基于压电陶瓷光纤的自供电系统 有望省去电子系统的电池

引言：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。

图1：压电光纤用作能量采集器。
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。
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。
低成本的、可更新的能源对于广泛部署的WSN而言至关重要。毕竟，有谁愿意更换成千上万的电池呢？在某些情况下，基于能量收集的新型压电光纤可避免在WSN中采用电池。在其他的情况下，能量收集技术可用于给电池充电以提高工作寿命。能量来自于被监控系统的振动。基于压电光纤的产品不需要维护，极大地减少了寿命期内的成本，改进了工业和机器控制系统的整体质量。
图1显示了压电光纤用作能量收集器的实例，该光纤将无用的机械能转换成Zigbee无线传感器节点的自供电电源。压电光纤捕捉到结构抖动、压缩或者弯曲产生的能量。获得的能量(电流)用来对存储电路进行充电，存储电路提供传感器节点电子设备必要的功率水平。
在这个例子中，能量被压电光纤合成物的振动获得。该能量被转换并存储在低漏电流电路中，直到达到某个门限电压。一旦达到这个门限电压，经过调节的能量可在一段足够长的时间内为Zigbee控制器和RF收发器供电。
其他的应用包括：
照明：有源光纤合成物能将机械能直接转换成光能，而无需中转成电能。通过采集周围振动的能量，有源光纤合成物可为桥面、数字告示牌、浮标以及其它低功率照明负载提供场致发光照明。
智能架构：有源光纤合成物还能用于提供振动阻尼和结构变形解决方案。为实现自调节系统，一种包含有源光纤合成物的智能结构可感测运动变化。运动产生的电子信号可以用来控制测试运动改变幅度的处理器，并返回一个放大的信号，该信号可以绷紧或放松有源光纤激励器/传感器。
设计整合
将压电光纤技术整合进终端系统中的关键是要确定系统的功率要求，了解并选择可用的机械能。设计过程包括以下主要步骤：
确定能量需求：需要供电的系统有怎样的能量需求？EH领域中的功率需要进行平衡。
可用的周围功率源总量：设备的应用将帮助确定可利用的位置。例如机器、建筑物、汽车、人等。一旦确定了应用，必须对本地的振动源和机械能量源进行量化。
确定物理封装要求：你的应用能为压电光纤合成物提供多大的空间？如果是便携式电子设备，其面积就不必受电池盒的大小限制。事实上，压电合成物可以做成设备本身的形状。
模拟压电功率性能：一旦合成物的外形和尺寸确定下来，并且机械压力和频率已知，就能确定压电功率输出。需要为应用构建一个原型以确保在实际环境下能成功运作。
确定校正、存储和调节器需求：能量收集的电子设计相对简单。关键要求是能量存储、调节电压和公差。
本文小结
市场上出现很多能够降低电池需求或完全不需要电池的新型、独特的产品。压电陶瓷光纤技术为EH、有源结构控制和自供电系统提供了一种独特的解决方案。Advanced Cerametrics公司的有源光纤合成物的功率输出是其他压电产品的10倍，一般能承受2亿次振动周期。通过将光纤合成物与低成本的电子组件与封装相结合，超低功率产品和应用的新时代即将到来，可为无电池的低功率应用提供超长寿命因数的市场方案正在涌现。
作者：John Marciszewski
管理顾问
Steve Leschin
业务开发执行总监
Advanced Cerametrics公司

参考文献:

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