按壓微型壓電自發電系統的研制

應用壓電材料設計了一種按壓式機電轉換結構，將其產生的輸出電壓控制在 50 V 以內，便于能量轉換和收集。在此基礎上，設計并開發了一塊電荷能量轉換和收集電路，將產生的交變電壓轉換為穩定的電壓，為低功耗電子系統供電；最后對其發電性能進行測試分析。實驗測試結果表明，所開發的按壓微型壓電自發電系統能產生平均功率為 0.413 μW 電能，可以為各類低功耗電子設備提供能源。

Abstract — A pressing miniature piezoelectric self-generating system is designed and developed， which can be used as power supply for various low power electronic systems. A pressing electromechanical conversion structure is designed by using piezoelectric materials， whose output voltage is controlled within 50V to facilitate energy conversion and collection. On this basis， a charge energy conversion and collection circuit is designed and developed to convert the generated alternating voltage into a stable voltage for low power electronic systems. Finally， the power generation performance is tested and analyzed. The experimental testing results show that the developed piezoelectric self-generating system can generate an average power of 0.413μW， and can provide energy for various low-power electronic devices.

Index Terms — energy conversion circuit， piezoelectric materials， pressing type， self generating.

0 引言

能源短缺問題是人類面臨的重要難題之一，尋找各種新型清潔能源成為當務之急。利用壓電材料的正壓電效應可將一些機械能轉換為電能，通過對所產生的電能進行轉換和收集，可為各種低功耗電子系統提供電源［1-12］。本課題利用壓電材料設計并制作一套按壓式機械能到電能的轉換結構，并按此轉換裝置的輸出電能特性設計和開發一套電能轉換和收集電路，最后對所開發的按壓式壓電自發電系統的發電性能進行測試和分析，為后續工程應用提供理論和實驗基礎。

1 按壓壓電發電裝置的設計

利用壓電材料的 d33 正壓電效應設計和開發一款按壓微型壓電自發電裝置，用于將各種按壓機械能量（如手動按壓、機構按壓等）轉換為電能。

按壓微型壓電自發電裝置的發電能力和使用壽命不僅取決于壓電材料性能，也取決于其幾何尺寸及受力狀態。因此，在結構設計時需要按照壓電材料性能要求、壓電材料表面處理要求、壓電元件受力要求等進行合理的設計，以滿足發電要求和使用壽命。

1.1 結構設計

所設計的基于壓電材料的按壓壓電發電裝置結構。

（1）按壓機構。所設計按壓機構，用于將外部按壓的機械能通過彈簧機構集聚后瞬間釋放，撞擊壓電元件，使壓電元件在兩個電極之間產生電荷能量。另外，該按壓機構在完成一次按壓發電后，后續則在另一彈簧作用下使其恢復到初始狀態，以便進行一下次按壓發電。

考慮到按壓時所產生的輸出瞬時電壓不能過大（不能超過 50 V），以便后續電能轉換和收集，要求按壓機構的瞬時沖擊力不能過大，為此合理設計了按壓沖擊彈簧的彈簧系數，其剛度設計為 5.0 N/mm，以確保沖擊力滿足發電要求，又不會損壞壓電元件。

（2）壓電元件。壓電元件是由兩個 PZT 壓電陶瓷圓柱在結構上串聯、在電路上并聯而成，其一端與金屬底座相連，用作地線，另一端直接引出，用作高壓電極。

這樣所產生電荷能量為一個 PZT 壓電陶瓷圓柱 2 倍，而且絕緣處理只需處理好一個高壓電極即可，用作地線的電極不用處理。壓電材料的連接端面必須相互平行、且垂直于軸向，并盡可能光滑，無任何凹凸痕跡。

（3）金屬底座。金屬底座用來保護壓電元件，使其在圓柱端面上受力均衡，延長其使用壽命。另外，它還用作壓電元件的輸出地極，避免對其進行絕緣處理。金屬底座材料需要符合的條件為：與 PZT 材料聲阻抗接近，這樣可獲得良好的聲匹配；有較好的彈性，在受力時有形變但應變量不大。本課題選用銅作為金屬底座的制作材料。另外，在加工制作時需要將金屬底座內部面向壓電元件的表面處理的平坦和光滑，其粗糙度不得大于 Ra＝0.2。

（2）塑料外殼。塑料外殼主要用來承受按壓外力，保護壓電元件、輸出電極等結構元件。

塑料外殼需要滿足的要求為：其擊穿電壓至少應為壓電按壓裝置產生的峰值電壓的兩倍；具有良好的防水性；具有良好的耐溫性。本課題選用的塑料外殼材料為聚乙烯，它適合于注塑外殼。

（5）輸出引線。輸出引線是壓電材料的兩個輸出電極，用于將所產生的電荷能量輸送出來，一個是高壓電極、一個是地極。輸出引線的電容和漏電阻，兩者都取決于引線的長度和所用絕緣材料的質量。因此，引線一定要盡可能短。為了避免高壓引線和有鋒利棱角的金屬零件接觸，在實際中應將引線固定。

1.2 加工制作

設計的結構，按壓微型壓電自發電裝置制作如下。

（1）按壓機構。按壓機構主要由兩個彈簧、兩個撞擊塊和按壓結構構成，用于將按壓機械能量經過集聚后釋放出來，撞擊壓電材料以產生一定的電荷能量。

（2）壓電元件。本課題所選用的壓電元件材料為 PZT，其幾何結構為壓電陶瓷圓柱，具體如圖 2 所示。加工制作時，如果 PZT 壓電圓柱表面絕緣程度不夠，則沿圓柱體壁的跳火放電是不可避免的，這樣就大大地降低了輸出能量或根本不輸出。因而，PZT 壓電圓柱在裝配前必須充分清洗，其程序是：水-酒精-汽油。清洗后在其壁上涂上一層絕緣材料，常用選用硅脂。為了能夠滿足發電能力和使用壽命，對該壓電陶瓷圓柱的兩個表面需要進行處理，使其達到一定的光滑程度，且兩個端面垂直于中心軸。

（3）金屬底座。金屬底座用銅質材料制作，用于保證其具有一定彈性和良好導電性，用作地極。

（4）塑料外殼。塑料外殼用聚乙烯材料制作而成，滿足按壓微型壓電自發電裝置對絕緣性、防水性、防高溫等特性要求。

（5）輸出引線。地線從金屬底座引出，高壓電極從壓電材料另一端引出，用于將壓電材料所產生的電荷能量輸送出來。，將上述各元件組裝起來，便得到本項目所要制作的按壓微型壓電自發電裝置實物。

2 能量轉換收集電路設計

本項目的能量轉換電路是利用分立電子元器件進行設計和開發一款電路系統，用于對壓電發電裝置的輸出電能進行轉換，以產生穩定的輸出電壓。

2.1 電路原理設計

壓電材料能量回收原理電路基本。

2.2 電路開發制作

3 壓電發電系統發電性能測試

壓電發電測試系統主要用于對本項目中各類基于壓電材料的微型發電系統的發電性能進行測試和分析，以便有效評估所設計的各類壓電發電裝置的發電性能。

3.1 發電性能測試系統設計開發

根據上述測試參數及對其測試范圍的初步分析，選擇美國是德公司的 CX3324A 型“器件電流波形分析儀”來對本課題中的各項參數進行測試和分析，以便對各類壓電發電裝置的發電性能進行測試、分析和比較。

美國是德公司的 CX3324A 型“器件電流波形分析儀”可測量電壓、電流（10 nA 級）信號波形，并可對電壓、電流信號進行各類數據分析和處理，實現對其功率、電能的測量和分析。

（1）壓電發電裝置發電性能測試系統設計。壓電發電裝置發電性能測試系統設計框。

（2）壓電發電裝置發電性能指標分析。① 輸出電壓特性：測量壓電發電裝置所產生電源的電壓波形，U（V）。② 輸出電流特性：測量壓電發電裝置所產生電源的電流波形，I（A）。③ 輸出功率特性：基于壓電發電裝置的電壓波形和電流波形，測量其輸出功率特性，P＝U×I（W），P（t）＝U（t）× I（t）（W）。④輸出電能特性：基于上述壓電發電裝置的瞬時功率波形，對從開始產生電能到產生電能結束這段時間內的電能大小進行測量（積分），W＝P×t（J），W＝∫0t P（t）dt（J）。

3.2 壓電發電裝置發電性能測試

根據壓電發電測試方案，對所開發的按壓壓電微型發電裝置的發電性能進行實驗測試，以便對其測試結果進行數據分析，對其發電性能進行評估和比較。

應用美國是德公司的 CX3324A 型器件電流波形分析儀所構建的壓電按壓裝置微型發電系統發電性能測試系統實物。另外，該壓電按壓發電裝置在各次按壓發電時，其沖擊壓電材料的作用力大小和作用時間有所不同，導致其每次發電效果會有所差異（但基本上處于同一數量級），且每次按壓后的發電量微弱，難以用一次按壓的發電結果來有效表征其發電能力。

為此，課題組將該壓電按壓微型發電裝置的每次發電時間設定為 20 s，并按照正常的按壓頻率進行按壓，按壓頻率設定為 0.5～1.0 Hz 之間，也就是說在每次 20 s 的發電時間內完成 20 次左右的按壓。最后對其在 20 s 內按壓 20 次后的發電性能進行測試和記錄，以避免單次按壓發電時所出現的較大差異，便于對其發電性能進行評估和比較。

（1）實驗測試曲線。在實際測試過程中，課題組按照一次 20 s 的發電時間，對其進行了多次發電測試和記錄，其中一次發電后的發電性能曲線。

（2）測試數據分析。按照每次發電測試曲線上的測試數據，所開發的按壓壓電裝置發電性能測試結果如下表 1 所示，此處只列出了 5 次發電測量結果。由表 1 可以看出，所研制的壓電按壓微型發電裝置每次按壓可產生平均功率為 0.413 μW、輸出電能為 8.252 μJ 的電能。在實際應用過程中，可以通過反復多次按壓該壓電按壓微型發電裝置，讓其產生更多的電能。

4 結語

設計一款新型按壓微型壓電自發電裝置，所產生電壓控制在 50 V 以內，便于能量的轉換和收集。同時，設計并開發了一塊電荷能量轉換和收集電路，將所產生的交變電壓轉換為穩定的電壓，為低功耗電子系統供電。

實驗測試的結果表明，所開發的按壓微型壓電自發電系統能產生平均功率為 0.413 μW 電能，可以為低功耗電子系統提供能源。
責任編輯:pj