悬臂梁微型压电自发电系统研制

文/孙亚飞 杨延鹏

（1.深圳信息职业技术学院 智能制造与装备学院 广东省深圳市 518172）

（2.武汉大学 物理科学与技术学院 人工微结构教育部重点实验室 湖北省武汉市 430072）

能源短缺问题是21世纪人类面临的重要难题之一，寻找各种新型清洁能源成为了当务之急。

利用压电材料的正压电效应可将机械能转换为电能，通过对所产生的电能进行转换和收集，可为各种低功耗电子系统提供电源。

本课题利用压电材料设计并制作一套悬臂梁式机械能到电能的转换结构，并按此转换装置的输出电能特性设计和开发一套电能转换和收集电路，最后对所开发的悬臂梁压电自发电系统的发电性能进行测试和分析，为后续工程应用提供理论和实验基础。

1 悬臂梁压电发电装置设计开发

压电材料具有良好的机电转换性能，外界振动可使压电材料发生形变从而产生电能，压电材料已成为将各类环境中的机械振动能量转换为电能的重要元件。但压电材料本身脆性很大，能够承受的机械应力和产生的弯曲位移有限，通常需要粘贴在其他弹性材料上以避免承受外界所施加的直接应力。

为了对利用压电材料的d31压电效应进行发电的理论和实验进行分析和研究，课题组设计并制作了一套环氧板悬臂梁微型压电发电系统，将压电片粘贴在环氧板悬臂梁上，利用压电片将悬臂梁摆动时的机械振动能量转换为电能，实现机械能到电能的转换。

1.1 结构设计

环氧板具有良好的绝缘性及优良的力学性能，能够将机械振动有效的转换为压电材料的应变。因此，为了便于对利用压电材料的d31压电效应进行发电进行理论分析和实验研究，设计了一套环氧板悬臂梁结构。

环氧板悬臂梁结构设计为一端固定在支座上，另一端随着环境的振动而自由摆动。悬臂梁在摆动时，将对粘贴在其表面的压电片产生拉伸和压缩作用，实现利用压电材料的d31压电效应产生电荷能量。

所设计的环氧板悬臂梁结构如图1所示。

1.2 加工制作

对于图1所示的环氧板悬臂梁结构，可有两种压电片粘贴结构：单侧粘贴结构、双侧粘贴结构。其中，单侧粘贴结构由两层结构构成，一层为压电片层、一层为环氧板层；双侧粘贴结构则是在环氧板两边粘贴压电片，由压电片层、环氧板层、压电片层共三层构成。具体实验过程中可灵活选择单侧粘贴结构或双侧粘贴结构。

本次设计的环氧板悬臂梁采用了单侧双层结构粘贴方式，即在环氧板一侧离固定端1/3处粘贴多片压电片，以实现最大能量转换效率，具体如图2所示。

压电片在环氧板悬臂梁上的粘贴位置之所以有一定要求（离固定端1/3处），是因为如果粘贴位置不合理，则压电片感受到的应变量则会不大，从而不能产生最大电能，影响发电效率，甚至根本发不了电。经过理论分析和实验验证，发现压电片贴在离环氧板悬臂梁固定端三分之一处才能产生最大应变，发挥出最高转换效率。另外在粘贴压电片时，在保证压电片粘贴状况良好的前提下，粘贴层越薄越好，若粘贴层过厚也会影响其发电效率。

图1：环氧板悬臂梁结构示意图

图2：环氧板悬臂梁单侧压电片粘贴位置示意图

图3：悬臂梁微型压电自发电装置结构实物图

按照上述要求所制作出来的环氧板悬臂梁微型压电自发电装置结构实物图如图3所示。

2 能量转换收集电路设计开发

图4所示为常见的压电发电系统能量转换电路原理图。通过对该电路进行实现和测试，发现该电路本身消耗掉了一部分回收的能量，因此需要对该原理电路进行改进，以降低能量回收电路本身的能量消耗。

通过调研得知：美国凌力尔特(Linear)芯片制造公司针对压电材料等高阻抗电源的能量转换电路开发的需要，于2010年专门设计了一款芯片—LTC3588，该芯片内置了全桥整流桥和稳压电路，能提供1.8V、2.5V、3.3V及3.8V等四种稳定的电压输出，且具有极低的内耗。

图4：压电自发电系统能量转换电路原理图

图5：基于LTC3588芯片的压电自发电系统能量转换电路原理图

本应用电路的设计开发基于LTC3588芯片来实现，具体分两步进行，首先基于LTC3588芯片，设计开发一套具有1.8V、2.5V、3.3V及3.8V四种稳定电压输出的电路；在此基础上，将其与太阳能电池等能源装置进行综合考虑，开发具有实际应用价值的微型发电装置，满足相关领域的真实需要。

本部分将进行第一步应用电路的设计开发，即基于LTC3588芯片来设计开发一套具有1.8V、2.5V、3.3V及3.8V四种稳定电压输出的电路。

2.1 电路原理设计

根据LTC3588芯片的数据手册及相关应用设计参考资料，所设计的基于LTC3588芯片的压电材料微型自发电系统应用电路原理电路如图5所示。

按照LTC3588芯片的引脚设计，该应用电路设计了相关跳线，从而可输出1.8V、2.5V、3.3V及3.8V四种电压。

2.2 电路开发制作

按照图5所示的能量转换电路原理图，用DXP电路设计软件开发了基于LTC3588芯片的压电材料能量收集与转换电路PCB原理图，所制作的应用电路PCB板及完成电路元件、芯片等焊接的电路板如图6所示。

3 压电发电系统发电性能测试

压电发电测试系统主要用于对本项目中各类基于压电材料的微型发电系统的发电性能进行测试和分析，以便有效评估所设计的各类压电发电装置的发电性能。

3.1 发电性能测试系统设计开发

根据上述测试参数及对其测试范围的初步分析，选择美国是德公司的CX3324A型“器件电流波形分析仪”来对本课题中的各项参数进行测试和分析，以便对各类压电发电装置的发电性能进行测试、分析和比较。

美国是德公司的CX3324A型“器件电流波形分析仪”可测量电压、电流（10nA级）信号波形，并可对电压、电流信号进行各类数据分析和处理，实现对其功率、电能的测量和分析。

3.1.1 压电发电装置发电性能测试系统设计

压电发电装置发电性能测试系统设计框图如图7所示。

图6：基于LTC3588芯片的压电自发电系统能量转换电路实物图

图7：压电自发电装置发电性能测试系统框图

图8：悬臂梁微型压电自发电装置发电性能测试实物图

3.1.2 压电发电装置发电性能指标分析

（1）输出电压特性：测量压电发电装置所产生电源的电压波形，U（V）；

（2）输出电流特性：测量压电发电装置所产生电源的电流波形，I（A）；

（3）输出功率特性：基于压电发电装置的电压波形和电流波形，测量其输出功率特性，P=U*I（W），p(t) = u(t) * i(t)（W）；

（4）输出电能特性：基于上述压电发电装置的瞬时功率波形，对从开始产生电能到产生电能结束这段时间内的电能大小进行测量（积分），

3.2 压电发电装置发电性能测试

根据压电发电测试方案，对所开发的粘贴有压电片的环氧板悬臂梁的发电性能进行实验测试，以便对其测试结果进行数据分析，对其发电性能进行评估和比较。

应用美国是德公司的CX3324A型器件电流波形分析仪所构建的压电按压装置微型发电系统发电性能测试系统实物图如图8所示。

另外，与之前压电按压发电装置的发电方式不同，该环氧板悬臂梁微型发电装置的发电方式是让该环氧板悬臂梁自由端自由摆动，引起粘贴在其上面的压电片产生剪切应变而发电。每次自由摆动从开始到基本停止的时间约为20秒左右，只要保证其每次摆动开始时的自由端偏置位置相同，就可得到基本相同的发电效果。

为此，课题组将该环氧板悬臂梁微型发电装置的每次发电时间也设定为20秒，对其在20秒内的多次自由摆动的发电结果进行测试和记录，用于对其发电性能进行评估和比较。

表1：悬臂梁微型压电自发电装置发电性能测试结果

图9：悬臂梁微型压电自发电装置发电性能测试曲线

3.2.1 实验测试曲线

在实际测试过程中，课题组按照一次20秒的发电时间，对其进行了多次发电测试和记录。其中一次将环氧板悬臂梁自由摆动端拉至固定偏置位置放开让其自由摆动多次，在20秒发电时间内所测得的发电性能曲线如图9所示。

3.2.2 测试数据分析

按照每次发电测试曲线上的测试数据，环氧板悬臂梁微型压电发电装置的发电性能测试结果如表1所示，此处只列出了5次发电测量结果。

由表1可以看出，所研制的环氧板悬臂梁微型压电发电装置每次自由摆动（发电时间为20秒）可产生平均功率为13.083uW、输出电能为261.862uJ的能量。

在实际应用过程中，可以通过反复多次摆动该环氧板悬臂梁压电发电装置，让其产生更多的电能。

4 结论

本文设计并开发了一款环氧板悬臂梁微型压电自发电装置，所产生电压控制在50V以内，便于能量的转换和收集；同时，设计并开发了一块电荷能量转换和收集电路，将所产生的交变电压转换为稳定的电压，为低功耗电子系统供电。

实验测试结果表明，所开发的环氧板悬臂梁微型压电自发电系统能产生平均功率为13.038uW电能，可以为低功耗电子系统提供能源。