压电-静电复合振动能量采集技术：物联网供能新突破

摘要

物联网发展迅猛，传感器供电难题亟待解决。本文着眼至微能源公司的压电 - 静电复合振动能量采集技术，详述其研发背景、技术原理、产品特性、优势，以及未来走向。该技术借创新结构设计与能量管理机制，有效化解传统供电弊端，于物联网多领域前景广阔，有望推动无线传感迈向绿色、智能、自驱动发展新阶段。

关键词

压电 - 静电复合；振动能量采集；物联网；非线性结构；能量管理

一、引言

物联网正引领全球数字化变革，截至 2024 年底，我国蜂窝物联网终端用户数达 26.56 亿户，占全球 70%，连接流量年翻倍。传感器作为物联网感知关键，数量与应用场景激增。但传统电池供电续航短、更换成本高且污染环境，市电供电受布线束缚，在偏远、特殊环境难以施展。环境能量收集技术应运而生，其中振动能量采集因环境中振动能量广泛存在备受关注。至微能源的压电 - 静电复合技术，旨在打破传统线性结构局限，为物联网传感器稳定供能。

二、技术研发背景

2.1 物联网发展现状与传感器供电困境

物联网扩张致使大量传感器部署于各类环境，海底、高山、人体等极端或无人值守处，电池供电难以为继，更换成本高且部分场景无法实现。同时，我国物联网传感器产业技术薄弱，专利少于国外企业，电网安全保障不足。

2.2 环境能量收集技术的兴起

为解传感器供电之困，科研人员提出环境能量收集，利用微型收集器将光能、热能、电磁能、振动能等转化为电能。振动能量采集有电磁、静电、压电三种方式。电磁式输出电压低且难与微电子工艺集成；传统静电式需额外启动源，压电式制备复杂、稳定性与性能欠佳。且传统振动能量收集器多基于线性振动模型，频率响应单一，难以适应复杂环境振动，能量采集效率低。为破局，研究转向非线性结构能量采集机制，融合压电与静电换能，结合 SOI 片与高硼硅玻璃三层结构及金硅共融键合工艺，实现器件微型化、稳定化与可量产。至微能源围绕 “MEMS 压电 - 静电复合振动能量采集芯片” 展开攻关。

三、技术原理与产品设计

3.1 研发思路

至微能源产品研发涵盖多方面。硬件设计上，开发适配无线传感器网络的平台，综合考量功耗、通信距离、传感器精度等优化性能与稳定性。通信协议依需求选 ZigBee、LoRa 等保障数据传输。能量管理是核心，基于压电 - 静电复合结构，融合 Duffing 非线性弹簧、限位碰撞结构、气膜弹性效应等拓宽响应频带，采集能量经整流滤波、动态储能、微功耗能管芯片闭环管理，实现微型传感器全生命周期免维护。数据处理与分析借助机器学习等技术，网络拓扑与布局按场景设计，同时保障数据安全隐私。

3.2 产品设计原则与核心优势

产品设计紧扣 “高适应性、高能效、低功耗、强集成”。环境适应性上，非线性调谐结构突破传统线性局限，实现宽频高效采能。高能量转换效率通过压电与静电双机制协同，从结构、电学、能量管理三层级提升，实现单位体积最大能量输出。超低功耗与自主供能方面，系统内置能量自管理，全流程低损耗，可零外部供电启动并持续工作。强集成基于 MEMS 平台，采用 SOI/Glass 工艺，实现芯片化、集成化，便于批量制造与多场景嵌入。产品优势显著：高频宽响应，工作频率 5 - 200Hz，较传统压电器件提升 3 倍；高能量转化率，平均转换效率 35%，较单一压电采集器提高约 40%；工艺成熟可靠，SOI - Glass 层叠工艺解决 PZT 溶胶凝胶法问题，器件稳定工作超 5 年，适配工业级场景。

3.3 系统架构与模块组成

压电 - 静电复合能量采集系统含四大核心与若干辅助模块。振动能量采集模块用双机制耦合，结合压电直接效应与静电可变电容调谐，拓宽频率响应，核心结构为 “压电陶瓷片组 + SOI 悬臂梁 + 限位电容极板”。能量管理与储能模块集成整流滤波、动态储能控制、低功耗能量调度芯片，双通道控制与高密度储能电容确保输出稳定，适配微型传感器。传感器接口与通信模块预留多种低功耗传感器及远程通信模块接口，可回传感知数据，拓展低功耗无线传感节点。结构封装与支撑模块采用 SOI 与玻璃基板三层片式封装，尺寸 25mm×25mm 内，具良好振动传导与防护能力，支持标准 PCB 接口与嵌入式部署。

3.4 实现方案与关键技术

产品研发涉及机械振动与电能转换、低功耗电路、传感器与通信协议开发。应用于桥梁健康监测，为应变 / 裂纹传感器供电；智能路灯系统采集地面微震为通信模块供电；可穿戴健康设备利用人体步态震动为传感器供电。产品采用模块化设计，三层片式三明治结构，中部为核心采能区，含非线性响应部件与协同转换机制，上下玻璃封装并设标准化接口。为突破线性限制，集成多种非线性调谐机制，实现 5 - 200Hz 宽频能量输出。基于微电子制造工艺芯片级开发，金硅共融键合实现高强度集成，制造流程涵盖各环节为量产奠基。系统配备完整微能管理调控机制，确保电压稳定、实现启动自驱动。预留标准化接口便于集成，支持多种通信模组与微功耗传感器，保障供电与数据同步。原型样机完成封装与测试，尺寸 25mm×25mm×3mm 内，封装抗压抗尘，测试显示在 5 - 200Hz 频段内，输出峰值 3.6V，平均转换效率 35.2%，连续供电超 48 小时，振动输入阈值 0.1g，并有展示板与视频演示。

四、技术优势

4.1 独立供电与高效能量利用

产品可将环境微弱振动、光能等转换为电能，摆脱外部电池与电网依赖。多物理非线性机制协同提升采能效率，高效处理存储电能，结合低功耗能量管理芯片按需释放，为偏远恶劣环境设备可靠供能。

4.2 超低能耗与长寿命

采用低功耗电路与动态电荷调控，产品在极低供能下正常运行，显著延长寿命。相比传统电池，体积小、无需频繁更换，降低设备全生命周期成本 。

4.3 多源兼容与强适应性

支持多种微能形式采集，结构设计适应复杂环境，可联合供电多种传感模块，为物联网应用提供统一能源方案，提升系统集成与稳定性。

4.4 安装便捷与个性化定制

产品模块化封装、标准化接口，即插即用，便于集成。配套 APP 与 IoT 平台支持远程操作，公司还提供个性化定制，按需求定制振动适配、封装、通信协议，全程技术支持。

五、结论与展望

至微能源的压电 - 静电复合振动能量采集技术在物联网传感器供能领域成果斐然，创新解决传统供电问题，多场景潜力巨大，优势突出。与国内外研究相比，在非线性结构、能量管理、工艺集成方面独具特色，为我国能量自供系统技术发展探索重要路径 。

未来，项目团队将在结构仿真、批量制造、能量调度、场景融合等方面优化，有望提升效率与性能，推动产业化，为物联网绿色可持续发展注入新动力，开启 “微能驱动·无源未来” 新篇章。

参考文献

[1] 赵晓龙.工业物联网中振动能量采集技术的应用研究 [J]. 自动化与仪器仪表，2020 （02）：173 - 176.

[2] 钱坤.振动能量采集技术在工业设备监测中的应用 [J]. 电子世界，2019 （24）：180 - 181.