基于压电陶瓷光纤的自供电系统及应用

　　压电陶瓷光纤“超级传感器”可以提供越来越大的功率，高电荷压电陶瓷和光纤合成工艺技术的结合使得自供电系统能用在很多种电子系统中从而取代了电池或是延长电池的使用寿命。这类器件的出现结合纳瓦级测量性能的电子器件，开辟了宽广的新产品及业务范围，超低功率产品和应用的新时代即将到来。

　　能量收集(EH)，某些时候是指能量清除，作为一种减少或消除对电池电源需求的方法已经获得广泛的关注。一些通过利用来自人或者环境资源的能量的创新方法已经可以使用。电池的局限性使得EH得到更广的采用，但是需要更好地结合设计技术。利用若干领域知识的多学科方法是必需的，包括电子、机械、材料和工艺。

　　EH本身并不是新概念，诸如手摇无线电、手摇供电的电筒、风车和太阳能都是应用类似的理念。其新颖之处是将EH应用到超低功耗的嵌入式电子设备中。高电荷压电陶瓷和光纤合成工艺技术的结合使得自供电系统能用在很多种电子系统中。

　　图1：压电光纤用作能量采集器。

　　技术的融合

　　在工程技术领域，压电器件的原理很好理解，不过其应用还是一个具有很多可能性的新生领域。压电陶瓷光纤“超级传感器”可以提供越来越大的功率，该器件的出现结合纳瓦级测量性能的电子器件，开辟了宽广的新产品及业务范围。众多电子系统和设备对超长寿命电源(ELSPS)的需求推动了广泛的研究、开发和增长。具有独特特性的压电陶瓷光纤为实现自供电系统的大范围应用提供了巨大的潜能。

　　传统的压电陶瓷材料坚硬且沉重，而且是制成块状。低成本技术纤维胶悬浮液旋转工艺(VSSP)能够生产直径从10微米(头发丝的1/50)到250微米的光纤。当形成用户定制形状的合成材料后，陶瓷光纤就具有了陶瓷所有有用的特性(电性能、热性能和化学性能)，而去除了有害的特质(例如脆性和笨重)。与传统的大体积陶瓷相比，VSSP所生产的光纤的能量转换效率提高 20~30%。机电转换效率可达70%，而太阳能收集通常只有16~18%，而且这种陶瓷光纤能够每天24小时收集振动能量。

　　压力能量的产生

　　有源光纤合成物(AFC)开启了能量收集应用的大门。光纤能够重复利用诸如运动、振动、压力(张力)等机械力产生的废弃能量。采用简单的、低成本的模拟电路，压力能量可被转换、存储并调节，从而直接替代电池。一个典型的AFC可以容易地从振动产生40Vp-p的电压。

　　一个典型的双压电晶片元件(AFCB)能够产生400Vp-p的电压，某些类型能产生4,000Vp-p的输出。采用30Hz的振动频率，ACI压电光纤能在13秒内产生880mJ的可存储能量，这足够能耗为0.11mJ/s的LCD时钟运行20多个小时。这些能量已被证实足以用于为装备、用品、医疗设备、大楼和其他基础设备的监测和控制无线系统的供电。

　　依据不同的应用，可以通过串联或并联两个或者多个压电器件来调节电源输出。合成光纤能被塑造成用户需要的任何形状，而且都具有弹性和运动敏感性。这种光纤通常安装在那些具有大量机械运动或无用能量的地方。

　　应用实例：无线传感器网络

　　传感器要测量从过程温度到系统压力和机械振动等每个环节，所以一直以来在制造和工业环境中布署传感器都是成本高昂。传感器的布线成本和维护成本都很高。

　　随着基于IEEE 802.15.4的Zigbee标准的出台，大型、低成本、低功率的自管理无线传感器网络(WSN)已经实现。传感器、信号调节器、控制器和RF收发器的体积不断缩小、功率不断降低、集成度越来越高。无线网络、智能传感器和分布式计算的结合创建出一种用于监测机器、建筑物、环境状况的新范例。