壓電MEMS振動(dòng)能量收集器的輸出功率提高近100倍

能量收集在很多情況下“幾乎不需要付出任何成本”，具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，利用這種幾乎免費(fèi)的能源為電池或超級(jí)電容器充電再為負(fù)載供電，仍然需要面對(duì)很多挑戰(zhàn)。

其中，“脈沖”振動(dòng)尤其困難，其能量脈沖很快消失（高度衰減），因此難以捕獲。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本大阪公立大學(xué)（Osaka Metropolitan University）工程研究生院的一組研究人員開發(fā)出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法，以利用步行等脈沖源的能量。

他們開發(fā)的壓電MEMS振動(dòng)能量收集器（pVEH）的直徑只有約兩厘米，其U形金屬部件被稱為動(dòng)態(tài)放大器（DM）。

與傳統(tǒng)的能量收集相比，他們開發(fā)的新型pVEH可將脈沖振動(dòng)轉(zhuǎn)換的輸出功率提高約90倍。

他們面對(duì)的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種非諧振型pVEH，能夠應(yīng)對(duì)時(shí)變和隨機(jī)振動(dòng)，這些振動(dòng)代表了現(xiàn)實(shí)世界中的大部分振動(dòng)。當(dāng)施加的振動(dòng)頻率與諧振頻率略有不同時(shí)，具有高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（QM）的pVEH輸出功率會(huì)急劇下降。

為此，業(yè)界已經(jīng)提出了各種方法來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。

例如，通過(guò)集成具有不同諧振頻率的多個(gè)線性pVEH以拓寬頻率帶寬，開發(fā)一種能量收集陣列結(jié)構(gòu)來(lái)覆蓋多個(gè)頻率。

另一種可能的方法是采用非線性振動(dòng)效應(yīng)。非線性彈簧已經(jīng)用于磁性尖端質(zhì)量或雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，以及使用可移動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量進(jìn)行電氣或機(jī)械調(diào)節(jié)的自諧振調(diào)諧（SRT）。

然而，電氣SRT的控制需要能量，而機(jī)械SRT的機(jī)制很復(fù)雜。

2 DoF振動(dòng)系統(tǒng)

雖然這些方法對(duì)連續(xù)的隨機(jī)振動(dòng)很有用，但當(dāng)沖擊力非連續(xù)時(shí)，它們就不適用了，而且這種情況經(jīng)常發(fā)生。盡管采用大檢測(cè)質(zhì)量可以提高輸出能量，但這對(duì)于MEMS pVEH來(lái)說(shuō)不是一個(gè)好的選擇，因?yàn)镸EMS工藝不適合制造大尺寸器件。

此外，所需壓電薄膜的厚度會(huì)隨著檢測(cè)質(zhì)量的增加而增加。

為了增強(qiáng)由脈沖力驅(qū)動(dòng)的MEMS pVEH的輸出能量，研究人員模擬了一種具有重疊振動(dòng)模式和諧振的二自由度（2 DoF）振動(dòng)系統(tǒng)，原理上應(yīng)該能夠大大增強(qiáng)能量回收和收集。

利用2 DoF系統(tǒng)中pVEH集總參數(shù)模型評(píng)估關(guān)鍵參數(shù)不同值的性能

根據(jù)建模結(jié)果，包括兩個(gè)振動(dòng)振蕩器（2 DoF）的耦合度，他們構(gòu)建了一個(gè)MEMS器件和一個(gè)尺寸合適的動(dòng)態(tài)放大器。

由于材料和壓力的本質(zhì)不同，這兩個(gè)功能塊被構(gòu)建為單獨(dú)的器件：壓電MEMS器件使用Pb（Zr, Ti）O3和BiFeO3薄膜，而動(dòng)態(tài)放大器使用不銹鋼來(lái)減少內(nèi)摩擦（這是影響動(dòng)態(tài)放大器品質(zhì)因數(shù)的因素之一）。

此外，動(dòng)態(tài)放大器需要一種振動(dòng)模式以在pVEH的諧振頻率附近與懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)渡運(yùn)動(dòng)，從而可以有效地將存儲(chǔ)的能量傳遞到pVEH。為此，研究人員開發(fā)了一種U形動(dòng)態(tài)放大器。

U形2 DoF pVEH結(jié)構(gòu)和制造，（a）使用有限元建模的振動(dòng)模式分析，（b）動(dòng)態(tài)放大器位移和輸出功率對(duì)振動(dòng)頻率（c, d）的依賴性。

測(cè)試

研究人員利用振動(dòng)發(fā)生器和加速度計(jì)對(duì)他們制作的裝置進(jìn)行了測(cè)試，并通過(guò)連接到鎖定放大器的激光位移傳感器測(cè)量了位移。利用鎖定放大器測(cè)量了與MEMS pVEH連接的負(fù)載電阻兩端的輸出電壓。

結(jié)果表明，對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的非平穩(wěn)（脈沖）振動(dòng)以及諧波振動(dòng)，與傳統(tǒng)的單自由度（1 DoF）版本相比，2 DoF pVEH可以將輸出功率提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

與傳統(tǒng)1 DoF技術(shù)相比，2 DoF方案實(shí)現(xiàn)了顯著改進(jìn)

審核編輯：劉清