无线传感器网络、嵌入式系统、射频识别(RFID) 、无线通讯等技术发展迅速。在由这些技术组成的网络和系统中,微型传感器等无线元器件得到广泛应用。这些元器件一般数目庞大、位置分散、体积微小。因此,相应元器件要求其供电部分具有体积小、集成度高、寿命长甚至无需更换、无人看管等特点。传统电池体积大、质量大、供能寿命有限,能量耗尽需更换或反复充电 。近年来,微型高能电池蓬勃发展,它可以满足对无线元器件供能的需求,但是它的能量密度及供能寿命仍然有限。另外,对于一些需要长时间(工作时间以年为单位)工作的分散式、嵌入式元器件而言,更换电池极大地增加了成本,尤其是元器件数目较多,甚至由于位置偏远或难以触及(比如战场、人体内) 的原因而无法更换。
为了摆脱对电池的依赖而实现对无线元器件供能的要求,研究人员提出了微能量采集技术 。它是把周围环境中的能量转换为电能,为元器件供能。在各种能量源中,振动机械能广泛存在,且能量密度大,因此在微能量采集技术中,是一种比较好的选择。
振动机械能转换为电能的方法有三种:电磁式、静电式、压电式 ,其中压电式换能方式结构简单,便于MEMS 加工,能量采集密度大,且无需启动电压,在实际应用中满足嵌入式系统和无线传感网络的要求。
压电能量采集器的研究已经取得了一些进展。Glynne Jones et al . 提出了一种方法来设计和建立振动能量采集器, 它描述了一种体压电采集器。Roundy et al . 报道了一种微小压电悬臂梁结构(长9225 mm) ,它能在加速度2. 5 m/ s2 频率为120 的条件下产生375 μW 的能量。Sood 在他的论文中描述了一种压电微能量采集器。这种采集器利用d33模式把声能转换为电能,它的工作频率在20～40kHz ,能量输出约为1μW。以上已报道的能量采集器要么尺寸较大,属于非MEMS 范围;要么工作频率过高,只适用于特殊场合。因此,本文提出了一种基于MEMS 技术制作,工作于低频振动环境(频率小于1 000 Hz) 的压电微能量采集器,并通过一种能量采集电路完成了测试。
能量采集器结构及工艺
压电效应有两种: d31 和d33 模式[8 ] 。本文介绍了一种采用d33 模式制作的复合悬臂梁式结构,如图2 。它由Pt/ Ti 叉指电极, PZT 压电层, ZrO2 , SiO2和Si 层组成,在梁的自由端加一镍质量块,如图1 。其中叉指电极可以产生d33 模式的响应电场; ZrO2层作为绝缘层可以阻挡PZT 层产生的电荷泄漏。
图1 d33模式压电型微能量采集器结构图
