能量收集在很多情況下“幾乎不需要付出任何成本”，具有廣闊的應用前景。

然而，利用這種幾乎免費的能源為電池或超級電容器充電再為負載供電，仍然需要面對很多挑戰。

其中，“脈沖”振動尤其困難，其能量脈沖很快消失（高度衰減），因此難以捕獲。

據麥姆斯咨詢報道，日本大阪公立大學（Osaka Metropolitan University）工程研究生院的一組研究人員開發出了一種簡單而有效的方法，以利用步行等脈沖源的能量。

他們開發的壓電MEMS振動能量收集器（pVEH）的直徑只有約兩厘米，其U形金屬部件被稱為動態放大器（DM）。

與傳統的能量收集相比，他們開發的新型pVEH可將脈沖振動轉換的輸出功率提高約90倍。

他們面對的挑戰是開發一種非諧振型pVEH，能夠應對時變和隨機振動，這些振動代表了現實世界中的大部分振動。當施加的振動頻率與諧振頻率略有不同時，具有高機械品質因數（QM）的pVEH輸出功率會急劇下降。

為此，業界已經提出了各種方法來克服這個問題。

例如，通過集成具有不同諧振頻率的多個線性pVEH以拓寬頻率帶寬，開發一種能量收集陣列結構來覆蓋多個頻率。

另一種可能的方法是采用非線性振動效應。非線性彈簧已經用于磁性尖端質量或雙穩態結構，以及使用可移動檢測質量進行電氣或機械調節的自諧振調諧（SRT）。

然而，電氣SRT的控制需要能量，而機械SRT的機制很復雜。

2 DoF振動系統

雖然這些方法對連續的隨機振動很有用，但當沖擊力非連續時，它們就不適用了，而且這種情況經常發生。盡管采用大檢測質量可以提高輸出能量，但這對于MEMS pVEH來說不是一個好的選擇，因為MEMS工藝不適合制造大尺寸器件。

此外，所需壓電薄膜的厚度會隨著檢測質量的增加而增加。

為了增強由脈沖力驅動的MEMS pVEH的輸出能量，研究人員模擬了一種具有重疊振動模式和諧振的二自由度（2 DoF）振動系統，原理上應該能夠大大增強能量回收和收集。

利用2 DoF系統中pVEH集總參數模型評估關鍵參數不同值的性能

根據建模結果，包括兩個振動振蕩器（2 DoF）的耦合度，他們構建了一個MEMS器件和一個尺寸合適的動態放大器。

由于材料和壓力的本質不同，這兩個功能塊被構建為單獨的器件：壓電MEMS器件使用Pb（Zr, Ti）O3和BiFeO3薄膜，而動態放大器使用不銹鋼來減少內摩擦（這是影響動態放大器品質因數的因素之一）。

此外，動態放大器需要一種振動模式以在pVEH的諧振頻率附近與懸臂結構進行過渡運動，從而可以有效地將存儲的能量傳遞到pVEH。為此，研究人員開發了一種U形動態放大器。

U形2 DoF pVEH結構和制造，（a）使用有限元建模的振動模式分析，（b）動態放大器位移和輸出功率對振動頻率（c, d）的依賴性。

測試

研究人員利用振動發生器和加速度計對他們制作的裝置進行了測試，并通過連接到鎖定放大器的激光位移傳感器測量了位移。利用鎖定放大器測量了與MEMS pVEH連接的負載電阻兩端的輸出電壓。

結果表明，對于現實世界的非平穩（脈沖）振動以及諧波振動，與傳統的單自由度（1 DoF）版本相比，2 DoF pVEH可以將輸出功率提高近兩個數量級。

與傳統1 DoF技術相比，2 DoF方案實現了顯著改進

審核編輯：劉清