機(jī)械振動(dòng)是為電子系統(tǒng)提供足夠能量的另一種方法。壓電換能器的振動(dòng)通過(guò)使用特殊的質(zhì)量和允許移動(dòng)的特殊系統(tǒng)，近年來(lái)在能量收集應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。

壓電轉(zhuǎn)換器利用直接的壓電效應(yīng)，即當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)，某些晶體產(chǎn)生電位差的特性。這種效應(yīng)發(fā)生在納米尺度，是可逆的。近年來(lái)，聚合物塑料基壓電材料(Pvdf)得到了廣泛的發(fā)展，并在不斷地尋找新材料和越來(lái)越先進(jìn)的制造工藝。

壓電效應(yīng)將動(dòng)能以振動(dòng)或沖擊的形式轉(zhuǎn)化為電能。壓電發(fā)電機(jī)(能量收割機(jī))通過(guò)將浪費(fèi)在環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為可用的電能，提供了一種可靠的解決方案。它們是需要為電池、超級(jí)電容或直接為遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)充電的應(yīng)用程序的理想選擇(圖1)。

系統(tǒng)的總體性能取決于諸多因素，如輸入振動(dòng)、傳感器的幾何形狀和材料、引起振動(dòng)的質(zhì)量、電子接口。因此，即使在早期的設(shè)計(jì)階段，也非常需要換能器和電路結(jié)行為的快速和可靠的定量估計(jì)，以?xún)?yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。

壓電效應(yīng)的分析可以用下圖所示的電路來(lái)表示。

電感LM為等效慣性質(zhì)量;電容CM為換能器的彈性;電阻RM表示機(jī)械損耗。機(jī)械部分是由發(fā)電機(jī)FIN產(chǎn)生的力,相反的反饋力發(fā)生器α-VP,由電壓控制的輸出設(shè)備上開(kāi)發(fā)能力的CP(逆壓電效應(yīng))。同時(shí),機(jī)械速度ż產(chǎn)生當(dāng)前βż供應(yīng)兩個(gè)電容輸出(壓電)的直接影響和其他可能的電氣負(fù)載連接到傳感器。因此,模型識(shí)別涉及以下六個(gè)獨(dú)立參數(shù): LM , CM , RM , CP , α and β。α和β是熱系數(shù)相關(guān)的系統(tǒng)。

電源管理IC (PMIC)

溫差可以用來(lái)發(fā)電，從而利用在其他情況下會(huì)損失的多余熱量。太陽(yáng)能和地?zé)嵯到y(tǒng)的余熱可以被收集。可使用一般家用電器的排放流。

假設(shè)我們使用電池供電的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備在一個(gè)由人體、烤箱、電機(jī)產(chǎn)生熱梯度的環(huán)境中運(yùn)行。如果沒(méi)有能量收集，這些設(shè)備的電池就需要更換，因?yàn)樗鼈儠?huì)釋放能量，這就產(chǎn)生了運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)可用的溫度梯度,熱電發(fā)電機(jī)可以生成20µw²10 mw /平方厘米。

熱電發(fā)電機(jī)和壓電傳感器與適當(dāng)?shù)腜MIC相結(jié)合，將在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中為電池充電。

為了設(shè)計(jì)更好的熱電能量收集系統(tǒng)，有許多特性需要考慮。包括電氣和熱需求，使用合適的熱電材料，特定應(yīng)用要考慮耐久性目標(biāo)，產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格和工程預(yù)算。

振動(dòng)是一種無(wú)處不在的能量來(lái)源。每個(gè)在路上的汽車(chē)會(huì)在柏油路上,在駕駛艙產(chǎn)生振動(dòng),如果我們考慮高速公路的長(zhǎng)度和大量流動(dòng)的汽車(chē),從振動(dòng)能夠獲得能量的想法似乎很有吸引力。

Maxim公司的MAX17710是低功耗高效能量采集充電和保護(hù)的完整系統(tǒng),能管理輸出功率從1FW到100mW的能量采集器件. 它是行業(yè)首個(gè)IC集成的環(huán)境能量收集的電源管理的所有功能，充電和保護(hù)微能源電池以及(MECS)，一個(gè)固態(tài)電池的形式。在超低電流水平運(yùn)行時(shí)，MAX17710接受來(lái)自管理不善的能量與輸出范圍從100mW的水平1μW到收獲各種來(lái)源的能量。例子包括光(通過(guò)光電池捕獲)，振動(dòng)(由壓電元件捕獲)，熱量由熱電發(fā)電機(jī)捕獲)和射頻(例如，近場(chǎng)通信(NFC))。