深港微电子学院汪飞课题组在压电能量采集器领域取得突破性进展。他们仿真并制备了一种基于PVDF材料的双共振压电薄膜能量采集器，其谐振频率为15 Hz和22 Hz。在 9.81  的加速度下，器件带宽扩展至14Hz，其中16 Hz时的输出峰值功率达到0.35。仿真和实验得出双谐振结构能量功率输出大于独立装置能量采集总和，电力转换效率提高了 40% - 81%。其低谐振频率和大带宽在压电能量采集器方面具有很大的应用前景。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924424716303211

研究背景介绍：

随着低功耗无线传感器网络和物联网技术的快速发展，能量采集技术作为一种有望取代传统电池的技术，近年来引起了人们极大的研究兴趣。传统的电池不仅需要昂贵的更换费用(特别是在难以接近的位置更换传感器件的电源)，而且会对环境造成污染。

其中解决方案之一就是采集来自环境的能源给设备提供可持续的能量。机械振动的动能通常是最通用和最普遍的环境能源。其中的压电能量收集装置由于其结构简单，转换效率高，制作工艺可兼容等特点，一直是研究的热点。压电能量收集装置的核心材料是压电材料，压电材料能够通过正压电效应(即对压电材料施加压力，电介质发生电极化变化，产生电位差的过程)完成机械能到电能的转换。为了使所收集的功率输出最大化，大多数压电能量收集器(PEH)利用质量悬臂梁系统的线性振动结构，在高谐振频率下才可提供最佳功率输出。然而环境中的振动呈低频频谱分布。传统器件工作带宽非常有限，当外部激励频率偏离装置谐振频率时，能量采集器性能严重就降低。因此提高能量采集器工作带宽和降低谐振频率是压电能量采集器应用的趋势所在。

本文亮点：

采用了压电能量采集双共振结构，实现了上下悬臂梁质量块的两个不同共振频率，扩展了器件带宽。

由于双共振结构存在两个独立的共振频率，而且当两个悬臂质量结构在足够大的加速度下发生碰撞时，其振动振幅将产生强烈的耦合。通过对两个子系统谐振频率的优化设计，双共振结构的能量采集器可以在较宽的频率范围内提供良好的功率输出。此外，此结构同样适用于静电或电磁原理的能量采集。

图 1.  (a) 双共振能量采集器结构示意图；(b)双共振能量采集器力学分析系统；(c)单悬臂梁(左，中)和双谐振悬臂梁(右)能量采集器的频率响应

仿真模型设计:

对于单共振结构的能量采集器，先前已经进行了理论研究。对于双共振结构，由于上下质量块之间可能的相互碰撞从而导致质量块速度发生改变。当振幅足够大以至于上下质量块发生碰撞时，应使用系统总动量和总动能守恒重新计算两个质量块的速度。

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是实现动态建模仿真和分析的一个软件包。为了研究双共振系统上下两个质量块是否发生碰撞及碰撞后的速度变化情况，基于双共振结构力学方程设计了图2所示的Simulink模型。

图2. 双谐振结构能量采集器的仿真模型

采用图2所示 Matlab/Simulink建模仿真。图3显示了两个不同振幅的模拟。当振动源施加给器件20 Hz以2 时，两个质量块之间没有碰撞。当振动加速度增加到5 时发生碰撞，碰撞后两质量块的速度均发生改变。

图 3. 当振动源以20 Hz振动加速度为 (a) 2 and (b) 5  施加给器件时，两个子系统的机械性能

利用白噪声发生器，使用50Hz低通滤波器产生随机振动源对器件进行仿真，图4展示了单悬臂梁与双共振结构的均方根功率输出与随机源均方根加速度关系的函数图像。可以看出双共振结构装置的功率大于两个单一装置的功率之和。这证明在仿真中了双谐振结构的压电能量采集器件比单谐振结构器件在随机源下具有更好的性能。

图 4. 仿真的压电双谐振结构输出功率

实际测试:

为了验证数值模拟正确性，制作了一个双共振结构压电能量采集器件，设定悬臂梁尺寸和间隙和质量块的质量并在基本不锈钢梁的组件上加工聚偏氟乙烯聚合物压电薄膜PVDF和电极。

如图5所示，利用信号发生器，功率放大器，激励信号驱动电动振动台模拟外界振动源；同时安装加速度计实时监测振动。将双共振结构的两个子系统串联，通过20 电阻接入数据采集单元。同时对双共振结构以及两个子系统分别进行测试。

图 5. 压电能量采集结构及测量装置

实际测试环境为50 Hz低通滤波后的随机振动源，均方根加速度分别为5 , 10和 15，对上下单个子系统以及整体双共振结构进行了比较测试。测量周期为6.4 s，一个周期的典型电压输入图6所示。并绘制200个测试周期的平均均方根功率图像，由图像g,h,i可直观看出双共振结构的设备实际输出功率大于上下两个单设备输出功率之和。

图 6. 实际测量结果

测量结果:

经过计算后，在均方根加速度为5时，双共振结构压电能量采集器件产生的平均功率输出为18.3，而两个子系统单独工作的能量输出功率为2.6和7.5；在均方根加速度为10时，双共振结构压电能量采集器件产生的平均功率输出为82.9，而两个子系统单独工作的能量输出功率为10.9和43.8；在均方根加速度为15时，双共振结构压电能量采集器件产生的平均功率输出为0.133，而两个子系统单独工作的能量输出功率为0.024和0.0708。由此可看出双共振结构压电能量采集器比两个独立器件能量采集功率之和要高。

理论分析和实验都表明，双谐振结构的PPEH装置在低频时能从随机振动源中获得比单独单个装置能量之和更多的能量。这种双共振结构虽然可以用压电器件来演示，但也可以应用于其它基于静电或电磁转换方法的振动能量采集器。

课题组介绍：

汪飞课题组近年来研究重点围绕微纳能量收集技术以及用于环境监测的自供能传感器等，已出版英文专著3章节，累计发表学术论文140余篇，其中SCI期刊论文70余篇(3篇封面，1篇能量收集工作评为ESI高被引论文)，包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等领域一流期刊。汪飞副教授2016年被推选为微纳传感器领域顶级国际会议Transducers 2017程序委员会委员(Transducers 2019连任)，2019年获得IEEE MEMS 2020会议邀请报告(全球8名，大陆唯一)。课题组研究工作长期获得了国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市科创委及南山区等各项经费支持。