面向无线传感网络的滑动式自调频多向振动能量采集器机理与应用研究

Piezoelectric vibration energy harvesters can convert ambient vibratioin energy in the environment into electrical energy. So it can be used to solve the problem of long-time powering for various micro sensors and actuators in Internet of Things, implantable device and so on. However, these devices can only scavenge vibration with one direction and the bandwidth is also too narrow. These two questions are limiting its practical application. This proposal presents a new design of a self-tuning and multi-directional vibration energy harvester on the flexible and cylinder-shaped substrate. The movable oscillator can be used to adjust the natural frequency of the vibration system so that the energy harvester can work with wider bandwidth. And the array of piezoelectric elements with radial distribution can harvest the vibration from different directions. This proposal will use the 3D micromachining technique to fabricate the prototype, and then the self-tuning mechanism of the vibration system and the rules of harvesting multi-directional vibration are disclosed. The prototype will be used to power micro sensors in pratical wireless sensor networks. It is hopeful to solve the problem of long-time powering for low-power-consumption devices using the results of this project. The theoretical results also can be used to guide the research of other energy harvesting techniques.

微型压电振动能量采集器可以把环境中存在的各种振动能转换为电能，是目前解决物联网用传感器、植入式传感器等各种低功耗电子器件长期供能问题的主流方案之一。然而，多数器件工作带宽过窄且只能采集单方向振动，因此已成为限制其实际应用的瓶颈问题。在大量前期工作基础之上，本项目提出一种基于柔性圆柱基底的自调频多向振动能量采集器的新型集成设计，利用环形可滑动振子的自调频功能实现能量采集器的宽频带工作，并利用圆柱表面径向分布压电阵列微结构有效采集多向振动能量。项目将借助三维微纳加工技术研制出性能良好的自调频多向振动能量采集器，并揭示可滑动振子自调频的内在机理和径向分布压电阵列采集多向振动能量的规律,最后将其应用到无线传感网络中为各种微型传感器供电。本项目成果对于解决各类低功耗电子器件的长期供能问题并推进其应用具有深远的科学意义和促进作用，其理论研究成果对研究其他振动能量采集技术也具有重要指导作用。

随着微电子技术和集成电路技术的快速发展，各种各样的低功耗无线传感器/执行器正广泛地应用在现代生活的各个方面。如何为成千上万的这些微器件长期高效供电，成为需要解决的关键科学与技术问题。微型压电式振动能量采集器（PVEH），利用压电效应，可以把环境中存在的各种振动能转换为电能，从而为微器件供电，是目前可能解决上述问题的主流方案之一。但是，现在大多数能量收集器件存在带宽过窄、振动收集方向单一的缺点。针对这一问题，本项目提出了一种基于柔性圆柱基底的自调频多向振动能量采集器的新型集成设计方案。利用可滑动质量环或者固液混合体的自适应运动自调节系统的固有频率，大大拓宽了器件的频带宽度。相比于传统的线性能量采集器件，带宽提高了6倍。利用径向分布压电阵列实现了二维振动能量的有效收集。在这里，我们第一次提出“角度带宽”的概念来描述器件收集不同方向振动能量的能力。相比于传统的悬臂梁式能量收集器件，基于径向分布压电阵列的PVEH的角度带宽增加了61%。同时，该PVEH还可以利用压电单元的电压和之间相位差来判断振动方向，从而做为一个振动方向传感器使用。建立了利用磁控溅射技术制备AZO透明导电薄膜和ZnO压电薄膜的工艺规范。AZO薄膜的透射率最高可达80%，电阻率最小为1.65×10-3Ω•cm。进而在不同基底上制备出了基于AZO/ZnO/AZO的透明压电多层结构，并且用于上述的压电PVEH中。另外，提出了一种新型的可实现方向自调节的PVEH，测试结果表明该器件收集面内360度方向振动能量的能力基本相同，器件的角度带宽得到大幅提高。本项目成果对于解决物联网中大量低功耗无线传感器等的自供电问题有很大的促进作用，也对其他类型能量收集器件的功能提升具有重要的指导作用。