基于压电效应的传感器自供电

引 言

随着物联网的发展，传感器节点供电问题变得尤为突出， 由于传感器节点分布广泛，常常分散在恶劣的野外环境中，布线或更换电池成本过高[1]。因此，能量收集技术成为了国内外研究的重点。能量收集技术就是吸收环境中所未能利用的能源，将其转换成人们可以使用的电能，以达到能源的回收，如， 太阳能、风能、振动能等。其中，振动能在生活中非常普遍， 将振动能转换为电能的方式一般有电磁式、压电式和静电式三种[2]。与其他方式相比，压电式能量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、体积小、结构简单等优点，获得了广泛的关注 [3]。压电能量收集技术就是将环境中的振动能转换为可利用的电能，从而为低功耗的电子器件供电。

本文提出了一种基于压电能量收集技术的传感器自供电方案。利用压电能量收集器、倍压整流电路、MAX4685 芯片为核心的开关电路以及LTC1540芯片为核心的电压管理电路， 将收集到的能量给传感器等低功耗电子器件供电。本文就是研究压电能量收集器在谐振状态下，压电能量收集器的输出电压、电流和输出功率。

1 压电能量收集器及其工作原理

压电效应是指大部分无对称中心的晶体，在机械应力的作用下呈比例地产生电荷或在外电场的作用下呈比例地产生几何变形，反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合，可分为正压电效应和逆压电效应。压电能量收集器利用的是压电材料的正压电效应，把环境中振动能转换为可利用的电能，从而为电子器件供能[4]。

悬臂梁式能量收集器结构是常见的振动能量收集器结构[5]， 图 1 所示为一种典型的压电双晶悬臂梁式能量收集器，悬臂梁中间是金属层，在金属层上下表面都贴有压电陶瓷。一端固定于基座中，另一端为自由端，自由端上附有一个质量块。当它受到振动源作用上下振动时，梁的自由端在惯性的作用下也将上下运动，悬臂梁将发生弯曲变形，压电陶瓷产生横向应力， 将在压电陶瓷层产生电荷，从而将机械振动能转换为电能[6]。

本文中的压电能量收集器采用图 1 所示的悬臂梁式结构， 其中，压电双晶片采用PZT 压电陶瓷，金属弹性层采用黄铜材料。

2 能量收集电路的设计

能量收集电路就是将压电能量收集器产生的电能进行整流、DC-DC 变换、输出控制，然后将变换后的电能给传感器供电[7]。传统的能量收集电路是采用 ESSH 和SSDV 技术[8，9]，这些电路需要电子原件过多，电路自身消耗的能量大，导致能量收集的效率较低。为了提高能量收集的效率，本文设计了以MAX4685 芯片为核心的开关电路以及LTC1540 芯片为核心的电压管理电路，可将收集到的能量给传感器等低功耗电子器件供电。系统框图如图 2 所示。

2.1 倍压整流电路

当低频振动时，压电能量收集器产生电压较小，且芯片工作电压需要大于 1.8 V，故本文设计了二倍压电路，将压电能量收集器产生的电压进行升压。在开始的几个周期内电压并不能真正充至 2U，经过几个周期之后的累积，电压可以近似达到 2U，从而在负载两端得到近似于 2 倍的电压[10]。

2.2 开关电路

MAX4685 是美国美信半导体公司推出的一款低阻值、低电压、低功耗的模拟开关芯片。该芯片内部集成了两个开关模块，可以控制开关的导通和断开。MAX4685 的输入电压最低是1.8 V，阻值 0.8 Ω，静态工作电流最大是 50 nA。可通过控制内部开关的通断来实现对电压的控制。

开关电路如图 3 所示。

2.3 电压管理电路

LTC1540 是美国凌力尔特公司推出的新型微功率芯片， 能够实现电压的基准比较输出。输入电压 2 V ～ 11 V，可以输 出1 V～ 5 V 范围内稳定的直流电。静态电流可以低至0.3 uA， 适用于低功耗的设计要求。本设计用该芯片来管理电压的输出， 电压管理电路如图 4 所示。

3 实验结果与分析

压电能量收集器将机械振动能量转化为电能，当压电 器件固有频率和激励信号的频率一致时，能量收集器的输出 功率最大 [11]。通过实际测试，测得收集器的开路电压与激 励频率的关系如图 5 所示。用于实验压电晶片的中间层长为 80 mm，宽为 30 mm，厚为 0.2 mm ；压电层长为 60 mm，宽 为 30 mm，厚为 0.2 mm。

由图 5 可知，当外部激励信号约为 12 Hz 时，能量收集器输出的电压最大。因此，选择激振器的驱动信号为12 Hz 的简谐正弦信号来进行实验。测试的能量收集电路的原理图如图 6 所示。

在实际测试中，是一个基于触摸检测 IC（TTP223B）的 电容式点动型触摸开关模块。常态下，模块输出低电平，模式 为低功耗模式。当用手指触摸相应位置时，模块会输出高电平， 模式切换为快速模式 ；当持续 12 秒没有触摸时，模式又切换 为低功耗模式，模块供电电源可为 DC2 ～ 5.5 V，其正常工作 的功率范围是 0.4 mW ～ 20 mW。

经过一段时间的振动后，调节电路输出的电压为 2.5 V， 用手指触摸传感器相应的位置时，模块上的 LED 指示灯会亮， 说明传感器正常工作，此时模块输入端的电流是 0.94 mA，功 率为 2.35 mW。实现了通过收集环境中的振动能量来给低功 耗的传感器供电。

4 结 语

本文提出的基于压电效应的传感器自供电设计方案，所 设计的能量收集电路在压电能量收集器处于谐振状态下，输 出功率可达到 2.35 mW。实验结果表明，与传统的能量收集电 路相比，本文设计的能量收集电路，降低了电路的功耗，提高 了带负载能力，可实现传感器的自供电，具有广泛的应用前景。