贺 婷，孔龄婕，丑修建，甄国涌，张文栋

（中北大学电子测试技术国防重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究*

贺 婷，孔龄婕，丑修建*，甄国涌，张文栋

（中北大学电子测试技术国防重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求，研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源，结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型，用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析，并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明，谐振频率为290Hz下，器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加，1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61mV和324mV，有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。

压电式；磁电式；振动能量采集；微机电系统；微能源

随着无线射频识别（Radio Frequency Identification）、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）、嵌入式系统和微电子技术等众多领域对快速、高效、全面采集传输处理信息的需求愈发紧迫，如何让该类系统实现低功耗、自供电受到工业界、学术界乃至各国政府的高度重视。传统的电池、有线供电、风能供电和太阳能供电都不能满足无线传感网络节点的持续稳定供电的要求，供电问题成为限制其发展的主要因素。因此，研究新型供电为无线网络传感节点提供持续稳定、高输出的供电电源成为亟待解决的科学问题。

振动能量采集技术可将环境中的机械能转化成为电能［1］，并将其储存储能元件中向无线传感器供电，可为无线网络传感节点提供稳定、可靠、独立的能源供应［2］。目前研究的电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式［3-6］微能源属于单一发电效应，存在响应频带范围较窄、整体输出能量密度低、谐振频率点高等缺点［7-10］。

基于上述问题，本文结合压电发电和磁电发电的优势研究了一种MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源器件。该器件共振频率低，易与环境共振；提高了整体的能量输出密度和能量电能，有望成为性能高、寿命长、自供给的持续稳定型供电电源。

1 结构设计

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源器件整体结构如图1所示，由四悬臂梁-中心质量块结构、永磁铁和底座三部分构成。环境振动引起中心质量块振动，其上高密度的感应线圈切割磁感线实现磁电发电；同时，带动悬臂梁上的PZT压电薄膜层振动以实现压电发电，实现磁电发电与压电发电的结合，有效提高输出电压并降低谐振频率。

图1 整体结构示意图

对四悬臂梁-中心质量块结构进行了力学理论计算，该结构的固有频率为：

式中：f是固有频率，E是弹性模量，w、h、l是微梁的宽、厚、长，m是微结构的质量。

当外界振动引起质量块和微悬臂梁振动时，压电发电的简化模型如图2所示。

产生的电荷Q1为：

电压V1为：

式中：d31是横向压电系数，F是器件振动时受的应力，l是悬臂梁的长，h是PZT薄膜层的厚度。

磁电发电是根据法拉第电磁感应定律为原则的：磁通量发生变化，回路中产生感应电动势。感应线圈产生的感应电动势为V2：

式中B是磁通量，a是感应线圈的长度，v是永磁铁与感应线圈的相对运动速度。

本文基于四悬臂梁-中心质量块结构的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源通过能量采集存储电路，将压电效应和电磁感应产生的电能串联得以增大输出电压，提高能量转化效率。

2 有限元仿真

本文通过Ansys12.0有限元分析软件对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构的简化模型进行了静态、模态和谐相应分析，进而得到器件加工所需的最优尺寸。

2.1 静力分析

微器件结构主要由底座和悬臂梁，PZT压电薄膜层组成，静力分析可以得出该器件悬臂梁上的最大应力，选择线性区域作为PZT压电薄膜的排布位置。

选取质量块尺寸为2 000 μm×2 000 μm×200 μm，悬臂梁尺寸为2 000 μm×200 μm×10 μm的结构进行分析。如图3、图4分别为静态位移和应力分布图，施加10 m/s2的加速度，悬臂梁梁上的最大位移为6.68 μm，最大应力为9.81 MPa。

图3 静态位移分布图

图2 微悬臂梁模型图

图4 静态应力分布图

从单悬臂梁静态应力曲线分布图（图5），可见应力关于梁中心位置大小对称，方向相反，即关于梁的中心位置PZT薄膜受力方向相反，产生电荷相反。

图5 单悬臂梁静态应力曲线图

2.2 模态分析

模态分析得到微结构的固有频率，可以在试验中将结构处于共振频率，使输出电压最大。该尺寸下四悬臂梁-中心质量块结构的前三阶模态分析图如图6所示。一阶振动模态值与其它阶振动模态值相差较大，交叉耦合机率小，避免了干扰现象。

图6 （a）一阶模态分析图（b）二阶模态分析图（c）三阶模态分析图

对微结构采取单一变量的方式，通过模态分析得到不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构的仿真数据如表1所示。

表1 不同尺寸结构的仿真数据

从上面的仿真可以看出微能源的一阶频率随梁长的增大而减小，随着梁宽、梁厚的增大而增大。梁长和梁宽的变化对固有频率影响较小，梁厚的变化对固有频率影响较大。

2.3 谐相应分析

2.1节中对应尺寸的谐响应分析曲线图如图7所示，反映了频率与x、y、z方向上最大应力之间的关系，可以看出在600 Hz处应力出现峰值，即600 Hz是微结构的固有频率，与2.2节中一阶固有频率（610.8 Hz）基本一致。

图7 频率响应图

3 测试结果

综合各项指标，制作了质量块尺寸2000 μm× 2000 μm×200 μm，悬臂梁尺寸2000 μm×300 μm× 10 μm，PZT薄膜厚度2 μm的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源，器件封装结构如图8所示。

图8 微能源结构图

搭建由信号发生器、振动台、功率增益放大器、PC和静电计组成的测试平台［12］，对微器件进行测试，测试实物图如图9所示。

图11 290 Hz，器件输出电压

图9 微能源性能测试系统实物图

将该微能源的8个压电敏感单元串联，进行扫频测试，确定出该微能源器件的谐振频率值。振动台用来模拟环境振动，振动模式设置为扫频，对微器件施加6 m/s2的加速度激励，一般环境中的振动频率在千赫兹以内［7］，频率范围设置为5 Hz～2 000 Hz。测试结果如图10所示，输出电压最大点对应的频率点即为谐振频率：290 Hz。可能由于加工工艺，环境温度、湿度等原因，造成了固有频率与仿真值的偏差。

图10 加速度为6 m/s2，扫频范围为5 Hz～2 000 Hz下器件输出电压

将振动模式设置为定频，在谐振频率点，施加1 m/s2、2 m/s2、3 m/s2、4 m/s2、…、6 m/s2的激励，交流输出电压峰峰值与加速度的关系如图11可知，随着振动加速度的增加，输出电压呈线性升高。其中，输出电压为交流输出电压峰峰值的一半，可见1 m/s2和6 m/s2激励下，开路输出电压分别为61 mV和324 mV。

5 结论

本文针对现阶段单一效应的振动驱动微能源存在输出能量密度低、谐振频率高等缺点，设计制造了基于压电效应和磁电效应的四悬臂梁-中心质量块结构的压电-磁电复合振动驱动微能源器件。通过理论计算和有限元仿真分析，对器件进行结构设计加工并通过搭建测试平台进行了初步性能测试。测试结果表明，该微能源器件体积小，单位输出电量大、能量存储密度高，谐振频率点低，有望解决无线传感网络节点自供电问题，具有重要的现实意义和科学价值。

［1］ Han M，Yuan Q，Sun X M，et al.Design and Fabrication of Integrated Magnetic MEMS Energy Harvester for Low Frequency Application［J］.Journal of Micro-Electro Mechanical Systems，2014，23（1）：204-212.

［2］ Spies P，Pollak M，Rohmer G.Power Management for Energy Harvesting Applications［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2009，20：589-599.

［3］ Ande A H.Indoor Solar Energy Harvesting for Sensor Network Router Nodes［J］.Microprocess and Microsystem，2007，31（2）：420-432.

［4］ Stanton S R，Sodano H A.A Review of Power Harvesting using Piezoelectric Materials（2003-2006）［J］.Smart Material and Structure，2007，16（3）：1-21.

［5］ 陈定方，孙科，李立杰，等.微型压电能量收集器的研究现状和发展趋势［J］.湖北工业大学学报，2012（4）：1-8.

［6］ Wang L，Yuan F G.Vibration Energy Harvesting by Magnetostrictive Material［J］.Smart Mater Struct，2008，17：045009.

［7］ 张亚婷，丑修建，郭涛，等.振动驱动微能源技术研究进展［J］.微纳电子技术，2012，46（11）：242-247.

［8］ 缪建，朱若谷.基于ANSYS的压电微悬臂双梁的有限元分析［J］.压电与声光，201l，33（4）：557-560.

［9］ 丑修建，郭涛，熊继军，等.压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路［P］.中国.201110103026.5.2011-04-25.

［10］Wang Lei，Yuan F G.Vibration Energy Harvesting by Magnetostrictive Material［J］.Smart Material Structure，2008 17：045009.

［11］ Shad Roundy，Paul K Wright，Jan Rabaey.A Study of Low Level Vibrations as a Power Source for Wireless Sensor Nodes［J］.Computer Communications，2003，26（5）：1131-1144.

［12］贺婷，杨杰，孔龄婕，等.MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计［J］.传感技术学报，2015，28（3）：342-346.

贺 婷（1989-），女，山西太原人，在读硕士研究生，主要研究方向为微纳传感与执行器件；

丑修建（1979-），男，湖北咸宁人，教授，硕士生导师，主要研究方向为电子信息功能材料和微纳器件与系统。

Research of MEMS Piezoelectric and Electromagnetic Hybrid Vibrational Micro-Power Harvesting Devices*

HETing，KONGLingjie，CHOUXiujian*，ZHENGuoyong，ZHANGWendong
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

A MEMS vibration micro-power based on piezoelectric and electromagnetic hybrid Effect was proposed，which is an important developing for the wireless sensor network node power supply from the power supply，low power consumption，stable power supply.The micro-power combines the advantages of the piezoelectric and electromagnetic which is the transformation of the vibration energy into electric energy.The calibration method and finite element method for the accelerometer of different sizes was proposed to present the experimental results.The experimental results show that the maximum effective output voltage of the device is 61 mV and 324 mV under 1 m/s2和6 m/s2and the resonant of 290 Hz.And it is expected to solve the high performance，long service life，power supply problem of wireless sensor network nodes.

piezoelectricity；electromagneticity；vibrational power harvesting；MEMS；picro-power EEACC：7230

TN384

A

1004-1699（2015）07-0987-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.008

项目来源：国家自然科学基金杰出青年基金项目（51225504）；国家863计划项目（SQ2015AAJY1634）；国家自然科学基金项目（51422510，51275492）

2015-03-09 修改日期：2015-04-14