無線傳感器網絡、嵌入式系統、射頻識別(RFID) 、無線通訊等技術發展迅速。在由這些技術組成的網絡和系統中,微型傳感器等無線元器件得到廣泛應用。這些元器件一般數目龐大、位置分散、體積微小。因此,相應元器件要求其供電部分具有體積小、集成度高、壽命長甚至無需更換、無人看管等特點。傳統電池體積大、質量大、供能壽命有限,能量耗盡需更換或反復充電 。近年來,微型高能電池蓬勃發展,它可以滿足對無線元器件供能的需求,但是它的能量密度及供能壽命仍然有限。另外,對于一些需要長時間(工作時間以年為單位)工作的分散式、嵌入式元器件而言,更換電池極大地增加了成本,尤其是元器件數目較多,甚至由于位置偏遠或難以觸及(比如戰場、人體內) 的原因而無法更換。

為了擺脫對電池的依賴而實現對無線元器件供能的要求,研究人員提出了微能量采集技術 。它是把周圍環境中的能量轉換為電能,為元器件供能。在各種能量源中,振動機械能廣泛存在,且能量密度大,因此在微能量采集技術中,是一種比較好的選擇。

振動機械能轉換為電能的方法有三種:電磁式、靜電式、壓電式 ,其中壓電式換能方式結構簡單,便于MEMS 加工,能量采集密度大,且無需啟動電壓,在實際應用中滿足嵌入式系統和無線傳感網絡的要求。

壓電能量采集器的研究已經取得了一些進展。Glynne Jones et al . 提出了一種方法來設計和建立振動能量采集器, 它描述了一種體壓電采集器。Roundy et al . 報道了一種微小壓電懸臂梁結構(長9225 mm) ,它能在加速度2. 5 m/ s2 頻率為120 的條件下產生375 μW 的能量。Sood 在他的論文中描述了一種壓電微能量采集器。這種采集器利用d33模式把聲能轉換為電能,它的工作頻率在20～40kHz ,能量輸出約為1μW。以上已報道的能量采集器要么尺寸較大,屬于非MEMS 范圍;要么工作頻率過高,只適用于特殊場合。因此,本文提出了一種基于MEMS 技術制作,工作于低頻振動環境(頻率小于1 000 Hz) 的壓電微能量采集器,并通過一種能量采集電路完成了測試。

能量采集器結構及工藝

壓電效應有兩種: d31 和d33 模式[8 ] 。本文介紹了一種采用d33 模式制作的復合懸臂梁式結構,如圖2 。它由Pt/ Ti 叉指電極, PZT 壓電層, ZrO2 , SiO2和Si 層組成,在梁的自由端加一鎳質量塊,如圖1 。其中叉指電極可以產生d33 模式的響應電場; ZrO2層作為絕緣層可以阻擋PZT 層產生的電荷泄漏。

圖1 　d33模式壓電型微能量采集器結構圖