定律，外界的振动使闭合线圈或永磁体二者发生相对运动，引起通过线圈的磁通量发生改变，导致感应电流的产生，使电能向外部系统输出。

由于外界的振动引起电磁转换能量收集装置不同部件的振动，因此，可以将电磁转换能量收集装置的结构分为三类，分别为动铁型结构（永磁体发生振动）、动圈型结构（闭合线圈发生振动）、铁圈同振型结构（永磁体和闭合线圈一起振动）。动铁型结构即为闭合线圈不动，永磁体相对于闭合线圈振动，通过闭合线圈的磁通量产生变化，从而使闭合线圈中产生感应电动势，将振动能转化为电能输出;动圈型结构是永磁体不动，闭合线圈相对于永磁体发生振动，通过闭合线圈的磁通量产生变化，从而使闭合线圈中产生感应电动势，将振动能转化为电能输出。为了更进一步提高电能的输出，改善上述两种结构，即出现了铁圈同振型结构，铁圈同振型结构是在外部环境给系统输入振动时，永磁体和闭合线圈都发生振动，但二者之间有相对运动，从而在闭合线圈中产生感应电动势，将振动能转化为电能输出。

电磁转换振动能量收集技术不需要额外的驱动电源与功能材料，且输出电流大。但是有输出电压较低、磁体与线圈尺寸较大等缺点。电磁转换能量收集装置的各种结构已经十分完善，国内外很多学者也对电磁转换装置进行了相当深入的研究，比如英国南安普顿大学HAMI[3]的团队、美国麻省理工学院AMIRTHARAJAHl4]的团队、中国上海交通大学的王佩红[5]博士等开发的不同结构的电磁转换能量收集装置，这其中对悬臂梁形式结构进行的探索最多，因为其结构简单，易于与MEMS兼容。

2.2静电转换能量收集技术

静电转换振动能量收集技术的基本原理是静电效应，其主要结构为平行板电容器，通过改变电容来产生电能。在振动能量收集器开始对外传输电能之前，需要对电容器施加初始电压，在电容器之间产生电势差，进而感知振动激励引起极板间距或相对位置的变化，当外界的振动发生变化时，会产生电流的流动，将振动能转化为电能，从而实现了能量的转化。

国外的研究者对静电转换能量收集技术研究较多，比如伯克利大学的ROUND[6]等人针对电容器两极板相对位置和间距的不同设计了两种不同结构的静电转换能量收集装置，即变间距式结构和变面积式结构。

基于静电转换的振动能量收集方式不需要功能材料，输出电压较高，易与MEMS技术集成，且不需考虑谐振效应，因此具有较宽频带的能量收集范围。但是，该技术需要外部电压源，且产生的电流低、电容气隙小，因此，其实现较困难、能量收集装置的加工工艺比较复杂、效率较低，这些缺点限制了静电转换能量收集装置的应用范围。

2.3压电式能量收集技术

压电转换能量收集技术的基本原理是压电效应，是压电材料发生正压电效应，将外界的振动能转化为可利用的电能的过程。压电陶瓷在某个