高效率微型压电式能量收集器的设计与制作

台湾大学工程科学及海洋工程学系暨研究所 吴文中、林顺区

近年来，物联网的应用已经引起了各方兴趣，关于无线微感测装置的研究以及在物联网的相关应用也受到极大观注。目前，大部分的微传感器依然是使用电池供电，电池会有耗尽的一天，而有些微传感器在更换电池上需要花费相对较高的成本。另一方面，许多文献指出，很多的能量解决方案只适合用于短寿命周期，目前唯有光伏电池以及回收振动能的方式较适合长寿命周期的应用。光伏电池适合于长寿命周期，在直射的阳光下具有非常高的能量密度，但在无光或光线暗淡的情况下电源的供给就很不理想。在有振动能可供利用的环境，如果可以设计一个从环境中汲取振动能并且透过压电材料转换为电能的装置，便可长时间、长寿命的供电，将可完全替代电池，实现无源装置免换电池的理想。

目前已经有相当多成功的振动式微型能量收集器报告，大多数的研究方向是基于不同的压电结构设计和不同的优化接口电路作调整。由于压电微型能量汲取结构可分为d31和d33压电模式，两种装置所产生的输出电压和功率也会有所不同。一般d31之输出功率取决于压电薄膜的厚度，所以功率输出会比d33来的高，因此本研究中，将进一步探讨d31压电模式的微型能量汲取装置，并结合不锈钢薄板与微机电制程制作高功率的微型能量汲取装置。

微型能量收集器的研究大多是以悬臂梁结构的方式，利用在悬臂梁的末端安置质量块来调整共振频率，此结构可以降低结构的共振频率，并可应用于低频的环境中来撷取能量。本研究之d31压电微能发电装置是由30um不锈钢薄板、10um压电材料以及上下层铂金电极所组成之悬臂梁结构，悬臂梁的长宽及厚度为8000x6000x40um，并在梁末端接合钨质量块，以降低共振频率。本研究成功地利用自制的气胶沉淀法制作了高品质的PZT陶瓷压电薄膜层，用以制作出高效能的d31压电微能发电装置。此装置在1g加速度的振动测试下，可以输出功率大约为135uW，能量密度8.4 Wh/cm2，在1.5g的加速度的振动测试下可以输出功率超过200uW，该项成果在目前全世界已发表的相关研究中处于最高水平。

图1 d31悬臂梁结构之能量汲取装置

图2（a）输出电压及功率与频率关系图；（b）输出电压及功率与加速度关系图