智能可穿戴式压电能量采集器的研究现状

31前沿物理智能可穿戴式压电能量采集器的研究现状曾周1,2，罗浩苏1（1.中国科学院上海陶瓷研究所201800; 2.中国科学院大学100049）1.简介低近年来，耗电微电子设备发展迅速，尤其是在人体健康检测系统，嵌入式系统和军事安全应用系统中. 这些设备依靠传统的电化学电池来提供能量，例如锂离子电池，聚合物电池等. 如表1所示，随着复杂数字系统集成技术（IC）和微机电技术（MEMS）的飞速发展，微电子器件的尺寸和能耗大大减小，达到了微瓦和毫瓦的水平. 然而，由于它们的大尺寸，这些设备的电源已成为其发展的瓶颈之一. 据统计，自1990年以来，半导体工艺中芯片的存储容量增加了10倍，而电池能量密度仅增加了3倍，如图1（a）所示. 低能量密度化学电池已成为限制这些微功率器件向小型化和集成化发展的重要因素. 此外，化学电池的使用寿命有限，需要定期更换. 对于某些特殊应用，例如嵌入衣服，人体和动物中的电子系统等，更换电池是相当困难的，甚至是不可能的. 对于某些野外游行者或游客来说，电子设备的电源故障可能对生命安全甚至战争造成巨大威胁.

在这种情况下，研究人员尝试使用其他能源供应方法来替换化学电池或延长其使用寿命，以确保低功率电子设备的正常运行. 表1一些低功耗智能设备能耗表产品小型FM收音机Walkman手机通话/待机LED灯珠蓝牙功耗（mW）30 60 2000/3560 60〜70能量收集非常有效且环保. 该技术是将环境中广泛分布的一种或多种能量（包括热能，风能，声能，水能，太阳能，电磁波，光，机械振动能和人类活动能等）转换为能量电能，然后直接为电子设备供电或将其存储在电容器，超级电容器或可充电电池等储能设备中. 如今，随着石化产品能源的日益减少，世界各国都在大力开发各种可再生能源，例如太阳能，风能和潮汐. 能量回收技术已引起人们越来越多的关注. 有多种方法可以从各种能源中收集能量，例如使用压电材料，电磁感应，静电，太阳能，射频辐射，温差能量等. 每种方法可以以不同的方式提供能量，每种方法有自己的优点和缺点. 图2是当前环境中一些能源和化学电池的比较. 从图2中我们可以看到环境中振动机械能的能量密度. 图1化学电池技术的发展和一些低功耗电子产品的DOI: 10.13405 / j.cnki.xdwz.2016.06.00832现代物理学知识可以达到普通水平化学电池相当水平，分布广泛，并且不会随天气和时间因素而变化，并且非常稳定；特别是在某些嵌入式或封闭空间中，机械振动能是独特且不可替代的.

在低功耗电子设备所在的环境中，人体运动产生的机械能是最稳定的能源. 表2显示了某些人体零件处于活动状态时产生的功率. 可以看出，这些能量是相当大的. 因此，如果可以有效地收集在人类活动期间产生的能量并且准备了可穿戴的自助式电源系统，则可以为这些低功耗电子设备实现自供电. 在所有收集振动能量的方法中，利用材料的压电特性将机械能直接转换为电能是当前收集能量最直接，最有效的方法. 材料的正压电效应意味着压电材料在受到外力时会在材料表面产生感应电荷. 利用材料的压电效应，可以收集人类活动的能量，为智能可穿戴设备和健康监测设备供电，从而可以实时监测人类健康；或在人们不方便充电时存储电能，为电子设备供电. 表2人体某些部位运动时产生的能量. 运动部件: 脚踝，膝盖，脚趾，小脚趾，跳跃，肩膀和肩膀（W）69.8 49.5 39.22.1 2.2国防高级项目研究机构（DARPA）首次提出了使用压电装置的概念“行进动力”的概念就是要使用士兵行进来产生能量，以自行为其电子设备供电. 2009年，英国军方率先发起了一个名为“无电池士兵”的研究项目.

该计划试图利用压电设备收集行军期间士兵产生的能量，并将其转换为电能，以存储在某些电子设备中，例如蓝牙，通信设备，夜视设备等. 为了减少军用电池的目的（通常大于10公斤）是为了减轻士兵的负担并确保为他们供电. 韩国科学技术高等研究院（KAIST）也在积极研究柔性能量收集器，试图利用它来收集人体的内部和内部动能，例如关节屈伸，肌肉收缩甚至，血管搏动等. 能量在体内，可穿戴式低功率电子设备或内部健康检测传感器提供能量. 由于压电式能量收集器不仅不污染环境，而且满足了和谐的绿色低碳社会的发展需求，并且效果显着，因此在世界范围内也有许多成功的应用案例，研究与开发中国相关产品的开发也在不断完善. 2.穿戴式压电能量采集器穿戴式压电能量采集器的核心是压电材料，其基本工作原理是: 人体通过跑步，跳跃，踏步，踩踏，弯腰等各种运动来传递运动产生的动能传递给可穿戴式压电能量收集结构，引起结构变形，然后结构将变形传递给压电材料，引起压电材料内部的电偶极矩发生变化，从而产生感应电荷，此时，电荷通过外部电路提取并直接使用，或者先存储然后使用，如图3所示. 通过以上分析，可以看出压电集电器分为三个部分: 振动能量吸收与传输模块，机械功率转换模块以及功率提取与应用模块e.

这三个模块需要压电集电器解决的关键问题: 1.声阻抗匹配； 2.高效机能转换； 3.电阻抗匹配. 声阻抗匹配是指设备的共振频率必须与环境振动源相匹配，以便利用共振来确保声能最大程度地传输到压电材料. 图2几种不同环境能源和化学电池能量密度的比较33物理领先的高效机器能量转换意味着压电材料需要以最佳模式工作，并且该材料的压电性能高达有可能确保更高的转换效率；电阻抗匹配是指设备的内部电阻和后面电路的阻抗，以确保将尽可能多的功率传输到负载. 从图中的能量流过程的角度来看，某些过程可能会相互制约，因此需要综合考虑这三个过程来设计具有最高综合转换效率的压电器件. 下面我们将从这三个方面阐述可穿戴式压电能量收集器的发展状况. 2.1压电材料的压电性能是，当压电材料在外力作用下变形时，在其某些表面上会出现与外力成线性比例的电荷累积，如图4所示. 通常在压电能量收集器中，压电材料的两种工作模式: 3-1模式和3-3模式. 前者是指横向长度拉伸模式，即，在长度方向上施加力并且在厚度方向上收集电荷. 该模式通常伴随材料弯曲或纵向拉伸和压缩. 后者是指在厚度方向上收集电荷时在厚度方向上施加外力.

此模式通常伴随着材料厚度方向的压缩，例如踩踏时. 如果我们将其与外部负载连接，电荷会由于中和而产生瞬时电压和电流. 然而，由压电效应产生的电能通常相对较低，通常仅达到微瓦至毫瓦的水平. 这主要是因为压电材料是在准静态状态下具有电容特性的介电体，并且内阻大，导致小电流和低输出功率. 另一方面，材料的压电性能也很大程度上决定了其输出功率. 市场上常用的压电材料是PZT陶瓷，BaTiO 3陶瓷，弛豫铁电单晶PMN-PT和有机材料PVDF. 由于批量生产的优势和高压电性能，自20世纪初期以来，PZT陶瓷已成为使用最广泛的压电材料，并且基于PZT陶瓷的压电能量收集器也得到了快速发展. 另一种压电材料PVDF是一种具有极大灵活性和人体工程学的有机材料. 它更适合于制备可穿戴的柔性压电能量收集器，但由于其压电性能低而受到限制，目前已在距离应用中使用. 距离更长. 根据准静态工作压电能量收集器的输出能量公式: 其中，U是设备的输出能量； d是压电电荷常数，表示压电材料在每单位面积的力下可产生的电量；表征压电材料在单位面积的力下可产生的电压； F是外力； A是外力作用表面的面积.

可以看出，能量密度因数dg是测量压电材料输出功率的重要指标. 从表3中可以看出，与普通压电材料相比，弛豫铁电单晶铌酸铅-钛酸铅xPb（Mg 1/3 Nb 2/3）O 3-（1-x）PbTiO 3（缩写为PMN- PT）具有很高的能量密度因数，非常适合用于压电能量收集器，因此它也是近年来研究的热点材料. 表3几种常用压电材料的性能参数压电材料d 33（pC / N）g 33（10 -3 Vm / N）d 33·g 33（10 -15 m 2 / N）d 31（pC / N） g 31（10-Vm / N）d 31·g 31（10 -15 m 2 / N）BaTiO 3 149 14.1 2100 78 5 390PVDF -33 330 10890 23 216 4968PZT-5H 593 19.7 11682 -274 -9.1 24930.7 PMN- 0.3PT2000 34.2 68400 1883 53 99347图3压电式能量收集器的工作原理图4压电式能量收集器中的压电效应和压电材料的常见工作模式（3-3模式和3-1模式）34现代物理学知识2.2器件结构为了设计一种可回收人类活动能量的压电能量回收设备，我们必须首先研究各种潜在的人类活动能量.

研究表明，脚踝，膝盖，臀部，肘部和肩膀的运动都可以产生69.8 W，49.5 W，39.2 W，2.1 W和2.2 W的能量. 由于我们当前的能量振动源是人体，因此运动频率通常约为几赫兹，通常比能量收集器的固有频率低一个数量级，因此可穿戴式压电能量收集器的工作状态目前研究的一般是准静态的. 这些部件的运动能量可穿戴式压电能量收集器可分为两类: 刚性结构和柔性结构. 该分类基于设备本身的灵活性和操作特性. 刚性装置通常具有较小的变形，但是输出性能较高. 通常的工作模式是挤压，也有弯曲模式. 柔性装置的变形非常大，最重要的操作模式是弯曲模式，并且还存在少量挤压. 近年来，由于更加注重舒适性和效率，可穿戴式压电能量收集器的研究重点已从刚性设备逐渐发展为柔性设备. 2.2.1刚性设备除了研究潜在的人类动能之外，许多研究人员还从理论上分析和开发了压电能量回收设备来回收人类活动能量. 2001年，Shenck和Paradiso在鞋子中安装了压电能量回收装置，如图5（a）所示. 在确保鞋子舒适性的前提下，将偏二氟乙烯（PVDF）压电材料埋入鞋子的前部，并将预压缩的PZT压电单芯片安装在鞋子的根部.

连接到PVDF的负载电阻为250 kohm. 当步行频率为0.9 Hz时，PVDF的平均输出功率为1.3 mW. 基于2个PZT压电单片的压电结构，平均恢复功率为8.4 mW. 为了进一步说明压电发电靴的可行性和实际意义，将RF节点（可以发出可识别的代码或ID）安装在靴的后部，并使用RF节点为RF节点供电走路时穿压电鞋可以满足沟通需求. 在2005年，Platt等人. 开发了用于膝关节假体的压电能量回收装置和压电传感器，如图5（b）所示. 通过模拟人体行走时膝盖关节的压力，对该设备进行了实验研究，回收功率可以达到0.85 mW. 回收的电力可以完全满足膝关节假体内部微处理器的需求（将传感信息传输到外界）. Feinstraa（Feenstraa）和其他人设计了一个“悬挂负荷”背包，如图6所示. 通过将垂直负荷下的机械能从20千克转换为38千克，将其转换为电能，在正常的行走过程中它可以产生7.4 W功率，是普通行走的300倍压电靴装置（20 mW）. 这种发电设备可以帮助科学家，探险家和救灾人员摆脱繁重的设备电源和电池，并提高他们在偏远地区使用电子设备的能力.

2.2.2柔性装置由于人体运动主要是一种传递应力的方法，会产生较大的变形，因此通过适应人体吸收动能的柔性压电装置成为当前研究的热点. 在早期，我们将压电柔性设备称为纳米发电机. 2006年，王中林教授的研究小组发明了压电纳米发电机，该压电纳米发电机使用ZnO纳米线将机械能转化为电能. 具体工作原理如图7所示: 当ZnO纳米线在从单线集成到水平纳米线阵列集成，垂直纳米线阵列集成以及实现机械运动源和压电的特性纳米线不需要直接接触即可收集非接触式机械能. 由于ZnO的压电性能不高，因此大多数基于ZnO的压电能量收集器设备的输出功率非常低，能量收集效率却相对较低. 无机材料易碎，容易疲劳破坏. 因此，通过改变材料和器件结构而具有高压电气性能，高灵活性和高可靠性的压电能量收集器是下一代纳米发电机开发的主题. 人们正在尝试探索高压电气性能材料的纳米发电机. 其中，含铅压电陶瓷PbZr 0.52 Ti 0.48 O 3（PZT）由于具有较高的压电系数和in的残余极化矢量，因此被广泛用于机械能电转换器件中.

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