基于壓電陶瓷光纖的自供電系統(tǒng) 有望省去電子系統(tǒng)的電池

引言：壓電陶瓷光纖“超級(jí)傳感器”可以提供越來越大的功率，高電荷壓電陶瓷和光纖合成工藝技術(shù)的結(jié)合使得自供電系統(tǒng)能用在很多種電子系統(tǒng)中從而取代了電池或是延長(zhǎng)電池的使用壽命。這類器件的出現(xiàn)結(jié)合納瓦級(jí)測(cè)量性能的電子器件，開辟了寬廣的新產(chǎn)品及業(yè)務(wù)范圍，超低功率產(chǎn)品和應(yīng)用的新時(shí)代即將到來。
能量收集(EH)，某些時(shí)候是指能量清除，作為一種減少或消除對(duì)電池電源需求的方法已經(jīng)獲得廣泛的關(guān)注。一些通過利用來自人或者環(huán)境資源的能量的創(chuàng)新方法已經(jīng)可以使用。電池的局限性使得EH得到更廣的采用，但是需要更好地結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)。利用若干領(lǐng)域知識(shí)的多學(xué)科方法是必需的，包括電子、機(jī)械、材料和工藝。

圖1：壓電光纖用作能量采集器。
EH本身并不是新概念，諸如手搖無線電、手搖供電的電筒、風(fēng)車和太陽能都是應(yīng)用類似的理念。其新穎之處是將EH應(yīng)用到超低功耗的嵌入式電子設(shè)備中。高電荷壓電陶瓷和光纖合成工藝技術(shù)的結(jié)合使得自供電系統(tǒng)能用在很多種電子系統(tǒng)中。
技術(shù)的融合
在工程技術(shù)領(lǐng)域，壓電器件的原理很好理解，不過其應(yīng)用還是一個(gè)具有很多可能性的新生領(lǐng)域。壓電陶瓷光纖“超級(jí)傳感器”可以提供越來越大的功率，該器件的出現(xiàn)結(jié)合納瓦級(jí)測(cè)量性能的電子器件，開辟了寬廣的新產(chǎn)品及業(yè)務(wù)范圍。眾多電子系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)超長(zhǎng)壽命電源(ELSPS)的需求推動(dòng)了廣泛的研究、開發(fā)和增長(zhǎng)。具有獨(dú)特特性的壓電陶瓷光纖為實(shí)現(xiàn)自供電系統(tǒng)的大范圍應(yīng)用提供了巨大的潛能。
傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料堅(jiān)硬且沉重，而且是制成塊狀。低成本技術(shù)纖維膠懸浮液旋轉(zhuǎn)工藝(VSSP)能夠生產(chǎn)直徑從10微米(頭發(fā)絲的1/50)到250微米的光纖。當(dāng)形成用戶定制形狀的合成材料后，陶瓷光纖就具有了陶瓷所有有用的特性(電性能、熱性能和化學(xué)性能)，而去除了有害的特質(zhì)(例如脆性和笨重)。與傳統(tǒng)的大體積陶瓷相比，VSSP所生產(chǎn)的光纖的能量轉(zhuǎn)換效率提高20~30%。機(jī)電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%，而太陽能收集通常只有16~18%，而且這種陶瓷光纖能夠每天24小時(shí)收集振動(dòng)能量。
壓力能量的產(chǎn)生
有源光纖合成物(AFC)開啟了能量收集應(yīng)用的大門。光纖能夠重復(fù)利用諸如運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、壓力(張力)等機(jī)械力產(chǎn)生的廢棄能量。采用簡(jiǎn)單的、低成本的模擬電路，壓力能量可被轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)并調(diào)節(jié)，從而直接替代電池。一個(gè)典型的AFC可以容易地從振動(dòng)產(chǎn)生40Vp-p的電壓。
一個(gè)典型的雙壓電晶片元件(AFCB)能夠產(chǎn)生400Vp-p的電壓，某些類型能產(chǎn)生4,000Vp-p的輸出。采用30Hz的振動(dòng)頻率，ACI壓電光纖能在13秒內(nèi)產(chǎn)生880mJ的可存儲(chǔ)能量，這足夠能耗為0.11mJ/s的LCD時(shí)鐘運(yùn)行20多個(gè)小時(shí)。這些能量已被證實(shí)足以用于為裝備、用品、醫(yī)療設(shè)備、大樓和其他基礎(chǔ)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制無線系統(tǒng)的供電。
依據(jù)不同的應(yīng)用，可以通過串聯(lián)或并聯(lián)兩個(gè)或者多個(gè)壓電器件來調(diào)節(jié)電源輸出。合成光纖能被塑造成用戶需要的任何形狀，而且都具有彈性和運(yùn)動(dòng)敏感性。這種光纖通常安裝在那些具有大量機(jī)械運(yùn)動(dòng)或無用能量的地方。
應(yīng)用實(shí)例：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
傳感器要測(cè)量從過程溫度到系統(tǒng)壓力和機(jī)械振動(dòng)等每個(gè)環(huán)節(jié)，所以一直以來在制造和工業(yè)環(huán)境中布署傳感器都是成本高昂。傳感器的布線成本和維護(hù)成本都很高。
隨著基于IEEE 802.15.4的Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，大型、低成本、低功率的自管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、控制器和RF收發(fā)器的體積不斷縮小、功率不斷降低、集成度越來越高。無線網(wǎng)絡(luò)、智能傳感器和分布式計(jì)算的結(jié)合創(chuàng)建出一種用于監(jiān)測(cè)機(jī)器、建筑物、環(huán)境狀況的新范例。
低成本的、可更新的能源對(duì)于廣泛部署的WSN而言至關(guān)重要。畢竟，有誰愿意更換成千上萬的電池呢？在某些情況下，基于能量收集的新型壓電光纖可避免在WSN中采用電池。在其他的情況下，能量收集技術(shù)可用于給電池充電以提高工作壽命。能量來自于被監(jiān)控系統(tǒng)的振動(dòng)?；趬弘姽饫w的產(chǎn)品不需要維護(hù)，極大地減少了壽命期內(nèi)的成本，改進(jìn)了工業(yè)和機(jī)器控制系統(tǒng)的整體質(zhì)量。
圖1顯示了壓電光纖用作能量收集器的實(shí)例，該光纖將無用的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)的自供電電源。壓電光纖捕捉到結(jié)構(gòu)抖動(dòng)、壓縮或者彎曲產(chǎn)生的能量。獲得的能量(電流)用來對(duì)存儲(chǔ)電路進(jìn)行充電，存儲(chǔ)電路提供傳感器節(jié)點(diǎn)電子設(shè)備必要的功率水平。
在這個(gè)例子中，能量被壓電光纖合成物的振動(dòng)獲得。該能量被轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在低漏電流電路中，直到達(dá)到某個(gè)門限電壓。一旦達(dá)到這個(gè)門限電壓，經(jīng)過調(diào)節(jié)的能量可在一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)為Zigbee控制器和RF收發(fā)器供電。
其他的應(yīng)用包括：
照明：有源光纖合成物能將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換成光能，而無需中轉(zhuǎn)成電能。通過采集周圍振動(dòng)的能量，有源光纖合成物可為橋面、數(shù)字告示牌、浮標(biāo)以及其它低功率照明負(fù)載提供場(chǎng)致發(fā)光照明。
智能架構(gòu)：有源光纖合成物還能用于提供振動(dòng)阻尼和結(jié)構(gòu)變形解決方案。為實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一種包含有源光纖合成物的智能結(jié)構(gòu)可感測(cè)運(yùn)動(dòng)變化。運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子信號(hào)可以用來控制測(cè)試運(yùn)動(dòng)改變幅度的處理器，并返回一個(gè)放大的信號(hào)，該信號(hào)可以繃緊或放松有源光纖激勵(lì)器/傳感器。
設(shè)計(jì)整合
將壓電光纖技術(shù)整合進(jìn)終端系統(tǒng)中的關(guān)鍵是要確定系統(tǒng)的功率要求，了解并選擇可用的機(jī)械能。設(shè)計(jì)過程包括以下主要步驟：
確定能量需求：需要供電的系統(tǒng)有怎樣的能量需求？EH領(lǐng)域中的功率需要進(jìn)行平衡。
可用的周圍功率源總量：設(shè)備的應(yīng)用將幫助確定可利用的位置。例如機(jī)器、建筑物、汽車、人等。一旦確定了應(yīng)用，必須對(duì)本地的振動(dòng)源和機(jī)械能量源進(jìn)行量化。
確定物理封裝要求：你的應(yīng)用能為壓電光纖合成物提供多大的空間？如果是便攜式電子設(shè)備，其面積就不必受電池盒的大小限制。事實(shí)上，壓電合成物可以做成設(shè)備本身的形狀。
模擬壓電功率性能：一旦合成物的外形和尺寸確定下來，并且機(jī)械壓力和頻率已知，就能確定壓電功率輸出。需要為應(yīng)用構(gòu)建一個(gè)原型以確保在實(shí)際環(huán)境下能成功運(yùn)作。
確定校正、存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)器需求：能量收集的電子設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。關(guān)鍵要求是能量存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)電壓和公差。
本文小結(jié)
市場(chǎng)上出現(xiàn)很多能夠降低電池需求或完全不需要電池的新型、獨(dú)特的產(chǎn)品。壓電陶瓷光纖技術(shù)為EH、有源結(jié)構(gòu)控制和自供電系統(tǒng)提供了一種獨(dú)特的解決方案。Advanced Cerametrics公司的有源光纖合成物的功率輸出是其他壓電產(chǎn)品的10倍，一般能承受2億次振動(dòng)周期。通過將光纖合成物與低成本的電子組件與封裝相結(jié)合，超低功率產(chǎn)品和應(yīng)用的新時(shí)代即將到來，可為無電池的低功率應(yīng)用提供超長(zhǎng)壽命因數(shù)的市場(chǎng)方案正在涌現(xiàn)。
作者：John Marciszewski
管理顧問
Steve Leschin
業(yè)務(wù)開發(fā)執(zhí)行總監(jiān)
Advanced Cerametrics公司

參考文獻(xiàn):

[1]. AFC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/AFC_2295756.html.