论文总字数：21530字

摘 要

随着无线传感网络和便携式设备的迅猛发展，以传统化学电池为主要的供能方式存在着诸多弊端如体积大、寿命有限、需要定期更换及易造成环境污染等问题，如何获取无限生命周期的自主供电系统，成为了研究的重点与难点。利用压电材料从周围的环境中获取振动能并将其转化为电能为解决这一问题提供了一种新的思路。压电振动能量收集装置以其结构简单，清洁环保以及易于微型化等优点而受到了极大的重视。本文从压电能量收集装置的原理切入，详细地介绍了国内外研究者在压电振动能量收集结构上的变化与创新。分析比较了一些经典的压电能量收集结构，并在此基础上提出了自己的改进结构，同时用有限元仿真软件对其能量收集效率进行了验证并与经典结构进行了比较。最后总结了压电能量收集技术未来研究方向和趋势，为从事压电振动能量收集技术的人员提供参考。

关键词：能量收集 压电 振动 有限元

A Study of MEMS Energy Harvester

Abstract

With the rapid development of wireless sensor networks and portable devices, there are a lot of flaws of using traditional electrochemical batteries as the major power source, such as large size, finite lives, needing periodical replacement and tend to cause environmental problems. How to obtain the independent power supply system with infinite life period has become the key points and difficult points of the research. Using piezoelectric material to obtain the vibration energy from the surrounding environment and then convert it to electricity provides a new idea to cope with the problem. Piezoelectric vibration energy harvester received great attention because of their advantages of simple structure, no pollution and easily microminiaturizing. The study began from the principles of piezoelectric energy harvester, the improvements on structure designed by researchers of native and abroad were introduced in detail. The study also analyzed and compared some classical piezoelectric energy harvesting structures, then proposed an improved structure. The study also used ANSYS to verify the efficiency of my own structure and compared it with the classical structure. The development and prospective of the piezoelectric energy harvesting technologies were also summarized. The study will also provide a reference to those who engaged in piezoelectric vibration energy harvesting technology.

Key words: energy harvesting; piezoelectricity; vibration; finite element

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外对于压电能量收集技术的研究的现状 3

1.3 研究意义以及内容安排 8

第二章 基于MEMS的振动能量收集器的理论研究 9

2.1 基础理论 9

2.2 压电能量收集的影响因素 11

2.3 本章小结 15

第三章 对经典悬臂梁结构的有限元分析 16

3.1 引言 16

3.2 有限元分析的具体过程 16

3.3 对经典悬臂梁的静力学分析 18

3.4 对经典悬臂梁的模态分析 21

3.5 本章小结 23

第四章 一种改进的悬臂梁结构 24

4.1 引言 24

4.2 一种改进结构的提出与仿真 24

4.3 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致 谢 35

1. 绪论
   1. 研究背景及意义

能源与人类社会的发展和进步息息相关，人类历史上两次工业革命也是在新能源的开发与利用下，带动了新的生产力才得以进行的。以煤炭为新的能源，瓦特改进了蒸汽机生产力得到了飞跃，第一次工业革命进入了高潮；以石油为新的能源，内燃机出现了，生产力得到了进一步地发展。能源在社会生产力进步过程中一直扮演重要的角色，这一点谁都没法去否定其正确性。而在当今社会[1]，电能毫无疑问是与人类生产生活关系最为紧密的一种能源，它的应用也是最为广泛的。一方面日常生活中的大部分电器都是以电能为主要的供能方式的，另一方面电能的传输极为便捷，可以通过变电站先将电压升高，再通过输电线将之传输到上千公里之外。此外电能也能由其它大多数的能量转化得到。关于其他形式的能量形式转变为电能的例子也是众所周知的。太阳能发电和水利发电就不用多介绍了，其他诸如风力发电[2]、地热和潮汐发电等近年来也渐渐为人所熟知。

与此同时，半导体技术的进步与日俱新，得益于此，微机电产品的尺寸在逐渐缩小。基于此，世界各地的研究人员都开始关注和思考如何实现能源的微型化。

当今社会随着信息技术和半导体技术的迅猛发展，以智能手机为代表的小型可携带设备得到了极大的普及，然而不同于这些便携式设备的迅速发展，微小型机电系统的主要供能方式依旧是以干电池和锂电池为主的化学电池。长久以来，化学电池都以其便捷的使用性，在微小型设备的供能领域占据着统治地位。但是其使用过程中存在诸多缺点也使人无法回避，例如每一个使用智能手机的人都有早晚必须充电的烦恼。传统化学电池的缺点主要包括以下几点[1]：首先是传统的化学电池的尺寸较大并且重量不轻，其整体会占据微小型系统的很大一部分的尺寸空间，这也是为什么现在的智能设备为了降低尺寸和重量，在生产的过程中就将电池已经集成在了其内部；二是化学电池制作、使用过程中会对环境造成相当程度的破坏，同时废旧电池的回收在我国依旧没有得到清醒的认识，放任其随意丢弃进一步加深了对环境的破坏；三是化学电池的续航能力较差，比如智能手机的电池就需要每天为其充电，而不可充电的电池更是需要使用者频繁地更换，这无疑是很不方便的。

那么有没有一种清洁环保的能源去取代或者部分替代传统化学电池的地位呢？答案是肯定的。通过从环境中获取能量的新型微电源慢慢地从科研人员的实验室里走进了普通人的视线。针对微型器件的供能要求，在对新型微型电源的研究过程中，需要把以下几个方面作为重点[1]：（1）要设法减小微型电源的体积及其重量，以顺应如今的微小型机电设备的尺寸不断减小的趋势。（2）新型微电源要有足够的续航能力，保证微小型机电设备能在无人看护的情况下长时间地工作，因此需要其具有较高的能量密度。（3）能够适应在不同的环境下工作，尤其是一些恶劣的，或者集成度较高，难以人为接触的环境。（4）对资源的浪费和环境的污染均较低，以顺应可持续发展的需求。（5）易于与微机电系统集成，以顺应如今微型设备的尺寸日益减小的趋势。

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