压电能量收集器的非线性响应机理与带宽拓展方法研究

Through piezoelectric energy harvesting technique, vibration energy of the ambient environment can be directly converted into electric energy, to drive the wireless sensors, portable electronics, etc., which is one of the key technologies to greatly promote the applications of internet of things. In recent years, the basic and applied research has proved that the narrow bandwidth of piezoelectric energy harvester seriously limits the conversion efficiency. Nonlinear piezoelectric energy harvesting technique flourishing currently has outstanding advantage on bandwidth expanding. In this project, aiming to the key problem which restricts the application of piezoelectric energy harvester, we will focus on the researches: (1) Development of piezoelectric single crystals and vibrators; (2) Broadband mechanism of nonlinear piezoelectric energy harvesters; (3) Design and analysis methods of nonlinear piezoelectric energy harvesters.

利用压电能量收集技术，可直接将环境中的振动能转变为电能供无线传感网节点、便携式电子设备等使用，实现其自助供电，是推动物联网应用发展的关键技术之一。申请人近些年的基础和应用研究表明，压电能量收集器的转化效率因响应频带偏窄而受到限制。当前蓬勃发展的非线性能量收集技术在频带拓展方面具有非常明显的优势。本申请针对应用中制约能量收集器输出性能的关键问题，重点开展以下工作：（1）高性能压电单晶振子研究，基于弛豫铁电单晶材料，研制出损耗小、强度高、压电和机电耦合系数大的压电振子元件；2）非线性压电能量收集器宽频带机理研究，探究压电能量收集器的非线性响应机理，明确带宽与器件关键参数的关系，获取拓展带宽的有效手段，以解决传统能量收集器的带宽缺陷，提高能量收集效率；3）非线性压电能量收集器设计和分析方法研究，建立基于宽频带机理的压电能量收集器设计分析方法，为宽频带能量收集器结构构建与设计分析提供有效支持。

压电能量收集技术指的是将动能收集起来，通过压电效应转变成电能，为便携式低功耗的电子设备供电，达到延长电池使用寿命甚至是代替电池，实现其自助供电的目的。本项目以高性能弛豫铁电单晶为基础，围绕人体运动产生的应变能和惯性振动能两种能量的收集，从压电材料优化，器件模型分析，器件结构设计制备三个方面由浅入深，分别针对非线性压电能量收集器进行了设计、制备、表征和应用工作，取得如下成果：1）基于弛豫铁电单晶材料，研制出损耗小、强度高、压电和机电耦合系数大的压电振子元件；2）探究压电能量收集器的非线性响应机理，明确带宽与器件关键参数的关系，获取拓展带宽的有效手段，以解决传统能量收集器的带宽缺陷，提高能量收集效率；3）设计并制备了非线性压电能量收集器，器件的开路电压和输出功率均比同尺寸悬臂梁高出一个数量级。