哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
随着微电子制造工艺技术和微机电系统加工技术的飞速发展，出现了越来越
多的小型化低能耗的电子设备，使用电池供电的方式已经不再适用，亟需寻找一种
新型的供能方式，振动能是自然界中极其常见的能量形式，而且不受自然条件的约
束，因此可以通过振动能量收集的方式为微型电子设备供电。在众多振动能量收集
技术里，压电式能量收集技术具有无需外部供电，输出功率大的优势，基于此本文
对低频环境下振动能量的收集进行了研究。
本文利用压电材料的压电效应实现振动能量收集，对比了不同压电材料的性
能，分析了压电材料的两种工作模式，通过单自由度弹簧—质量块模型分析机电转
换的原理，对系统的振动特性和功率输出特性进行分析，包括振动加速度、结构质
量和阻尼比等的影响。提出了压电悬臂梁—质量块器件结构，结构主要包括支撑层
和压电层，并在悬臂梁自由端添加质量块以降低结构固有频率，定性分析了悬臂梁
结构的尺寸参数对固有频率的影响，并建立压电悬臂梁等效电路模型，对机械域中
的力学参数与电域中的电学参数的转换进行分析，得到了输出电压与压电层厚度、
结构应变的关系。通过有限元分析软件对压电能量收集器进行建模，并对结构的力
学特性和压电特性进行分析，通过改变悬臂梁的各个尺寸参数和质量块的质量研
究结构固有频率的变化，以优化器件的设计。
通过理论研究和仿真分析确定了器件的结构和尺寸参数后，设计并制作了基
于PZT压电材料的低频振动能量收集器，采用了由信号发生器、功率放大器、振
动台、加速度计和示波器所组成的测试系统对器件进行性能分析测试。测试结果表
明，单悬臂梁结构的压电能量收集器的谐振频率为26Hz，加速度幅值为0.035g时，
器件工作在谐振状态下，最佳匹配负载阻抗为95k?，最大输出功率为0.47mW。
针对单悬臂梁结构工作频率状态单一的缺陷，设计并制作了悬臂梁阵列式结构的
压电能量收集器，具备在多频率收集能量的优点，经过测试阵列式结构的器件在并
联和串联连接时的工作频率范围均得到扩展，在幅值为0.0175g的加速度激励下，
器件工作在谐振状态下，最大输出功率为0.0779mW。通过将压电能量收集器产生
的正弦电压信号通过桥式整流电路为100μF的电解电容充电，可获得2.8547V的
直流电压，说明本文研究的压电能量收集器可以将振动能转化为电能，有望为小型
化低功耗的电子设备供电问题提供解决方案。
关键词：能量收集；压电；振动；悬臂梁
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmicroelectronicsmanufacturingtechnologyand
micro-electro-mechanicalsystemprocessingtechnology,therearemoreandmore
miniaturizedandlow-energyelectronicdevices,theuseofbatterypowersupplyisno
longerapplicable,itisurgenttofindanewtypeofenergysupply,vibrationenergyisa
verycommonformofenergyinnature,andisnotsubjecttonaturalconditions.Itis
thereforepossibletopowertinyelectronicdevicesbymeansofvibrationenergy
harvesting.Amongthemanyvibrationenergyharvestingtechnologies,piezoelectric
energyharvestingtechnologyhasthe