引言1 ~* B7 _ v0 K5 X% w' @
压电振动能量采集器(P-VEH)已成为无线传感器网络(WSN)供电的理想解决方案。这类器件通过压电材料将环境机械振动转换为电能，为各种应用提供可持续的电源[1]。
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图1：单梁悬臂型压电振动能量采集器示意图，展示了基本结构，包括夹在电极之间的压电层和自由端的地震质量。2 O a1 N* {3 T9 V3 O
G2 K- n' W E K: @2 q) Y/ |P-VEH的原理与结构设计8 ]! p3 M3 V! c6 w/ y3 G+ b
P-VEH的基本原理涉及在机械应力作用下产生电荷的悬臂结构。器件通常由夹在上下电极之间的压电层组成。当悬臂梁发生位移时，整个梁会产生应力，特别是在固定端附近，导致压电层产生电荷。这些电荷随后通过电极收集。
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图2：悬臂梁阵列作为带通滤波器，具有不同的梁尺寸和质量块，设计用于响应不同频率范围。% v! P; G; I0 I" \ C; u
+ A" F: \/ _7 OP-VEH设计的一个重要进展是悬臂梁阵列的开发。这些阵列由多个具有不同长度、宽度和地震质量的梁组成，实现了更宽频率范围的能量采集。阵列中的每个悬臂梁都调谐到特定频率，有效创建了一个带通滤波系统，在多个频率下保持峰值输出。
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图3：双端固定或导向梁型P-VEH示意图，两端固定并具有中心地震质量。0 G' q( b/ {4 L& U2 D$ b
! b: ?9 f1 o5 K. ?, s$ a) l三种主要结构配置: O+ ]9 @9 H4 x- s5 _
1. 单梁悬臂结构：这种传统设计的一端固定，另一端自由，通常采用单层或双层压电材料。虽然由于大位移可以实现低谐振频率和高输出，但可能不稳定且容易发生梁断裂。1 K9 n( @" w. ?7 Q3 I7 L' m' S5 i
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图4：d33模式悬臂型P-VEH示意图，具有交叉电极以提高能量采集性能。3 Q+ M: H S' O3 I4 s
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2. 发生器阵列结构：这些系统采用串联或并联的多个悬臂梁，提供更宽的频率响应范围。但由于通常只有一个悬臂梁工作，导致体积输出比较低，效率受限。
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图5：双层悬臂型P-VEH示意图，显示具有双压电层的分层结构。* C6 J6 r# |" Z6 l2 N% P
" e3 e+ e4 A: I' D3. 导向梁结构：这种设计两端固定，中心有地震质量。提供更好的稳定性和可靠性，特别适合高振幅振动环境和MEMS制造技术。/ {& c h1 w' h R& y) V' K
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研究人员已探索了不同的压电材料，包括传统的PZT（锆钛酸铅）、环保替代品如KNN（钠钾铌酸盐）和基于聚合物的材料如PVDF（聚偏二氟乙烯）。( ?6 e$ }9 @ |- L) d" d& L
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P-VEH生产采用的制造技术包括：UV-LIGA技术用于精确结构形成射频磁控溅射用于压电层沉积溶胶-凝胶工艺用于厚膜开发深反应离子刻蚀(DRIE)用于创建复杂结构+ {! v, S% p4 g" @. w8 E
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性能与应用+ f" Y _! k) R1 P! @- q/ S' U8 |
现代P-VEH的性能特征因设计和应用而异：' ?% e# g$ J7 G5 |
谐振频率通常在20 Hz到1000 Hz以上功率输出从纳瓦到毫瓦不等工作加速度水平从0.1g到数g不等在特殊设计中带宽可从几Hz扩展到50 Hz以上
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3 A$ \4 l) |: G8 w* E* NP-VEH的应用范围持续扩大，包括：; }; K2 S' A/ E8 ^4 b) i
工业监测用无线传感器网络生物医疗器件如起搏器环境监测系统结构健康监测可穿戴电子设备
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未来发展
0 L0 \0 }3 V2 ^8 A: t/ L# Q7 @8 ^( U未来发展挑战包括：
- f' @/ J' g* ]: i; V( L在保持结构稳定性的同时降低谐振频率优化电极设计以最大化能量捕获研究替代地震质量形状以提高性能开发多梁结构以增强稳定性提高低频操作能力
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该领域持续发展，新设计和材料不断涌现以应对这些挑战。研究人员特别关注在低频下实现稳定运行，因为大多数环境振动源在500 Hz以下运行。正在探索增强制造技术和创新结构设计，同时保持器件可靠性和性能。
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/ S& K+ C/ |0 I7 t, F4 ]! B" O最新趋势包括开发结合多种能量采集机制的混合系统、通过计算建模优化和集成智能材料以提高效率。这些进展正使P-VEH在自供电电子系统中的广泛实际应用成为现实。( f5 f: Q3 Z. q" Q' z
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参考文献
1 Z: ?9 z8 Y4 u+ u[1] S. Saxena, R. Sharma and B. D. Pant, "Design and Development of MEMS based Guided Beam Type Piezoelectric Energy Harvester," Energy Systems in Electrical Engineering, Singapore: Springer, 2021.. Q7 W% o; f2 ~" F- o
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