CN102170247A

CN102170247A - 压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路

Info

Publication number: CN102170247A
Application number: CN2011101030265A
Authority: CN
Inventors: 丑修建; 郭涛; 熊继军; 张文栋; 关新锋; 张亚婷
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明公开了一种压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路，压电-磁电复合式振动驱动微能源装置包括一路压电输出和一路磁电输出，压电输出接压电采集模块，磁电输出接磁电采集模块，所述压电采集模块包括顺次连接的倍压整流电路和电流充电电路，经过所述倍压整流电路升压后的能量信号通过电流充电电路将能量储存到超级电容内；所述磁电采集模块包括顺次连接的变压器、桥式整流电路和电流充电电路。本发明用于压电-磁电复合式振动驱动MEMS发电装置的能量采集，提高和改善振动能量的输出与储存效率。使压电能量和磁电能量可以有效地整合起来，并且将可供MEMS器件长时间持续工作的能量储存在超级电容中。

Description

压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路

技术领域

本发明涉及一种压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路，属于MEMS能源技术领域。

背景技术

现如今利用微加工技术制作的MEMS产品已经广泛涉及到无线传感网络、医疗与卫生、生物、环境监测、气象预报、军事、信息通信等众多领域。随着MEMS技术的发展，其产品越来越要求趋向于小型化、微型化、集成化、实用化及自动化，因此研制长寿命、高能效、易集成的供电装置(即微能源装置)势必成为MEMS技术中一个非常关键且亟待解决的问题。

近年来，微型高能电池蓬勃发展，它可以满足对无线元器件供能的需求，但是它的能量密度及供能寿命仍然有限。另外，对于一些需要长时间(工作时间以年为单位)工作的分散式、嵌入式元器件而言，更换电池极大地增加了成本，尤其是元器件数目较多，甚至由于位置偏远或难以触及(比如战场上、人体内)的原因而无法更换。为了摆脱对电池的依赖而实现对无线元器件供能的要求，提出了微能量采集技术。在各种能量源中，振动机械能广泛存在，且能量密度大，因此在微能量采集技术中，是一种比较好的选择，所以将环境振动能量转变为电能的振动式发电机逐步成为微能源研究的一个热点。根据能量转换机理的不同，振动式发电机可以分成磁电式、静电式和压电式三类。瑞士电子实验室近研制出的微型振动式电磁发电机，体积为0.25cm³，输出功率2～25μW，但由于加工技术的限制，完全采用微加工技术制作电磁发电机十分困难。比利时IMEC中心研制出基于驻极体的振动式静电发电机，其输出功率为5μW。由于加工技术问题和输出阻抗大等缺点，振动式静电发电机目前尚处在原理验证阶段。振动式压电发电机具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，逐步成为振动式微型发电机研究的热点。加州大学伯克利分校研制出体积为1000mm³的振动式发电机，其输出功率为375μW。麻省理工学院采用MEMS工艺制作出微型压电发电机在13.9kHz频率(悬臂梁一阶频率)激振下的输出功率为1.01μW。

目前，将压电式能量采集与磁电式能量采集结合并构成复合式MEMS振动能量采集系统为微能源的制作开辟了新的途径。利用MEMS工艺技术，将压电和磁电两种能量转换结构集成在一个系统中，形成一种复合式微能源装置，既综合了压电能量转换的换能方式结构简单、便于MEMS加工、能量采集密度大的优点与磁电能量转换的材料制备容易、材料成本低廉的优点，又提高了微能源装置的能量转换效率和能量密度，为振动能量的采集提供了新的方法。

压电、磁电两种能量有着各自的特性：压电能量的输出特点是感应电动势相对较大而感应电流很小，磁电能量的输出特点是感应电流较大而感应电动势很小。目前已有的MEMS振动能量采集装置都是针对这两种能量之中的一种进行采集，两者间能量的采集与处理的一般方式也不相同。压电能量的处理采集技术现在较为成熟，有其一定的模式化的方式进行能量采集，主要是通过整流电路将交流输出转化为直流电储存在超级电容或电池内；磁电能量的储存方法与压电能量类似，也是整流后将直流电存入储能元件内。然而，关于用于压电-磁电复合式振动驱动MEMS发电装置的能量采集的方法技术，尚未见相关报道。

所以将压电、磁电这两种不同特性的能量有效地整合在一起并储存是实现压电-磁电复合式微能源装置能量采集的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路，采用如下技术方案：

一种压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路，压电-磁电复合式振动驱动微能源装置包括一路压电输出和一路磁电输出，压电输出接压电采集模块，磁电输出接磁电采集模块，所述压电采集模块包括顺次连接的倍压整流电路和电流充电电路，经过所述倍压整流电路升压后的能量信号通过电流充电电路将能量储存到超级电容内；所述磁电采集模块包括顺次连接的变压器、桥式整流电路和电流充电电路。

所述的能量采集电路，所述压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的压电输出端采用四个镀有PZT膜的悬臂梁，且四个悬臂梁串联在一起共同输出。

所述的能量采集电路，所述倍压整流电路为四倍压整流。

所述的能量采集电路，所述电流充电电路采用三极管发射极输出电流。

所述的能量采集电路，所述超级电容的充电电流为压电、磁电两路输出电流的并联整合电流。

本发明用于压电-磁电复合式振动驱动MEMS发电装置的能量采集，提高和改善振动能量的输出与储存效率。本发明可以使压电-磁电复合式振动驱动MEMS发电装置产生的压电能量和磁电能量可以有效地整合起来，并且将可供MEMS器件长时间持续工作的能量储存在超级电容中。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明倍压整流电路；

图3为本发明电流充电电路；

图4为本发明电路原理图；

图5为本发明充电电流特性曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

图1是本发明的原理框图，压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路包括压电采集模块和磁电采集模块。图中发电装置即为所述的压电-磁电复合式振动驱动微能源装置，其包括一路压电输出和一路磁电输出，压电输出接压电采集模块，磁电输出接磁电采集模块；

压电采集模块：

压电能量通过四个镀有PZT膜的悬臂梁输出，此处为了提高能量的输出效率以及输出电压，将悬臂梁的四个输出端串联在一起共同输出。由于此处输出的能量信号电压峰峰值仅有1v左右，不是足够高以带动后级输出，所以先将压电部分的输出接入倍压整流电路(如图2)，使压电能量输出端的交流电转化为直流电得同时将能量信号的电压数倍提高，使其达到与超级电容额定电压近似的值，本处采用的是四倍压整流。将倍压整流后的能量信号电压V_PZT的提高，还可以减少能量在传输过程中的有功耗损P_D。压电输出能量的功率P_PZT是一定的，随着能量信号电压V_PZT提高能量信号电流I_P将减小，从而使得等效电阻R_D形成的有功耗损P_D降低，其推导如下：

P_PZT＝V_PZT×I_P

I_{P} &DownArrow; = \frac{P_{PZT}}{V_{PZT} &UpArrow;}

_PD↓＝I_P↓×R_D

升压后的能量信号通过电流充电电路(如图3)，将能量储存到超级电容内，电流充电电路的三极管发射极输出电流，即充电电流I_PZT在超级电容未充满电之前随着超级电容的电压V_STORE升高而降低。充电电流的计算如下：

V_B＝V_PZT-V_STORE

I_{PZT} = \frac{V_{B}}{R_{B}}

磁电采集模块：

磁电能量的处理方法原理上与压电类似，但由于磁电感应产生的能量信号有着与压电能量信号相反的特性——电流大、电压小，所以由微小磁感线圈输出的能量信号电压V_MAG过低，需要采用变压器升压，变压器的互感系数为M。升压之后的能量信号通过一个桥式整流电路使交流电转化为直流电，整流后电压为V_MR。最后能量信号通过电流充电电路(如图3)向超级电容充电，充电电流为I_MAG。

V_{MR} = \frac{M \times V_{MAG}}{\sqrt{2}}

I_{MAG} = \frac{V_{MR}}{R_{B}}

实施例2

本实施例通过图4所示的电路实现本发明，此电路整合了压电部分和磁电部分的电路，使其具有了系统化功能，即将压电能量与磁电能量分别处理并最终整合储存。压电输出端接入“Input_1”，磁电输出端接入“Input_2”，“BAT+”和“BAT-”两端分别与超级电容的正负极相连。

此电路的输出电流，即超级电容的充电电流I_BAT＝I_PZT+I_MAG，这是两部分的输出电流并联的结果。这样将输出电压转化为电流，既避免了两种能量输出电压无法匹配的问题，又使超级电容的充电效率得到了提高。超级电容的充电电流特性曲线如图6所示，Current_PZT表示压电部分输出电流I_PZT，Current_MAG表示磁电部分输出电流I_MAG，Current_Sum表示超级电容的充电电流I_BAT。

本发明解决了压电-磁电复合式振动驱动MEMS发电装置的复合能量采集的问题，使压电-磁电复合式微能源系统得以完善。

压电-磁电复合式振动驱动微能源装置通过本发明实现其实用价值，其可以为众多的MEMS器件提供一种长寿命、高能效、易集成的供能装置。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路，其特征在于，压电-磁电复合式振动驱动微能源装置包括一路压电输出和一路磁电输出，压电输出接压电采集模块，磁电输出接磁电采集模块，所述压电采集模块包括顺次连接的倍压整流电路和电流充电电路，经过所述倍压整流电路升压后的能量信号通过电流充电电路将能量储存到超级电容内；所述磁电采集模块包括顺次连接的变压器、桥式整流电路和电流充电电路。

2.根据权利要求1所述的能量采集电路，其特征在于，所述压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的压电输出端采用四个镀有PZT膜的悬臂梁，且四个悬臂梁串联在一起共同输出。

3.根据权利要求1所述的能量采集电路，其特征在于，所述倍压整流电路为四倍压整流。

4.根据权利要求1所述的能量采集电路，其特征在于，所述电流充电电路采用三极管发射极输出电流。

5.根据权利要求1所述的能量采集电路，其特征在于，所述超级电容的充电电流为压电、磁电两路输出电流的并联整合电流。