环境振动驱动压电电磁集成发电微电源关键技术研究

高能效、长寿命、易集成的微能源技术是微机电系统（MEMS）产品的实用化过程关键技术之一。环境振动驱动压电电磁集成发电微电源综合了压电发电和电磁发电的优点，输出电压高、输出电流大，提高了能量转换效率和能量密度，动力源采用环境中普遍存在的振动能驱动，具有寿命长、适应广特点。本课题基于压电转换和电磁转换理论基础探索压电电磁集成发电系统的换能理论计算模型，对微电源结构作仿真分析，设计压电与电磁集成发电的微型电源换能结构、能量输出控制电路等相关技术，根据理论分析及实验测试结果对微电源进行优化设计，研究开发新型的环境振动驱动压电电磁集成发电微电源原理样机。本课题的研究成果有望为野外（如无线网节点）或置入结构（如心脏起搏器，管道机器人等）特殊环境条件下的微型传感器提供可靠、长时间的电能，为微型传感网的广泛应用和快速发展提供能源技术支持。

本课题基于压电转换和电磁转换理论，提出研制压电电磁集成发电微电源。首先分别研究了压电发电和电磁发电的理论，建立了计算能量输出的数值模型，其次对二者的集成发电特点进行了计算分析。根据理论分析结果搭建了基于单悬臂梁拾振结构压电电磁集成发电实验的原理模型样机，并进行了实验测试研究。为了研究采用微加工技术制作集成发电装置，经Ansys和Ansoft建模分析确定四圆角-L型悬臂梁结构的压电发电结构，在拾振结构中心配以钕铁硼N-30永磁体作为惯性质量并与平面线圈组合构成电磁发电系统，分析了集成发电系统的结构参数与输出性能关系，从而确定了采用微工艺制造的结构，最终在微加工实验室探索出压电电磁集成发电微电源的微加工工艺流程，达到了集成加工、集成发电的研究目的。为了提高环境振动能量采集利用效率，本课题利用压电电磁的结构特点，研究可调刚度的压电电磁宽频发电系统。在本课题的研究过程中将收集环境振动能量的压电发电原理扩展到利用海洋能发电，设计了基于压电效用的波浪能发电装置，完成了理论建模数值计算分析。本课题的研究成果将广泛应用于微型无线传感网络系统的供能需要，为其提供永恒的能源保障。