高效、宽频压电型能量收集器的设计与研制

压电能量收集器是一种直接将环境中的振动能转变成电能的前沿技术，它可以实现小型电子装置的自助供电，是真正实现物联网应用的关键技术之一。申请人近五年的基础和应用基础研究结果证明：通过结构设计、电路设计和压电材料选择可以将环境振动能直接转化成电能来驱动低能耗电子器件，但转化效率受到收集器谐振频率和带宽的严重限制。本申请针对制约压电能量收集器转化效率的这两个关键问题，拟通过材料设计与制备工艺优化、材料振型的选择与模型计算以及对器件结构的模拟与筛选等手段，重点开展：⑴ 高性能压电材料的生长、复合和后处理工艺过程研究，制备出高压电系数、高机电耦合系数的压电振子元件；⑵能量收集器结构力学和等效电路建模研究，实现压电能量收集器的模拟设计，获取影响器件谐振频率和带宽的关键物理参数；⑶不同设计模式的压电能量收集器组装和性能表征研究，进一步修正理论模型，探明装配工艺、匹配电路、储能电路对整机性能的影响规律。

压电能量收集器是一种直接将环境中的振动能转变成电能的前沿技术，它可以实现小型电子装置的自助供电，是真正实现物联网应用的关键技术之一。本项目进行了高效、宽频压电型能量收集器的设计与研制，取得了如下成果：.1. 成功制备了高性能3英寸PMN-PT单晶，优化了适宜于压电集能器的应用的各种模式（厚度伸缩振动，横向长度伸缩振动，厚度剪切振动等）的压电振子切型。.2. 利用高性能压电振子，设计了多种结构的能量收集器，包括低频驱动系列压电能量收集器（Candle 和S-Candle）和宽频高输出压电能量收集器（碰撞式悬臂梁压电能量收集器，双稳态简支梁压电能量收集器）。系统分析了其力学、电学性能， 并且利用模拟仿真方法对上述压电能量收集器进行优化，阐明了集能器的结构与性能之间的关系。.3. 优化了集能器的输出性能，结果表明: CANDLE和S-CANDLE在谐振态下归一化功率密度值分别为5.78 mw·cm-3·g-2和135 mw·cm-3·g-2，比同尺寸悬臂梁均提升一个数量级以上；在保持此高输出功率基础上，我们设计的宽频能量收集器——碰撞式非线性能量收集器和双稳态简支梁能量收集器能将带宽分别拓展至7.4Hz以及20Hz，比普通悬臂梁谐振带宽也提升了一个数量级以上。.高输出，大带宽表明这些压电型集能器在低功耗电子设备，无线传感器，植入式嵌入式系统等自助供电领域显示出广阔的应用前景。