壓電陶瓷光纖“超級傳感器”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電池的使用壽命。這類器件的出現(xiàn)結(jié)合納瓦級測量性能的電子器件，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)用的新時代即將到來。
能量收集(EH)，某些時候是指能量清除，作為一種減少或消除對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)計技術(shù)。利用若干領(lǐng)域知識的多學科方法是必需的，包括電子、機械、材料和工藝。
EH本身并不是新概念，諸如手搖無線電、手搖供電的電筒、風車和太陽能都是應(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。
圖1：壓電光纖用作能量采集器。原文位置
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)用還是一個具有很多可能性的新生領(lǐng)域。壓電陶瓷光纖“超級傳感器”可以提供越來越大的功率，該器件的出現(xiàn)結(jié)合納瓦級測量性能的電子器件，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)備對超長壽命電源(ELSPS)的需求推動了廣泛的研究、開發(fā)和增長。具有獨特特性的壓電陶瓷光纖為實現(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%。機電轉(zhuǎn)換效率可達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小時收集振動能量。
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。光纖能夠重復利用諸如運動、振動、壓力(張力)等機械力產(chǎn)生的廢棄能量。采用簡單的、低成本的模擬電路，壓力能量可被轉(zhuǎn)換、存儲并調(diào)節(jié)，從而直接替代電池。一個典型的AFC可以容易地從振動產(chǎn)生40Vp-p的電壓。
一個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的振動頻率，ACI壓電光纖能在13秒內(nèi)產(chǎn)生880mJ的可存儲能量，這足夠能耗為0.11mJ/s的LCD時鐘運行20多個小時。這些能量已被證實足以用于為裝備、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)兩個或者多個壓電器件來調(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動敏感性。這種光纖通常安裝在那些具有大量機械運動或無用能量的地方。
應(yīng)用實例：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
傳感器要測量從過程溫度到系統(tǒng)壓力和機械振動等每個環(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成本都很高。
隨著基于IEEE 802.15.4的Zigbee標準的出臺，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)實現(xiàn)。傳感器、信號調(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算的結(jié)合創(chuàng)建出一種用于監(jiān)測機器、建筑物、環(huán)境狀況的新范例。
