1 桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重点实验室, 广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学 广西高校微电子器件与集成电路重点实验室, 广西 桂林 541004
针对传统TEG能量收集系统输入电压单一化与可用功率范围较窄的问题, 提出了一种适用于极性反转热电能量收集的升降压DC-DC转换器。采用双极性输入升降压拓扑结构, 能够自适应收集双极性输入热电能量, 并增加储能升降压回路, 有效拓宽了重载下可用功率范围, 保证输出电压稳定性, 并在轻负载时收集多余能量, 显著提高轻载转换效率, 保证系统续航能力。最大功率追踪方法采用结构简单、追踪效率较高的开路电压法。180 nm CMOS工艺仿真验证表明, 所提出的能量收集系统轻重负载条件下转换效率均高于85％, 最高转换效率为9326%(VTEG=500 mV, RS=210 Ω), 最大功率追踪效率达到9952％(VTEG=-600 mV), 电路最低工作输入电压为±25 mV, 且重负载下18 V输出电压纹波小于30 mV。
双极性输入 升降压 最大功率追踪 能量收集 bipolar input buck-boost maximum power tracking energy harvesting
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
收集足部运动所产生的各种机械能并转换为电能的鞋式能量收集器, 在可穿戴式微型传感器中具有巨大的应用前景, 受到了国内外研究人员的广泛关注。文章系统调研了国内外鞋式能量收集器的研究进展。根据足部运动产生的不同的激励, 将鞋式能量收集器分为直接加载型和惯性激励型两大类。重点分析了这两类能量收集器的结构、工作原理及其优缺点, 并总结了鞋式能量收集器的发展趋势。
能量收集 足部运动 直接加载型 惯性激励型 energy harvesting foot movement direct loading type inertial excitation type
1 桂林电子科技大学 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室, 广西 桂林 541004
2 国电南瑞科技股份有限公司, 南京 211106
针对环境能量收集系统输出电压纹波高以及效率随负载变化等缺点, 提出了一种在宽负载范围内转换效率高且输出电压纹波低的能量收集系统。该系统基于最优化导通时间(OOT)控制方法对输出纹波进行调控, 解决了传统控制方法在小负载电容和轻载情况下纹波较大的问题; 此外, 基于自适应系统时钟频率(ACF)控制方法改善了传统方法在轻载时效率大幅度下降的问题, 实现系统在较宽负载范围内保持较高的效率。采用180 nm CMOS工艺对能量收集系统进行设计验证。仿真结果显示, 所设计的能量收集系统在1 mA负载电流范围内峰值效率为8975%, 最低效率为8375%, 其最低效率比同类系统提高了7个百分点以上; 在02 μF负载电容下纹波从17796 mV下降到2356 mV。
能量收集 宽负载范围 低纹波 高效率 energy harvesting wide load range low ripple high efficiency
南昌航空大学 航空制造工程学院, 江西 南昌330063
压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率, 为压电振子的动力学设计提供参考。首先, 基于弹性梁振动理论, 推导了锯齿型压电梁的动力学方程, 并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后, 通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型, 分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后, 通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线, 验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明, 锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带, 进而提高发电效率。
压电 能量收集 锯齿型 阵列式 宽频带 piezoelectric energy harvesting sawtooth array broadband
1 苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215123
2 浙江大学机械工程学院，流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027
随着可穿戴电子技术的发展，柔性热电器件由于可持续供电能力、可弯曲形变性及便携性等特点成为穿戴能源设备领域的研究热点。然而，目前柔性热电器件存在拉伸性低、透气性缺乏、功能集成性差等问题，限制了其在穿戴设备中的有效应用。一维结构的纤维基可拉伸热电器件具有尺寸小、轻质、可形变性强、可编织等特点，能够实现穿戴织物的集成和人体热能的持续收集。综述可拉伸纤维基热电器件的材料、结构及制备方法，进一步讨论其在自供电传感、热能收集和热电致冷方面的应用，最后对纤维基热电器件的发展前景作出展望，并指出目前存在的关键挑战和难题。
热电材料 可拉伸热电纤维 热能收集 传感 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316010
1 江南大学纺织科学与工程学院针织技术教育部工程研究中心，江苏 无锡 214122
2 江南大学设计学院，江苏 无锡 214122
近年来光电子技术飞速发展，在各领域发挥重要作用，尤其在能源和传感领域有较大突破。与此同时，智能可穿戴作为智能终端产业下一个热点已被市场广泛认同，将光电子技术应用于纺织领域制备智能可穿戴设备是一个必然的趋势。纺织材料的柔性、可穿戴性及成熟的加工技术使其成为了智能电子设备的优良载体，结合光电子技术，智能纺织品可具备多种附加功能，包括传感、集能、交互等。重点讨论和总结基于光电子技术的智能可穿戴纺织品的分类、发展及应用，以便更好地与传统纺织结构或技术融合，推进智能纺织品在各个领域的发展。
光电子技术 可穿戴纺织品 传感 集能 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316004
1 重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室, 重庆 400065
2 重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044
为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题, 该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量, 副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量, 摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明, 收集器工作频带更宽, 比传统的单梁输出高54%, 主压电悬臂梁最大输出功率可达到874 μW, 副压电梁最大功率可达到683 μW。
智能电网 悬臂梁 压电效应 振动能量收集 电磁能量收集 宽频带 smart grid cantilever beam piezoelectric effect vibration energy harvesting electromagnetic energy harvesting wideband
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou 310024, China
Laser writing is a fast and efficient technology that can produce graphene with a high surface area, whereas laser-induced graphene (LIG) has been widely used in both physics and chemical device application. It is necessary to update this important progress because it may provide a clue to consider the current challenges and possible future directions. In this review, the basic principles of LIG fabrication are first briefly described for a detailed understanding of the lasing process. Subsequently, we summarize the physical device applications of LIGs and describe their advantages, including flexible electronics and energy harvesting. Then, chemical device applications are categorized into chemical sensors, supercapacitors, batteries, and electrocatalysis, and a detailed interpretation is provided. Finally, we present our vision of future developments and challenges in this exciting research field.Laser writing is a fast and efficient technology that can produce graphene with a high surface area, whereas laser-induced graphene (LIG) has been widely used in both physics and chemical device application. It is necessary to update this important progress because it may provide a clue to consider the current challenges and possible future directions. In this review, the basic principles of LIG fabrication are first briefly described for a detailed understanding of the lasing process. Subsequently, we summarize the physical device applications of LIGs and describe their advantages, including flexible electronics and energy harvesting. Then, chemical device applications are categorized into chemical sensors, supercapacitors, batteries, and electrocatalysis, and a detailed interpretation is provided. Finally, we present our vision of future developments and challenges in this exciting research field.
laser-induced graphene flexible electronics energy harvesting chemical sensors supercapacitors electrocatalysis Journal of Semiconductors
2023, 44(3): 031701
1 郑州大学 力学与安全工程学院, 河南 郑州 450001
2 郑州大学 智能传感研究院, 河南 郑州 450001
通过电磁激励方式研究了压电悬臂梁结构在超低幅值激励下的响应特性。对线性压电梁的响应进行了实验研究,分析了激励幅值的影响。研究了引入单侧阻挡后压电梁的非线性响应特性, 分析了激励幅值、阻挡间隙对单侧阻挡压电梁宽带响应的影响。实验结果表明, 在0.003 N的电磁激励下, 压电梁的振幅小于140 μm。引入单侧阻挡后压电梁表现出分段线性响应, 对阻挡间隙微米尺度的变化灵敏。随着间隙从100 μm减小到20 μm, 最大输出电压从3.14 V减小到1.17 V, 半功率带宽从5.8 Hz增大到18.2 Hz。
压电能量俘获 微振幅 电磁激励 非线性振动 单侧阻挡 宽带 piezoelectric energy harvesting micro amplitude electromagnetic excitation nonlinear vibration unilateral stopper broadband
1 大连理工大学 电子信息与电气工程学部，辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024
该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器，解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关，解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力，建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后，选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明，在1g(g=9.8 m/s2）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW，具有很强的低频能量收集性能。
压电悬臂梁 能量收集 低频振动 上变频 振动位移放大 piezoelectric cantilever beam energy harvesting low frequency vibration frequency up-conversion vibration displacement amplification
