基于壓電效應的傳感器自供電

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器節(jié)點供電問題變得尤為突出， 由于傳感器節(jié)點分布廣泛，常常分散在惡劣的野外環(huán)境中，布線或更換電池成本過高[1]。因此，能量收集技術(shù)成為了國內(nèi)外研究的重點。能量收集技術(shù)就是吸收環(huán)境中所未能利用的能源，將其轉(zhuǎn)換成人們可以使用的電能，以達到能源的回收，如， 太陽能、風能、振動能等。其中，振動能在生活中非常普遍， 將振動能轉(zhuǎn)換為電能的方式一般有電磁式、壓電式和靜電式三種[2]。與其他方式相比，壓電式能量收集器具有機電轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，獲得了廣泛的關(guān)注 [3]。壓電能量收集技術(shù)就是將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)換為可利用的電能，從而為低功耗的電子器件供電。

本文提出了一種基于壓電能量收集技術(shù)的傳感器自供電方案。利用壓電能量收集器、倍壓整流電路、MAX4685 芯片為核心的開關(guān)電路以及LTC1540芯片為核心的電壓管理電路， 將收集到的能量給傳感器等低功耗電子器件供電。本文就是研究壓電能量收集器在諧振狀態(tài)下，壓電能量收集器的輸出電壓、電流和輸出功率。

1 壓電能量收集器及其工作原理

壓電效應是指大部分無對稱中心的晶體，在機械應力的作用下呈比例地產(chǎn)生電荷或在外電場的作用下呈比例地產(chǎn)生幾何變形，反映了晶體的彈性性能與介電性能之間的耦合，可分為正壓電效應和逆壓電效應。壓電能量收集器利用的是壓電材料的正壓電效應，把環(huán)境中振動能轉(zhuǎn)換為可利用的電能，從而為電子器件供能[4]。

懸臂梁式能量收集器結(jié)構(gòu)是常見的振動能量收集器結(jié)構(gòu)[5]， 圖 1 所示為一種典型的壓電雙晶懸臂梁式能量收集器，懸臂梁中間是金屬層，在金屬層上下表面都貼有壓電陶瓷。一端固定于基座中，另一端為自由端，自由端上附有一個質(zhì)量塊。當它受到振動源作用上下振動時，梁的自由端在慣性的作用下也將上下運動，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，壓電陶瓷產(chǎn)生橫向應力， 將在壓電陶瓷層產(chǎn)生電荷，從而將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能[6]。

本文中的壓電能量收集器采用圖 1 所示的懸臂梁式結(jié)構(gòu)， 其中，壓電雙晶片采用PZT 壓電陶瓷，金屬彈性層采用黃銅材料。

2 能量收集電路的設(shè)計

能量收集電路就是將壓電能量收集器產(chǎn)生的電能進行整流、DC-DC 變換、輸出控制，然后將變換后的電能給傳感器供電[7]。傳統(tǒng)的能量收集電路是采用 ESSH 和SSDV 技術(shù)[8，9]，這些電路需要電子原件過多，電路自身消耗的能量大，導致能量收集的效率較低。為了提高能量收集的效率，本文設(shè)計了以MAX4685 芯片為核心的開關(guān)電路以及LTC1540 芯片為核心的電壓管理電路，可將收集到的能量給傳感器等低功耗電子器件供電。系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

2.1 倍壓整流電路

當?shù)皖l振動時，壓電能量收集器產(chǎn)生電壓較小，且芯片工作電壓需要大于 1.8 V，故本文設(shè)計了二倍壓電路，將壓電能量收集器產(chǎn)生的電壓進行升壓。在開始的幾個周期內(nèi)電壓并不能真正充至 2U，經(jīng)過幾個周期之后的累積，電壓可以近似達到 2U，從而在負載兩端得到近似于 2 倍的電壓[10]。

2.2 開關(guān)電路

MAX4685 是美國美信半導體公司推出的一款低阻值、低電壓、低功耗的模擬開關(guān)芯片。該芯片內(nèi)部集成了兩個開關(guān)模塊，可以控制開關(guān)的導通和斷開。MAX4685 的輸入電壓最低是1.8 V，阻值 0.8 Ω，靜態(tài)工作電流最大是 50 nA?？赏ㄟ^控制內(nèi)部開關(guān)的通斷來實現(xiàn)對電壓的控制。

開關(guān)電路如圖 3 所示。

2.3 電壓管理電路

LTC1540 是美國凌力爾特公司推出的新型微功率芯片， 能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的基準比較輸出。輸入電壓 2 V ～ 11 V，可以輸 出1 V～ 5 V 范圍內(nèi)穩(wěn)定的直流電。靜態(tài)電流可以低至0.3 uA， 適用于低功耗的設(shè)計要求。本設(shè)計用該芯片來管理電壓的輸出， 電壓管理電路如圖 4 所示。

3 實驗結(jié)果與分析

壓電能量收集器將機械振動能量轉(zhuǎn)化為電能，當壓電 器件固有頻率和激勵信號的頻率一致時，能量收集器的輸出 功率最大 [11]。通過實際測試，測得收集器的開路電壓與激 勵頻率的關(guān)系如圖 5 所示。用于實驗壓電晶片的中間層長為 80 mm，寬為 30 mm，厚為 0.2 mm ；壓電層長為 60 mm，寬 為 30 mm，厚為 0.2 mm。

由圖 5 可知，當外部激勵信號約為 12 Hz 時，能量收集器輸出的電壓最大。因此，選擇激振器的驅(qū)動信號為12 Hz 的簡諧正弦信號來進行實驗。測試的能量收集電路的原理圖如圖 6 所示。

在實際測試中，是一個基于觸摸檢測 IC（TTP223B）的 電容式點動型觸摸開關(guān)模塊。常態(tài)下，模塊輸出低電平，模式 為低功耗模式。當用手指觸摸相應位置時，模塊會輸出高電平， 模式切換為快速模式 ；當持續(xù) 12 秒沒有觸摸時，模式又切換 為低功耗模式，模塊供電電源可為 DC2 ～ 5.5 V，其正常工作 的功率范圍是 0.4 mW ～ 20 mW。

經(jīng)過一段時間的振動后，調(diào)節(jié)電路輸出的電壓為 2.5 V， 用手指觸摸傳感器相應的位置時，模塊上的 LED 指示燈會亮， 說明傳感器正常工作，此時模塊輸入端的電流是 0.94 mA，功 率為 2.35 mW。實現(xiàn)了通過收集環(huán)境中的振動能量來給低功 耗的傳感器供電。

4 結(jié) 語

本文提出的基于壓電效應的傳感器自供電設(shè)計方案，所 設(shè)計的能量收集電路在壓電能量收集器處于諧振狀態(tài)下，輸 出功率可達到 2.35 mW。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的能量收集電 路相比，本文設(shè)計的能量收集電路，降低了電路的功耗，提高 了帶負載能力，可實現(xiàn)傳感器的自供電，具有廣泛的應用前景。