eng
Выпуск #2/2016
А.Чуприн, Р.Гаврилов, С.Генералов, С.Никифоров
Некоторые перспективные конструкции пьезоэлектрических генераторов энергии
Некоторые перспективные конструкции пьезоэлектрических генераторов энергии
Просмотры: 3353
Рассмотрены конструкции однорезонансных и широкополосных пьезоэлектрических генераторов энергии, представлены оценки их ключевых параметров, определены наиболее перспективные материалы и схемы.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.64.2.48.56
DOI:10.22184/1993-8578.2016.64.2.48.56
Теги: piezoelectric generator resonance vibration system вибрационная система пьезогенератор резонанс
Сбор энергии можно определить как преобразование доступной энергии из окружающей среды в электрическую энергию, которая может быть использована сразу или сохраняться для последующего потребления. В зависимости от масштаба источников различаются способы сбора энергии и области ее дальнейшего применения. Вибрации в окружающем нас мире или градиенты температуры не обеспечивают достаточный уровень выходной мощности для передачи по электросетям, однако могут быть использованы для стабильного питания автономных электронных датчиков или преобразующих элементов.
На современном уровне развития техники в качестве питающих элементов для автономных устройств могут использоваться только батареи. Тенденции к сокращению размеров транзисторов и развитие КМОП- и МЭМС-технологий способствовали массовому производству датчиков и преобразователей с небольшими габаритными размерами и очень низким энергопотреблением. Размер, вес и стоимость этих систем в настоящее время ограничиваются технологией производства батарей. Но наиболее существенный недостаток применения батарей часто заключается в невозможности их замены, что приводит к ограничению срока службы и устойчивости автономных устройств. Развитие методов сбора энергии может привести к значительному увеличению срока службы или даже появлению самоподдерживающихся систем, полностью устраняя необходимость использования батарей.
Существуют три основных механизма преобразования вибраций в электрическую энергию: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический. В первом случае относительное перемещение между катушкой и магнитным полем вызывает протекание тока в катушке. Электростатический генератор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, при перемещении проводников относительно друг друга энергия, хранящаяся в конденсаторе, меняется. В третьем варианте преобразование механической энергии в электрическую происходит на основе пьезоэффекта в пьезокерамическом материале.
Конструкция пьезогенераторов в основном определяется условиями их работы. Например, устройства консольного типа, как правило, применяются при механической вибрации, в то время как системы мембранного типа (устройства режима давления) используются при медленно меняющемся давлении.
Так как не существует стандартных показателей качества, которые могут быть использованы для сопоставления пьезоэлектрических генераторов с разными принципами работы, то рациональное сравнение возможно только для устройств, имеющих одинаковую конструкцию и принцип действия.
Однорезонансные генераторы
Наиболее распространенной конструкцией пьезоэлектрических генераторов является нагруженная массой консоль с пьезоэлектрическими элементами, которая обычно используется в резонансном режиме работы.
В статье [1] описан микромощный генератор, собирающий вибрационную энергию от резонансных колебаний пьезоэлектрического многослойного кантилевера с инерционной массой (рис.1). Активная часть, состоящая из слоя цирконат-титаната свинца (ЦТС) толщиной 2 мкм и кремния толщиной 5 мкм, оснащена штыревыми электродами для достижения более высоких напряжений. Коэффициент связи K2 = 5% характеризует разницу резонансных частот для низкого и высокого импеданса. При оптимальном сопротивлении нагрузки и напряжении 1,6 В была получена мощность 1,4 мкВт для кантилевера с размером 0,8 Ч 1,2 мм и площадью активной области 0,8 Ч 0,4 мм при ускорении 2 g на частоте 870 Гц.
В статье [2] проведено сравнение различных резонансных пьезоэлектрических генераторов консольного типа. Как видно из табл.1, ЦТС и AlN являются наиболее широко используемыми пьезоэлектрическими материалами для пьезогенераторов консольного типа. Значения нормализованной удельной мощности у ЦТС-устройств выше, чем у устройств на базе AlN, что в основном связано с более высоким коэффициентом электромеханической связи в ЦТС. Среди ЦТС-устройств, объемные материалы и эпитаксиальные структуры обеспечивают более высокую нормализованную удельную мощность по сравнению с золь-гелями и аэрозолями. Этот факт указывает на то, что выращенный эпитаксиальный слой характеризуется улучшенной электромеханической связью в тонкой пленке ЦТС.
Максимальное значение нормализованной удельной мощности (104,7 мкВт/мм3/g2) в табл.1 получено в конструкции с использованием объемного ЦТС [5]. При этом, самое низкое значение нормализованной удельной мощности (0,055 мкВт/мм3/g2) получено в устройстве с применением AlN на стальной подложке [11], что в основном объясняется неоптимальным соотношением толщин пленок.
Следует отметить, что нормализованная удельная мощность устройства зависит не только от пьезоэлектрического материала, но и от плотности и расположения пробных масс, а также от других факторов.
Помимо балочных конструкций, разработаны преобразователи вибрационной энергии, состоящие из нескольких слоев пьезоэлектрета (ферроэлектрета) на основе ячеистых полимеров. Одна из таких конструкций представлена в статье [15].
На рис.2 показана система на основе двух трехслойных складчатых элементов. Пьезо-электретные слои, расположенные между грузиком и основанием, удерживаются вместе с помощью двух магнитов. Для измерения элемент установлен на электромагнитный шейкер. В цепи с резистором Rl измеряется электрическая мощность, вызванная механическими колебаниями. При ускорении в пьезоэлектретном слое происходит генерация электрического тока и напряжения, которые во многом зависят от массы грузика и пьзоэлектрических коэффициентов используемых материалов. После преобразования переменного тока в постоянный полученная энергия может использоваться для питания электронных компонентов.
Используя конструкцию из девяти слоев пьезоэлектрета и груза массой 8 г, можно получить энергию до 1,3 мВт на частоте 140 Гц при ускорении 1 g. При улучшении связи между грузиком и слоями пьезоэлектрета, что приводит к снижению влияния затухания, можно увеличить получаемую мощность до 5 мВт при частоте 700 Гц. Моделирование показало, что для десятислойного пьезоэлектрета и массы 80 г можно получить мощность на уровне от 0,1 до 1,0 мВт на частотах ниже 100 Гц.
Широкополосные генераторы
Большинство вибрационных генераторов предназначены для работы на одной резонансной частоте, но окружающие вибрации, как правило, широкополосные и изменяющиеся во времени, что делает сбор вибрационной энергии затруднительным. Кроме того, выходное напряжение многих вибрационных генераторов гораздо меньше порогового напряжения выпрямительных диодов, что приводит к значительным потерям энергии в процессе выпрямления. По этим причинам вибрационные генераторы энергии до сих пор не нашли широкого практического применения.
Для расширения пропускной способности (частотного диапазона) было предложено множество методов. Один из них заключается в использовании нескольких независимых вибрационных систем, которые имеют различную резонансную частоту. Другой подход основан на пассивной или активной настройке резонансной частоты. Пассивная настройка может быть осуществлена путем ручной регулировки инерционной массы или изменения нагрузки на консольной балке. Активная же настройка обычно реализуется путем интеграции дополнительных приводов и может проводится в режиме реального времени, но такая система более сложна и дорогостояща. Кроме того, исполнительные механизмы всегда потребляют энергию, которая может быть больше генерируемой мощности.
Еще одним популярным подходом [16], основанным на нелинейных колебаниях, является применение осциллятора Дуффинга. Например, когда амплитуда колебаний велика, то закрепленная с двух концов консоль из-за растягивающих напряжений может войти в нелинейную область колебания. Нелинейная вибрация также может быть вызвана с помощью биустойчивых систем.
Инженерами университета Уэйна (Electricaland Computer Engineering, Wayne State University, США) разработан широкополосный высокоэффективный вибрационный генератор на основе многоступенчатой сложно-асимметричной консоли (рис.3). Предложенная конструкция за счет S-образной формы изгиба и ассиметрично расположенных консолей позволяет максимально увеличить напряжения в пьезоэлектрическом слое и эффективно осуществлять сбор энергии при нескольких степенях свободы. Дальнейшее развитие асимметрии конструкции позволит расширить рабочий диапазон частот. Параметры устройства указаны в табл.2.
Резонансные частоты ступеней 1–3 равны соответственно 35,4, 74,2 и 126,4 Гц. При нагрузке выходов пьезоэлектрических (ЦТС) элементов тремя резисторами с сопротивлением 1 кОм первые три резонансные частоты составили 34,5, 73,7 и 124,9 Гц соответственно. Как показано на рис.4, в первом резонансном режиме три ступени имеют практически одинаковые выходные напряжения, во втором резонансном режиме вторая ступень доминирует и имеет самое большое выходное напряжение, тогда как в третьем резонансном режиме, самое большое выходное напряжение показывает третья ступень.
Для измерения переменного тока к выходам устройства были отдельно подключены мостовые выпрямители в сочетании с емкостью 2 200 фФ. Зарядная кривая емкости представлена на рис.5. Среднее значение собранной мощности оценивается в 1,1 мкВт. Мощность может быть увеличена путем разработки оптимизированного устройства с подстроенными резонансными частотами.
На рис.6 изображен другой вариант структуры микромеханического широкополосного накопителя энергии [17]. Она состоит из четырех закрепленных с двух сторон одинаковых балок, которые связаны с одной внешней массой. Устройство изготовлено путем комбинации поверхностных и объемных процессов микрообработки. Основную структуру образуют слои термического окисла, нитрида, полученного путем химического осаждения из паровой фазы низкого давления, и низкотемпературного оксида (рис.6c). Активный слой состоит из титановых/алюминиевых встречно-штыревых электродов, слоя ЦТС толщиной 0,27 мкм и диффузионного барьерного слоя из ZrO2. Пленка, нанесенная плазменно-химическим осаждением из газовой фазы, добавлена для защиты активного слоя, а также для контроля остаточного механического напряжения. Структурный слой сформирован с помощью реактивного ионного травления. Чтобы избежать чрезмерного механического напряжения, структура "освобождается" с помощью XeF2-травления кремния.
На верхней части слоя ЦТС расположены 1 000 пар встречно-штыревых электродов, которые группируются в 16 внешних цепей и извлекают электрический заряд, генерируемый в слое ЦТС при пьезоэлектрическом эффекте.
Заключенное в корпус устройство было установлено на электромеханический вибростенд, который приводился в действие входным напряжением 1В, и возбуждено синусоидальным сигналом, изменявшимся от 500 до 2 000 Гц. Деформация измерялась дистанционно с помощью лазерной доплеровской виброметрии. Нелинейный накопитель показал резонанс в более широком диапазоне частот по сравнению с линейным резонатором с аналогичной добротностью. В отличие от линейного резонатора, отклик нелинейного накопителя зависит от траектории возбуждения. При увеличении частоты колебаний резонатора вдоль устойчивой области высоких энергий с помощью автоматической подстройки происходит "спрыгивание" с высокого энергетического состояния в низкоэнергетическое в тот момент, когда неустойчивость превышает жесткость нелинейной обратной связи (рис.7).
Частоты, на которых происходит "скачок" вниз, отмечены зелеными стрелками (рис.7a). Выходное напряжение, генерируемое накопителем энергии, контролируется с помощью анализатора быстрого преобразования Фурье. Для каждой частоты возбуждения были измерены две компоненты напряжения. Первой гармонике соответствует деформация изгиба (рис.7b), гармонике на частоте в два раза выше – деформация растяжения (рис.7c).
На рис.8 синяя кривая показывает теоретическую мощность нелинейного резонатора Дуффинга, полученную на основе механического анализа при условии идеальной электрической нагрузки, а красная кривая изображает генерируемую мощность, определенную на основе измерения напряжения холостого хода.
Пьезоэлектрический источник питания может быть охарактеризован как идеальный источник напряжения (или тока) с определенной внутренней емкостью. Соответственно, фактическая генерируемая мощность рассчитывается с учетом измеренного напряжения холостого хода (рис.8), внутренней емкости (8,5 нФ) и сопротивления (3,5 МОм). На рис.8 она показана красной кривой в сравнении с теоретической максимальной мощностью (синяя кривая). В отличие от чисто резистивной нагрузки, переключение индуктивности используется для повышения эффективности получения электроэнергии до Pmax:
,
где IP, C0 и ωвх – пьезоэлектрический источник тока, внутренняя емкость и частота возбуждения соответственно. С учетом объема ЦТС (4 Ч 5 мм Ч 4 мм Ч 265 нм ≈ 0,021 мм3) генерируемая удельная мощность равна 2 Вт/см3.
Способность подобного устройства, но со смещенным электродом, к генерации электроэнергии проверяется с помощью прямых резистивных нагрузок. Деформация растяжения в балке между электродами приведет к уменьшению механического напряжения в пять раз, в такой же степени уменьшается электрическое выходное напряжение и в 25 раз снижается мощность по сравнению с базовым устройством. При испытаниях на частоте 450 Гц устройство генерирует 140 нВт мощности, измеряемой при оптимальной резистивной нагрузке 290 кОм. Исправляя ориентацию электрода и повышая качество устройства, можно увеличить напряжение холостого хода более чем в семь раз (до 0,8 В) на частоте 1,3 кГц (рис.8). Учитывая емкость и сопротивление обоих устройств, полученная электрическая мощность при оптимальной прямой резистивной нагрузке составит 22 мкВт, и это значение можно сравнить с ожидаемой мощностью 45 мкВт, показанной на рис.8.
Заключение
В последнее время многие исследования получения энергии сосредоточены на извлечении ее из окружающих колебаний. Наиболее перспективным направлением выглядят пьезоэлектрические устройства благодаря таким их преимуществам по сравнению с механическими способами, как более высокая плотность выходной мощности, масштабируемость, простота внешних электрических схем.
Большинство конструкций пьезоэлектрических генераторов создается на основе консолей с инерционной массой. Пьезоэлектрические элементы выполняются на базе ЦТС или нитрида алюминия. ЦТС может быть использован в форме объемного материала, золь-геля, аэрозоля. Максимальное значение нормализованной удельной мощности для консоли превышает 100 мкВт/мм3/g2, достигаемое при использовании объемного ЦТС.
Наиболее перспективными выглядят конструкции, позволяющие расширить частотный диапазон разрабатываемых пьезогенераторов. Для решения этих задач применяются различные методы, среди которых использование нескольких независимых вибрационных систем, имеющих различную резонансную частоту, или осциллятора Дуффинга.
Работа выполнена в ЗАО "НПЦ СпецЭлектронСистемы" совместно с НПК "Технологический центр" при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14.579.21.0086 от 21.11.2014 г.)
ЛИТЕРАТУРА
1. Muralt P., Marzencki M., Belgacem B., Calame F., Basrour S. Vibration energy harvesting with PZT micro device. Procedia Chemistry, vol.1, 2009, pp. 1191–1194.
2. Toprak A., Tigli O. Piezoelectric energy harvesting: State-of-the-art and challenges. Applied Physics Reviews, vol.1, 031104 (2014), doi: 10.1063/1.4896166.
3. Roundy S., Wright P.K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Mater. Struct., 13 (2004), pp. 1131–1142.
4. Aktakka E.E., Peterson R.L., Najafi K. Thinned-PZT on SOI process and design optimization for piezoelectric inertial energy harvesting. Paper presented at 16th International Solid- State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), Beijing, 2011, pp. 1649–1652.
5. Reilly E.K., Burghardt F., Fain R., Wright P. Powering a wireless sensor node with a vibration-driven piezoelectric energy harvester, 2011, Smart Mater. Struct., 20 125006.
6. Reilly E.K., Reilly F., Fain R., Wright P. Powering a wireless sensor node with a vibration-driven piezoelectric energy harvester. Smart Mater. Struct., 2011, 20:125006, doi: 10.1088/0964-1726/20/12/125006.
7. Fang H.B., Liu J.Q., Xu Z.Y., Dong L., Wang L.,
Chen D., Cai B.C., Liu Y. Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting, Microelectron. J., 37(11), pp. 1280–1284 (2006).
8. Shen D.N., Park J.H., Noh J.H., Choe S.Y., Kim S.H., Wikle H.C., Kim D.J. Micromachined PZT cantilever based on SOI structure for low frequency vibration energy harvesting. Sens. Actuators, A 154(1), pp. 103–108 (2009).
9. Lee B., Lin S., Wu W., Wang X., Chang P., Lee C.
Piezoelectric MEMS generators fabricated with an aerosol deposition PZT thin film. Micromech. Microeng., 19(6), 065014 (2009).
10. Isarakorn D., Briand D., Janphuang P., Sambri A.,
Gariglio S., Triscone J.M., Guy F., Reiner J.W.,
Ahn C.H., de Rooij N. F. The realization and performance of vibration energy harvesting MEMS devices based on an epitaxial piezoelectric thin film. Smart Mater. Struct., 20(2), 025015 (2011).
11. Morimoto K., Kanno I., Wasa K., and Kotera H. High-efficiency piezoelectric energy harvesters of c-axis-oriented epitaxial PZT films transferred onto stainless steel cantilevers. Sens. Actuators, A 163(1), pp. 428–432 (2010).
12. Cao Z.P., Zhang J.Y., Kuwano H. Design and characterization of miniature piezoelectric generators with low resonant frequency. Sens. Actuators, A 179, pp. 178–184 (2012).
13. Marzencki M., Ammar Y., Basrour S. Integrated power harvesting system including a MEMS generator and a power management circuit. Sens. Actuators, A 145–146, 363–370 (2008).
14. Elfrink R., Renaud M., Kamel T., De Nooijer C.,
Jambunathan M., Goedbloed M., Hohlfeld D.,
Matova S., Pop V., Caballero L. Vacuum-packaged piezoelectric vibration energy harvesters: damping contributions and autonomy for a wireless sensor system. J. Micromech. Microeng., 20(10), 104001 (2010).
15. Defosseux M., Allain M., Defay E., Basrour S. Highly efficient piezoelectric micro harvester for low level of acceleration fabricated with a CMOS compatible process. Sens. Actuators, A 188, pp. 489–494 (2012).
16. Pondrom P., Hillenbrand J., Sessler G. M.,
Bцs J., Melz T. Vibration-based energy harvesting with stacked piezoelectrets. Applied Physics Letters, 104, 2014, doi: 10.1063/1.4874305.
17. Hu Y., Xu Y. A wideband vibration energy harvester based on a folded asymmetric gapped cantilever. Applied Physics Letters, 104, 053902 (2014); doi: 10.1063/1.4863923.
18. Hajati A., Kim S.G. Ultra-wide bandwidth piezoelectric energy harvesting. Applied Physics Letters, 99, 083105 (2011); doi: 10.1063/1.3629551.
На современном уровне развития техники в качестве питающих элементов для автономных устройств могут использоваться только батареи. Тенденции к сокращению размеров транзисторов и развитие КМОП- и МЭМС-технологий способствовали массовому производству датчиков и преобразователей с небольшими габаритными размерами и очень низким энергопотреблением. Размер, вес и стоимость этих систем в настоящее время ограничиваются технологией производства батарей. Но наиболее существенный недостаток применения батарей часто заключается в невозможности их замены, что приводит к ограничению срока службы и устойчивости автономных устройств. Развитие методов сбора энергии может привести к значительному увеличению срока службы или даже появлению самоподдерживающихся систем, полностью устраняя необходимость использования батарей.
Существуют три основных механизма преобразования вибраций в электрическую энергию: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический. В первом случае относительное перемещение между катушкой и магнитным полем вызывает протекание тока в катушке. Электростатический генератор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, при перемещении проводников относительно друг друга энергия, хранящаяся в конденсаторе, меняется. В третьем варианте преобразование механической энергии в электрическую происходит на основе пьезоэффекта в пьезокерамическом материале.
Конструкция пьезогенераторов в основном определяется условиями их работы. Например, устройства консольного типа, как правило, применяются при механической вибрации, в то время как системы мембранного типа (устройства режима давления) используются при медленно меняющемся давлении.
Так как не существует стандартных показателей качества, которые могут быть использованы для сопоставления пьезоэлектрических генераторов с разными принципами работы, то рациональное сравнение возможно только для устройств, имеющих одинаковую конструкцию и принцип действия.
Однорезонансные генераторы
Наиболее распространенной конструкцией пьезоэлектрических генераторов является нагруженная массой консоль с пьезоэлектрическими элементами, которая обычно используется в резонансном режиме работы.
В статье [1] описан микромощный генератор, собирающий вибрационную энергию от резонансных колебаний пьезоэлектрического многослойного кантилевера с инерционной массой (рис.1). Активная часть, состоящая из слоя цирконат-титаната свинца (ЦТС) толщиной 2 мкм и кремния толщиной 5 мкм, оснащена штыревыми электродами для достижения более высоких напряжений. Коэффициент связи K2 = 5% характеризует разницу резонансных частот для низкого и высокого импеданса. При оптимальном сопротивлении нагрузки и напряжении 1,6 В была получена мощность 1,4 мкВт для кантилевера с размером 0,8 Ч 1,2 мм и площадью активной области 0,8 Ч 0,4 мм при ускорении 2 g на частоте 870 Гц.
В статье [2] проведено сравнение различных резонансных пьезоэлектрических генераторов консольного типа. Как видно из табл.1, ЦТС и AlN являются наиболее широко используемыми пьезоэлектрическими материалами для пьезогенераторов консольного типа. Значения нормализованной удельной мощности у ЦТС-устройств выше, чем у устройств на базе AlN, что в основном связано с более высоким коэффициентом электромеханической связи в ЦТС. Среди ЦТС-устройств, объемные материалы и эпитаксиальные структуры обеспечивают более высокую нормализованную удельную мощность по сравнению с золь-гелями и аэрозолями. Этот факт указывает на то, что выращенный эпитаксиальный слой характеризуется улучшенной электромеханической связью в тонкой пленке ЦТС.
Максимальное значение нормализованной удельной мощности (104,7 мкВт/мм3/g2) в табл.1 получено в конструкции с использованием объемного ЦТС [5]. При этом, самое низкое значение нормализованной удельной мощности (0,055 мкВт/мм3/g2) получено в устройстве с применением AlN на стальной подложке [11], что в основном объясняется неоптимальным соотношением толщин пленок.
Следует отметить, что нормализованная удельная мощность устройства зависит не только от пьезоэлектрического материала, но и от плотности и расположения пробных масс, а также от других факторов.
Помимо балочных конструкций, разработаны преобразователи вибрационной энергии, состоящие из нескольких слоев пьезоэлектрета (ферроэлектрета) на основе ячеистых полимеров. Одна из таких конструкций представлена в статье [15].
На рис.2 показана система на основе двух трехслойных складчатых элементов. Пьезо-электретные слои, расположенные между грузиком и основанием, удерживаются вместе с помощью двух магнитов. Для измерения элемент установлен на электромагнитный шейкер. В цепи с резистором Rl измеряется электрическая мощность, вызванная механическими колебаниями. При ускорении в пьезоэлектретном слое происходит генерация электрического тока и напряжения, которые во многом зависят от массы грузика и пьзоэлектрических коэффициентов используемых материалов. После преобразования переменного тока в постоянный полученная энергия может использоваться для питания электронных компонентов.
Используя конструкцию из девяти слоев пьезоэлектрета и груза массой 8 г, можно получить энергию до 1,3 мВт на частоте 140 Гц при ускорении 1 g. При улучшении связи между грузиком и слоями пьезоэлектрета, что приводит к снижению влияния затухания, можно увеличить получаемую мощность до 5 мВт при частоте 700 Гц. Моделирование показало, что для десятислойного пьезоэлектрета и массы 80 г можно получить мощность на уровне от 0,1 до 1,0 мВт на частотах ниже 100 Гц.
Широкополосные генераторы
Большинство вибрационных генераторов предназначены для работы на одной резонансной частоте, но окружающие вибрации, как правило, широкополосные и изменяющиеся во времени, что делает сбор вибрационной энергии затруднительным. Кроме того, выходное напряжение многих вибрационных генераторов гораздо меньше порогового напряжения выпрямительных диодов, что приводит к значительным потерям энергии в процессе выпрямления. По этим причинам вибрационные генераторы энергии до сих пор не нашли широкого практического применения.
Для расширения пропускной способности (частотного диапазона) было предложено множество методов. Один из них заключается в использовании нескольких независимых вибрационных систем, которые имеют различную резонансную частоту. Другой подход основан на пассивной или активной настройке резонансной частоты. Пассивная настройка может быть осуществлена путем ручной регулировки инерционной массы или изменения нагрузки на консольной балке. Активная же настройка обычно реализуется путем интеграции дополнительных приводов и может проводится в режиме реального времени, но такая система более сложна и дорогостояща. Кроме того, исполнительные механизмы всегда потребляют энергию, которая может быть больше генерируемой мощности.
Еще одним популярным подходом [16], основанным на нелинейных колебаниях, является применение осциллятора Дуффинга. Например, когда амплитуда колебаний велика, то закрепленная с двух концов консоль из-за растягивающих напряжений может войти в нелинейную область колебания. Нелинейная вибрация также может быть вызвана с помощью биустойчивых систем.
Инженерами университета Уэйна (Electricaland Computer Engineering, Wayne State University, США) разработан широкополосный высокоэффективный вибрационный генератор на основе многоступенчатой сложно-асимметричной консоли (рис.3). Предложенная конструкция за счет S-образной формы изгиба и ассиметрично расположенных консолей позволяет максимально увеличить напряжения в пьезоэлектрическом слое и эффективно осуществлять сбор энергии при нескольких степенях свободы. Дальнейшее развитие асимметрии конструкции позволит расширить рабочий диапазон частот. Параметры устройства указаны в табл.2.
Резонансные частоты ступеней 1–3 равны соответственно 35,4, 74,2 и 126,4 Гц. При нагрузке выходов пьезоэлектрических (ЦТС) элементов тремя резисторами с сопротивлением 1 кОм первые три резонансные частоты составили 34,5, 73,7 и 124,9 Гц соответственно. Как показано на рис.4, в первом резонансном режиме три ступени имеют практически одинаковые выходные напряжения, во втором резонансном режиме вторая ступень доминирует и имеет самое большое выходное напряжение, тогда как в третьем резонансном режиме, самое большое выходное напряжение показывает третья ступень.
Для измерения переменного тока к выходам устройства были отдельно подключены мостовые выпрямители в сочетании с емкостью 2 200 фФ. Зарядная кривая емкости представлена на рис.5. Среднее значение собранной мощности оценивается в 1,1 мкВт. Мощность может быть увеличена путем разработки оптимизированного устройства с подстроенными резонансными частотами.
На рис.6 изображен другой вариант структуры микромеханического широкополосного накопителя энергии [17]. Она состоит из четырех закрепленных с двух сторон одинаковых балок, которые связаны с одной внешней массой. Устройство изготовлено путем комбинации поверхностных и объемных процессов микрообработки. Основную структуру образуют слои термического окисла, нитрида, полученного путем химического осаждения из паровой фазы низкого давления, и низкотемпературного оксида (рис.6c). Активный слой состоит из титановых/алюминиевых встречно-штыревых электродов, слоя ЦТС толщиной 0,27 мкм и диффузионного барьерного слоя из ZrO2. Пленка, нанесенная плазменно-химическим осаждением из газовой фазы, добавлена для защиты активного слоя, а также для контроля остаточного механического напряжения. Структурный слой сформирован с помощью реактивного ионного травления. Чтобы избежать чрезмерного механического напряжения, структура "освобождается" с помощью XeF2-травления кремния.
На верхней части слоя ЦТС расположены 1 000 пар встречно-штыревых электродов, которые группируются в 16 внешних цепей и извлекают электрический заряд, генерируемый в слое ЦТС при пьезоэлектрическом эффекте.
Заключенное в корпус устройство было установлено на электромеханический вибростенд, который приводился в действие входным напряжением 1В, и возбуждено синусоидальным сигналом, изменявшимся от 500 до 2 000 Гц. Деформация измерялась дистанционно с помощью лазерной доплеровской виброметрии. Нелинейный накопитель показал резонанс в более широком диапазоне частот по сравнению с линейным резонатором с аналогичной добротностью. В отличие от линейного резонатора, отклик нелинейного накопителя зависит от траектории возбуждения. При увеличении частоты колебаний резонатора вдоль устойчивой области высоких энергий с помощью автоматической подстройки происходит "спрыгивание" с высокого энергетического состояния в низкоэнергетическое в тот момент, когда неустойчивость превышает жесткость нелинейной обратной связи (рис.7).
Частоты, на которых происходит "скачок" вниз, отмечены зелеными стрелками (рис.7a). Выходное напряжение, генерируемое накопителем энергии, контролируется с помощью анализатора быстрого преобразования Фурье. Для каждой частоты возбуждения были измерены две компоненты напряжения. Первой гармонике соответствует деформация изгиба (рис.7b), гармонике на частоте в два раза выше – деформация растяжения (рис.7c).
На рис.8 синяя кривая показывает теоретическую мощность нелинейного резонатора Дуффинга, полученную на основе механического анализа при условии идеальной электрической нагрузки, а красная кривая изображает генерируемую мощность, определенную на основе измерения напряжения холостого хода.
Пьезоэлектрический источник питания может быть охарактеризован как идеальный источник напряжения (или тока) с определенной внутренней емкостью. Соответственно, фактическая генерируемая мощность рассчитывается с учетом измеренного напряжения холостого хода (рис.8), внутренней емкости (8,5 нФ) и сопротивления (3,5 МОм). На рис.8 она показана красной кривой в сравнении с теоретической максимальной мощностью (синяя кривая). В отличие от чисто резистивной нагрузки, переключение индуктивности используется для повышения эффективности получения электроэнергии до Pmax:
,
где IP, C0 и ωвх – пьезоэлектрический источник тока, внутренняя емкость и частота возбуждения соответственно. С учетом объема ЦТС (4 Ч 5 мм Ч 4 мм Ч 265 нм ≈ 0,021 мм3) генерируемая удельная мощность равна 2 Вт/см3.
Способность подобного устройства, но со смещенным электродом, к генерации электроэнергии проверяется с помощью прямых резистивных нагрузок. Деформация растяжения в балке между электродами приведет к уменьшению механического напряжения в пять раз, в такой же степени уменьшается электрическое выходное напряжение и в 25 раз снижается мощность по сравнению с базовым устройством. При испытаниях на частоте 450 Гц устройство генерирует 140 нВт мощности, измеряемой при оптимальной резистивной нагрузке 290 кОм. Исправляя ориентацию электрода и повышая качество устройства, можно увеличить напряжение холостого хода более чем в семь раз (до 0,8 В) на частоте 1,3 кГц (рис.8). Учитывая емкость и сопротивление обоих устройств, полученная электрическая мощность при оптимальной прямой резистивной нагрузке составит 22 мкВт, и это значение можно сравнить с ожидаемой мощностью 45 мкВт, показанной на рис.8.
Заключение
В последнее время многие исследования получения энергии сосредоточены на извлечении ее из окружающих колебаний. Наиболее перспективным направлением выглядят пьезоэлектрические устройства благодаря таким их преимуществам по сравнению с механическими способами, как более высокая плотность выходной мощности, масштабируемость, простота внешних электрических схем.
Большинство конструкций пьезоэлектрических генераторов создается на основе консолей с инерционной массой. Пьезоэлектрические элементы выполняются на базе ЦТС или нитрида алюминия. ЦТС может быть использован в форме объемного материала, золь-геля, аэрозоля. Максимальное значение нормализованной удельной мощности для консоли превышает 100 мкВт/мм3/g2, достигаемое при использовании объемного ЦТС.
Наиболее перспективными выглядят конструкции, позволяющие расширить частотный диапазон разрабатываемых пьезогенераторов. Для решения этих задач применяются различные методы, среди которых использование нескольких независимых вибрационных систем, имеющих различную резонансную частоту, или осциллятора Дуффинга.
Работа выполнена в ЗАО "НПЦ СпецЭлектронСистемы" совместно с НПК "Технологический центр" при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14.579.21.0086 от 21.11.2014 г.)
ЛИТЕРАТУРА
1. Muralt P., Marzencki M., Belgacem B., Calame F., Basrour S. Vibration energy harvesting with PZT micro device. Procedia Chemistry, vol.1, 2009, pp. 1191–1194.
2. Toprak A., Tigli O. Piezoelectric energy harvesting: State-of-the-art and challenges. Applied Physics Reviews, vol.1, 031104 (2014), doi: 10.1063/1.4896166.
3. Roundy S., Wright P.K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Mater. Struct., 13 (2004), pp. 1131–1142.
4. Aktakka E.E., Peterson R.L., Najafi K. Thinned-PZT on SOI process and design optimization for piezoelectric inertial energy harvesting. Paper presented at 16th International Solid- State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), Beijing, 2011, pp. 1649–1652.
5. Reilly E.K., Burghardt F., Fain R., Wright P. Powering a wireless sensor node with a vibration-driven piezoelectric energy harvester, 2011, Smart Mater. Struct., 20 125006.
6. Reilly E.K., Reilly F., Fain R., Wright P. Powering a wireless sensor node with a vibration-driven piezoelectric energy harvester. Smart Mater. Struct., 2011, 20:125006, doi: 10.1088/0964-1726/20/12/125006.
7. Fang H.B., Liu J.Q., Xu Z.Y., Dong L., Wang L.,
Chen D., Cai B.C., Liu Y. Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting, Microelectron. J., 37(11), pp. 1280–1284 (2006).
8. Shen D.N., Park J.H., Noh J.H., Choe S.Y., Kim S.H., Wikle H.C., Kim D.J. Micromachined PZT cantilever based on SOI structure for low frequency vibration energy harvesting. Sens. Actuators, A 154(1), pp. 103–108 (2009).
9. Lee B., Lin S., Wu W., Wang X., Chang P., Lee C.
Piezoelectric MEMS generators fabricated with an aerosol deposition PZT thin film. Micromech. Microeng., 19(6), 065014 (2009).
10. Isarakorn D., Briand D., Janphuang P., Sambri A.,
Gariglio S., Triscone J.M., Guy F., Reiner J.W.,
Ahn C.H., de Rooij N. F. The realization and performance of vibration energy harvesting MEMS devices based on an epitaxial piezoelectric thin film. Smart Mater. Struct., 20(2), 025015 (2011).
11. Morimoto K., Kanno I., Wasa K., and Kotera H. High-efficiency piezoelectric energy harvesters of c-axis-oriented epitaxial PZT films transferred onto stainless steel cantilevers. Sens. Actuators, A 163(1), pp. 428–432 (2010).
12. Cao Z.P., Zhang J.Y., Kuwano H. Design and characterization of miniature piezoelectric generators with low resonant frequency. Sens. Actuators, A 179, pp. 178–184 (2012).
13. Marzencki M., Ammar Y., Basrour S. Integrated power harvesting system including a MEMS generator and a power management circuit. Sens. Actuators, A 145–146, 363–370 (2008).
14. Elfrink R., Renaud M., Kamel T., De Nooijer C.,
Jambunathan M., Goedbloed M., Hohlfeld D.,
Matova S., Pop V., Caballero L. Vacuum-packaged piezoelectric vibration energy harvesters: damping contributions and autonomy for a wireless sensor system. J. Micromech. Microeng., 20(10), 104001 (2010).
15. Defosseux M., Allain M., Defay E., Basrour S. Highly efficient piezoelectric micro harvester for low level of acceleration fabricated with a CMOS compatible process. Sens. Actuators, A 188, pp. 489–494 (2012).
16. Pondrom P., Hillenbrand J., Sessler G. M.,
Bцs J., Melz T. Vibration-based energy harvesting with stacked piezoelectrets. Applied Physics Letters, 104, 2014, doi: 10.1063/1.4874305.
17. Hu Y., Xu Y. A wideband vibration energy harvester based on a folded asymmetric gapped cantilever. Applied Physics Letters, 104, 053902 (2014); doi: 10.1063/1.4863923.
18. Hajati A., Kim S.G. Ultra-wide bandwidth piezoelectric energy harvesting. Applied Physics Letters, 99, 083105 (2011); doi: 10.1063/1.3629551.
Отзывы читателей
