（吉林农业科技学院 机械与土木工程学院 吉林吉林 132021）
摘要：随着现代化脚步的加快，微电子技术的快速发展。普通的电池由于对环境能产生很大的污染，输出能量小，体积笨重等原因已被逐渐淘汰，压电薄膜俘能器以其环保，能便捷的获取能量等特点得到了快速的发展。从压电俘能器的压电材料出发，总结影响产能的几大材料：压电陶瓷(PZT)、压电晶体(piezo-crystal)、压电复合材料PVDF。用MATLAB、ANSYS仿真软件对其数学模型、结构进行仿真 。阐述俘能器的结构设计以及俘能器的俘能效果。
关键词：压电薄膜；俘能器；压电材料；能量收集；仿真分析
Abstract：With the acceleration of modernization , The rapid development of Microelectronics Technology.Ordinary batteries have been phased out gradually due to environmental pollution, small output energy and bulky volume.Piezoelectric thin film traps have been rapidly developed due to their environmental protection, easy access to energy and other characteristics.Starting from piezoelectric materials of piezoelectric traps, several important materials affecting productivity are summarized: piezoelectric ceramics (PZT), piezo-crystal and piezoelectric composite PVDF.MATLAB and ANSYS simulation software are used to simulate its mathematical model and structure. The structure design of the energy trap and its energy trapping effect are described.
Keyword：Piezoelectric thin film Energy harvester Piezoelectric materials Energy harvesting Simulation analysis.
1.引言
随着科技的迅猛发展，微电子技术，自动化技术及计算机技术日渐融合，成为当今社会科技领域的重要支柱技术，任何领域的研发工作都与这些技术紧密联系，而他们的相互交叉，相互渗透，也越来越密切。低功耗智能传感器越来越受到人们的关注，广泛应用于航天航空、无限通讯、国防军工、汽车交通、工业制造等各行各业[1-2]。目前，微电子设备的主要电源仍是化学电池。然而，由于传统化学电池体积大，不利于微型化，增加了微型传感器件的尺寸和重量；另外，电池使用寿命有限，定期更换电池会带来诸多麻烦，也会带来材料浪费和环境污染等问题。因此，从周围环境中收集能量逐渐变为当前研究热点，因为它不仅可解决能源可持续发展的问题，而且对环境友好，便于获得[3-5]。这些能源主要包括太阳能、热能、机械振动等[6-7]。生活处处存在震动能，小到人体脉搏的振动。其获取非常便捷。最容易获得、随处可见的动能就是人走路过程中产生的振动能。我们把可以将环境中的振动能转换为电能的能量收集装置称为俘能器[8]。
2.PVDF的性能指标
居里兄弟在1880年发现石英晶体具有压电效应，1946年，麻省理工大学(MIT)发现了压电陶瓷(PZT)，因为其压电系数大、稳定性高、易于加工等杰出特征，得到了普遍应用，处于引导地位。
3.压电薄膜结构
悬臂梁结构在压电俘能器的制造中应用最为广泛。悬臂梁结构主要用于从振动中俘获能量。悬臂梁结构的优势在于，在振动环境中，其压电层可以产生很大的应变，从而获得较大的能量输出，且其制造相对简单；在悬臂梁顶端加质量块可降低其固有频率，并随着悬臂梁个数的增加，能够达到拓宽工作频带的效果，从而提高压电俘能器的输出能量。在发电结构上，本项目拟采用带有质量块的悬臂梁阵列结构。
加泰罗尼亚理工大学的Mateu等人对悬臂梁的形状做了详尽研究，发现三角形悬臂梁比矩形悬臂梁能承受更大应力并且产生的形变更大。Goldschmidtboeing也证明了三角形悬臂梁比矩形悬臂梁更高的俘能效率。另外，Roundy等人发现梯形悬臂梁的输出功率大于矩形悬臂梁的输出功率。
图1：压电薄膜平面图 图2：压电薄膜立体图
电路方面选择三倍压电路，此电路能在较小的电流下，能提供高于变压器次级输入的交流电压幅值倍数直流电压，可以避免使用变压比很高的升压变压器，整流原件的耐压相对也比较低。就是利用电容的充放电效应工作的整流方式。系统整体框架如图3所示。
图3：系统框图
图4：多悬臂梁频率与输出电压峰值
4.仿真结构与分析
多质量块单悬臂梁在15Hz处取得输出峰值，多质量块多悬臂梁分别在10Hz、40Hz左右处取得输出峰值，且峰值均满足小灯泡亮的最低电压，俘能器输出的交流信号经过能量收集电路处理后，用万用表测量负载两端电压，与仿真结果的变化趋势一致。如下的图4所示。
5.结语
着重分析了PVDF压电薄膜的各项性能参数，以及其在获取能量发面比其他才材料的优势，通过压电薄膜的工作原理，性能指标以及三角形机构理论分析且证实了其在生活中的可行性，且就其原因作了简要的说明。但俘能器能力有限，以下对其提几点建议：内在：1.进一步的改进一下俘能器的结构，降低。2.改进能量收集管理电路，提高能量的转换率。
参考文献
[1]张祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感网络器综述[J].通信学报,2004,25 (4):114-124.
[2]方科,李欣欣,杨志刚,程光明,阚君武.压电式能量获取装置的研究现状[J].传感器与微系统,2006,2(l0):7-9.
[3]M. J. Guan, W. H. Liao. On the Efficiencies of Piezoelectric Energy Harvesting Circuits Towards Storage Device Voltages[J]. Smart Materials and Structures, 2007, 16(16): 498-505.
[4]V. R. Challa, M. Prasad, F. T. Fisher. ACoupled Piezoelectric -Electromagnetic Energy Harvesting Technique for Achieving Increased Power Output through Damping Matching[J]. Smart Materials and Structure, 2009, 18(9): 095029.
[5]S. P. Beeby, R. Torah, M. Tudor, P. Glynne-Jones, T. O'Donnell, C. Saha, S. Roy. A Micro Electromagnetic Generator for Vibration Energy Harvesting[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering, 2007, 17(7): 1257-1265.
[6]S. Roundy, D. Steingart, L. Frechette, P. Wright, J. Rabaey. Power sources for wireless sensor networks[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2004, 2920: 1-17.
[7]S. Whalen, M. Thompson, D. Bahr, C. Richards, R. Richards. Design, fabrication and testing of the P3 micro heat engine[J]. Sensor and Actuators, 2003, 104(3): 290-298.
[8]岳国强. 悬臂梁式压电俘能器俘能性能的仿真与实验研究[D]. 黑龙江: 哈尔滨工业大学,2011.
基金项目：吉林农业科技学院国家级大学生科技创新项目（20181 1439022）。
论文作者:杨康,肖萌,马宇科
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/22
标签：悬臂梁论文; 能量论文; 薄膜论文; 结构论文; 峰值论文; 吉林论文; 角形论文; 《电力设备》2019年第10期论文;