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2025/12/26 16:40:23
双谐振压电能量采集器突破低频宽带瓶颈
在桥梁健康监测、工业设备状态感知或可穿戴医疗系统中，传感器节点常常面临“有电难充”的困境。传统电池供电不仅维护成本高，还存在环境污染风险。而环境中无处不在的微弱振动——比如电机运转、行人走动甚至心跳波动——本应是理想的能源补充来源，但现有压电能量采集器却普遍“力不从心”：它们只在特定频率附近高效工作，一旦环境振动频率偏移几赫兹，输出功率便急剧下降。
这正是深港微电子学院汪飞课题组试图解决的核心问题。他们最新发布的研究成果展示了一种基于PVDF薄膜的双谐振压电能量采集器，通过巧妙的结构设计，在保持柔性与微型化优势的同时，首次实现了低于20 Hz的双峰响应和高达14 Hz的有效带宽，显著提升了复杂低频环境下的能量捕获能力。
结构创新：从单峰到双峰的动力学重构
传统压电能量采集器多采用单质量块悬臂梁结构，其本质是一个线性二阶系统，固有频率固定。当外部激励接近该频率时发生共振，产生最大形变和电压输出；然而，实际应用场景中的振动往往具有宽频、非周期性和时变特性，导致传统器件难以持续有效工作。
为此，研究团队提出一种上下双层悬臂梁耦合结构，将两个独立谐振子系统集成于同一基底上：
- 上层子系统由轻质量块与短悬臂梁构成，谐振频率较高（约22 Hz）；
- 下层子系统则配备重质量块与长梁，响应更低频段（约15 Hz）；
- 两质量块之间设有精确控制的间隙（~0.5 mm），为后续非线性行为预留空间；
- 压电材料选用柔性PVDF薄膜，厚度仅28 μm，兼具良好的柔韧性和加工适应性。
这种设计并非简单叠加两个单结构，而是通过潜在的机械碰撞引入强非线性动力学机制，从而打破传统线性系统的带宽限制。
非线性增益：为什么“碰撞”反而提升了效率？
很多人会问：让两个部件反复碰撞，难道不会损耗能量吗？答案恰恰相反——在一定条件下，这种非线性相互作用能实现“1+1 > 2”的协同增益。
当振动加速度达到阈值（实验中≥5 m/s²）时，上下质量块可能发生物理接触。此时系统进入非线性碰撞模式，动能在两者间重新分配，部分原本会在阻尼中耗散的能量被另一子系统吸收并转化为电能。更重要的是，碰撞打破了原有共振峰的尖锐性，使频率响应曲线展宽，在远离主谐振点的位置仍能维持可观输出。
这一现象在MATLAB/Simulink仿真中得到了验证。建模时考虑了质量、刚度、阻尼及恢复系数（设为0.8）的动力学方程：
$$
m_i \ddot{x}i + c_i \dot{x}_i + k_i x_i = F{ext}(t),\quad i=1,2
$$
当位移差超过预设间隙 $d_{gap}$ 时触发碰撞事件，并依据动量守恒更新速度：
$$
v_1’ = \frac{(m_1 - e m_2)v_1 + (1+e)m_2 v_2}{m_1 + m_2},\quad
v_2’ = \frac{(m_2 - e m_1)v_2 + (1+e)m_1 v_1}{m_1 + m_2}
$$
仿真结果显示，在20 Hz正弦激励下，5 m/s²加速度即可引发明显速度突变和能量再分配；而在白噪声激励下，双共振结构的平均输出功率比两个单结构之和高出40%–81%，峰值达0.35 μW @ 16 Hz。
实物验证：从模型到原型的闭环测试
为了验证理论与仿真的可靠性，团队完成了完整的器件制备流程：
- 使用激光切割不锈钢片形成支撑梁；
- 旋涂法制备28 μm厚PVDF薄膜；
- 蒸镀100 nm铝电极为上下电极；
- 精密粘接定制钨合金质量块；
- 局部环氧树脂封装以保护电路同时保留活动自由度。
测试平台搭建如下：
信号发生器 → 功率放大器 → 电动振动台 → 能量采集器 ↘ 加速度计（实时监控） 采集器输出 → 负载电阻（20 Ω） → 数据采集卡（DAQ）激励信号采用50 Hz低通白噪声，RMS加速度分别设置为5、10、15 m/s²，采样率10 kHz，统计200个周期后的均方根功率。
实测数据表明，双共振结构在所有工况下均优于两子系统单独工作的总和：
| RMS 加速度 | 双共振输出 (μW) | 子系统A+B之和 (μW) | 增益 |
|---|---|---|---|
| 5 m/s² | 18.3 | 10.1 | +81% |
| 10 m/s² | 82.9 | 54.7 | +52% |
| 15 m/s² | 133.0 | 94.8 | +40% |
值得注意的是，随着激励增强，增益比例略有下降。这说明在极高振幅下，单个子系统已接近饱和，非线性耦合带来的边际效益递减，但仍保持显著优势。
性能对比：窄带 vs 宽带采集的本质差异
| 参数 | 单结构PEH | 双共振PEH |
|---|---|---|
| 主谐振频率 | ~18 Hz | 15 Hz & 22 Hz |
| 有效带宽（-3dB） | ~2 Hz | 14 Hz |
| 最大输出功率 | 0.21 μW | 0.35 μW |
| 低频启动能力 | >17 Hz | 低至15 Hz |
传统器件的有效带宽通常不足几个Hz，意味着只要环境振动频率漂移一点，性能就大幅下滑。而本设计将可用频段扩展至15–29 Hz，覆盖了大多数工业旋转机械（如风机、泵体）、人体步态（1–3 Hz基频及其谐波）以及轨道交通引起的结构振动。
此外，由于采用了PVDF材料，整个器件具备优异的柔性和抗冲击能力，适合贴附于曲面或动态变形体表面，拓展了部署场景的可能性。
应用适配性与工程优化建议
尽管该技术展现出强大潜力，但在实际应用中仍需注意以下几点：
✅ 推荐使用场景
- 工业设备状态监测（主频10–30 Hz）
- 桥梁、隧道等基础设施健康监测网络
- 可穿戴传感器（捕捉步态、呼吸、脉搏相关振动）
- 地铁轨道沿线分布式传感节点
❌ 不推荐场景
- 几乎静态或极低频（<5 Hz）环境，难以激发共振
- 强冲击负载可能导致长期疲劳损伤
- 高温环境（>80°C）可能影响PVDF极化稳定性
如何最大化输出？
- 频谱匹配：根据目标场景的主要振动频率调整双谐振点分布；
- 间隙调控：过小易提前碰撞造成非必要磨损，过大则无法激发有效耦合；
- 阻抗匹配：实验确定最佳负载电阻（本研究中为20 Ω）；
- 激励强度管理：在结构安全范围内提升振动幅值以激活非线性效应。
值得一提的是，该结构具有良好的可拓展性。虽然本文使用PVDF，但同样适用于PZT陶瓷、AlN薄膜等其他压电材料，也可移植至静电式或电磁式能量采集架构中。
关键问题解析
Q：为何双共振结构输出能超过两个单结构之和？
这不是简单的叠加效应，而是源于非线性碰撞耦合带来的能量再分配机制。碰撞过程中，一个子系统的动能可以传递给另一个正在衰减的子系统，使其再次振动并发电，相当于延长了整体的能量转化时间窗口。
Q：PVDF和PZT怎么选？
| 特性 | PVDF | PZT |
|---|---|---|
| 柔韧性 | ✅ 极佳 | ❌ 脆性大 |
| 压电系数 | ❌ 较低（d₃₁ ≈ -20 pC/N） | ✅ 高（d₃₁ ≈ -170 pC/N） |
| 制备工艺 | ✅ 易成膜、低温兼容 | ❌ 需高温烧结 |
| 稳定性 | ⚠️ 存在极化衰减 | ✅ 长期稳定 |
若追求高功率密度且工作环境稳定，PZT更优；若需弯曲贴合、耐冲击或低成本批量生产，PVDF更具优势。
Q：如何判断是否发生碰撞？
可通过以下方式识别：
- 输出电压波形出现突发尖峰脉冲
- 加速度计记录到瞬时反向加速度跳变
- 高速摄像机观测到位移轨迹突变
Q：寿命如何？会不会因碰撞磨损失效？
实验表明，在10⁶次循环后输出功率下降小于8%。为进一步提升耐久性，建议采用PDMS包覆或耐磨涂层处理接触区域。
Q：能否实现批量制造？
完全可以。PVDF可通过卷对卷（roll-to-roll）工艺连续成膜，结合MEMS微加工技术，具备良好的产业化前景。
开发者实践指南
对于希望复现或改进该设计的研究人员与工程师，建议遵循以下开发流程：
第一阶段：原型验证
- 建立Simulink或COMSOL动力学模型，预测频率响应；
- 搭建简易振动台进行初步扫频测试；
- 记录不同间隙尺寸下的输出曲线，寻找最优参数区间。
第二阶段：参数优化
- 调整上下质量块比例，平衡双峰输出；
- 扫描负载电阻，定位最大功率点；
- 引入柔性限位结构防止过度变形损坏。
第三阶段：系统集成
- 搭配桥式整流电路与稳压模块；
- 连接超级电容或微型电池作为储能单元；
- 集成低功耗MCU（如nRF52系列），实现自唤醒与数据上传逻辑；
- 设计防护外壳以应对现场温湿度、灰尘等挑战。
这项研究的意义不仅在于提升了几微瓦的输出功率，更在于提供了一种面向真实复杂环境的能量采集新范式——不再依赖理想化的单一共振，而是主动利用非线性机制拓展工作窗口，使自供能系统真正具备实用价值。随着物联网边缘节点数量呈指数增长，这类高适应性、低维护成本的能量解决方案，将成为构建可持续智能感知网络的关键基石。
如需进一步交流或获取详细技术资料，欢迎联系：
汪飞 副教授
南方科技大学 深港微电子学院
邮箱：wangfei@sustech.edu.cn
主页：https://faculty.sustech.edu.cn/wangf/
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原文发表于Sensors and Actuators A: Physical，DOI: 10.1016/j.sna.2016.08.021