处于问题核心的压电式能量收集技术

　　仅需更换一块电池就能避免开心手术，这是外科专家渴望实现的愿望之一。起搏器电池的平均寿命约七年左右，有时可达十年。老年人要应付的健康问题已经够多了，因此不必要仅仅为了更换搏器电池就要做这种手术。任何外科手术都会引起感染、大出血或其它并发症。例如，对于需要用心脏起搏器矫正心律失常的年轻病人来说，在以后漫长生活中等待他们的将是频繁的手术。

　　因此，自供电起搏器长期以来一直是医疗设备开发人员追求的目标。将心跳振动转换为电能后为起搏器供电是一个最受欢迎的方法，也是全球许多研究项目的研究课题。

　　图 1：KAIST 正在开发的柔性压电式发电机艺术想像图，它将使自供电起搏器成为现实。

　　人的心跳可产生最高 30 Hz 的低频振动。由于收集器制造材料易碎，因此在如此低频下一直很难实现能量收集。今天的大量研究都是围绕如柔性高分子纳米材料等“智能”材料展开的。此外，可植入器件需要具有生物相容性，并进行多年测试和专门认证。

　　同时，压电式能量收集技术一般情况下在外部可穿戴设备中的潜力很大。体育设备和健康监视产品便是很明显的例子。用于监视人们在跑步、骑自行车和使用体操器械时的心率和心功能的监视器已很普遍。在医疗领域，手表、手链和补片正在更多地用于监视病人的心脏情况、糖尿病或其它慢性病。最近以来，谷歌眼镜 (Google Glass) 在医疗保健领域正表现出一定的潜力。

　　本文将回顾最近专门针对压电式心脏起搏器进行的研究开发，并特别介绍所用的材料和宣称的性能。这种技术在面向工业和消费应用时将如何发展，尤其在可穿戴设备方面，您在阅读本文后将会对此有一定的了解。

　　市面上的压电式能量收集设备的体积越来越小，因此更适用于可穿戴产品。现在，已有互补性电源管理电路可用来开发利用这些设备。我们看一个典型的设计方法，该方法基于 Midé Technology 的 Volture 系列压电式能量收集器和 Linear Technology 的 DC1459B 能量收集演示板。后者基于 LTC3588-1 压电式能量收集电源和相应的升压转换器。

　　更换电池

　　来自韩国科学技术学院 (KAIST) 的研究小组联合该国延世大学 (Yonsei University) 的 Severance 医院心脏科，开发出一种自供电人造心脏起搏器，该器件通过柔性压电式纳米发电机以半永久性方式工作。1在试验中，从微小运动收集到的电能可达到 8.2 V、0.22 mA。该研究小组用一大块单晶体 PMN-PT 薄膜制造高性能柔性纳米发电机。

　　一旦开发成功，这种柔性压电式发电机不仅能向心脏起搏器提供足够的电能，还可用于实时监视。该器件最终还可向其它类型的可植入医疗设备供电。

　　在美国(伊利诺伊斯州大学 Urbana-Champaign 分校)正在开发一种类似方法，他们采用了一种柔性压电式补片型设备设计，从人体的自然动作中收集能量。2这种补片内含一层由 500 nm 厚的锆钛酸铅 (PXT) 带制成的薄片，外缠金和铂金电极，封装在聚酰亚胺外壳中。

　　各种测试已经表明，这种生物相容性设备能从心跳收集足够的能量，向现代心脏起起搏器供电。现代心脏起搏器需要大约 0.3 µW 电能。当把这些补片固定到右心室时，结果证实这它们能产生 0.18 µW/cm² 的能量。这些补片可采用多层板结构，以产生更多能量。

　　在加拿大，滑铁卢大学 (University of Waterloo (UW)) 的研究人员正在开发一种宽带混合型能量收集器，该器件设计旨在大幅延长电池寿命，以减少所需的心脏手术次数。该设计的创新表现在，通过结合多种智能材料，将环境振动转换为电能，最终实现在更大的频率范围内工作。如果振动源的运动速率降低，则频率降低，且所产生的能量水平也随之降低。

　　然而即使在低频下，也能证实这种原型器件能继续利用振动源。在 8 Hz 至 12 Hz 频率范围内收集的能量可产生将近 1 mW 级的输出功率。目前的原型产品有望用于向无线传感器供电，这些传感器有助于探测建筑物的裂纹和损坏。

　　血压

　　巴黎第十一大学 (Université Paris-Sud) 正采用不同的方法来开发一种无引线囊状起搏器，这种起搏器直接置于心房内，而不是固定到心壁后再将引线放入静脉。所收集的能量来自血压的周期型变化效应，然后囊状起搏器的柔性封装将血液产生的压力传输至内部的 3D 静电变送器。这种方法的主要优势，也是研究人员所宣称的，就是其较大的功率密度、对心跳频率的适应性和可以小型化。

　　经实验测试证明，一个采用复杂电极形式的大行程优化型、压电式旋转变送器产生的功率密度为每周期 3 µJ/cm³。研究人员坚信经过进一步开发后，该器件能自动为下一代心脏起搏器提供充足的电能。

　　巴黎第十一大学 (Université Paris-Sud) 与 MANpower 项目组通力合作，后者是由爱尔兰科克大学 (University College Cork) 廷德尔国家研究所 (Tyndall National Institute) 领导的一个欧洲联盟。4 该项目已组投入重资，为医疗植入物开发可以永久性供电的器件。研发的关键领域是低频振动下的能量收集、高能量密度微能量存储、微型化和生物相容性封装。

　　进行成功的能量收集并向心脏起搏器供电的关键问题是，应确保压电器件不会干扰心脏正常工作，导致希望减轻的问题反而恶化，同时还应确保这些器件能工作十年以上。

　　技术渗透

　　这种高端技术将最终渗透到工业和商业应用中。微型化和能效是这些器件扩大使用范围的关键参数。当然，振动能量收集技术已广泛用于向各种远程感测设备供电，如机械、车辆和建筑的监视设备。这些设备已用于一些可穿戴产品(如训练鞋和其它体育设备)和健康监视设备中。

　　Measurement Specialties 已开发出各种类型的振动感测产品，其中的一些产品适用于可植入设备。针对更多可触及的工业和商业应用，该公司产品中还包括 Minisense 100 系列，该系列器件可集成到设备中用来监视监视生命体征。 1005939 是一种通过重量加载的低成本悬臂式振动传感器。该器件专为从 0 Hz 到 40 Hz 的低频工作而设计。

　　当悬臂水平安装时，由于悬臂尖端有惯性质量，垂直平面内的加速度会使悬臂弯曲。悬臂内的应力会产生压电反应，这种反应可在传感器的电极上以电荷或者输出电压的形式检测到。该器件总尺寸仅 18 x 7 mm。

　　Midé Technology 的 Volture 系列压电式振动能量收集器旨在满足日益增长的无线传感器网络的远程供电需求。这些器件能取代电池或作为能量存储源的补充，以延长维护期。 V22BL 的频率检测范围为 26 Hz 至 110 Hz，是该系列产品中频率最低的。

　　通过预先固定电气引线，再采用保护层封装器件，Midé 消除了一般情况下压电材料易碎的劣势，这也正是新型研究通过开发智能材料来竭力避免的特性。 Volture 收集器可靠耐用，采用全密封结构，适合各种苛刻的环境。

　　能够兼容 Linear Technology 的 LTC3588 压电式电源电路，是 Volture 系列的另一有用特性。实际上，Midé 的 EHE004 能量收集调节电路充分利用了 LTC3588，将其 Volture 收集器的 AC 输出转换为 DC 稳压输出。该器件包括一个全波整流器，并集成了电荷管理和 DC - DC 转换功能。其中，DC 输出可配置为 1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 3.6V, 且该板还包括一个 200µF 储能电容器。

　　LTC3588-1 被描述为一款毫微功耗能量收集电源，具有静态电流为 450 nA 的欠电压锁定模式以及较宽的滞后窗口，因此能在输入电容器上一直累积电荷，直到降压转换器能有效地将已存储的一部分电荷转换为输出。典型应用见图 2。

　　图 2：简单采样应用电路中的 LTC3588-1 压电式能量收集电源。

　　目前有许多评估板可用，包括采用 LTC3588-1 的 DC1459B-A 演示板。现有快速入门指南可供下载，该指南包含详细的工作原理和电路图。

　　总结

　　针对压电能量收集新材料所进行的研究，尤其在自供电起搏器和其它可植入器件方面，极有可能实现更小、更具柔性以及更高能效的器件，进而运用到工业、商业领域以及健康监视和体育设备的可穿戴产品中。

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