處於問題核心的壓電式能量收集技術

　　僅需更換一塊電池就能避免開心手術，這是外科專家渴望實現的願望之一。 起搏器電池的平均壽命約七年左右，有時可達十年。 老年人要應付的健康問題已經夠多了，因此不必要僅僅為了更換搏器電池就要做這種手術。 任何外科手術都會引起感染、大出血或其它併發症。 例如，對於需要用心臟起搏器矯正心律失常的年輕病人來說，在以後漫長生活中等待他們的將是頻繁的手術。

　　因此，自供電起搏器長期以來一直是醫療裝置開發人員追求的目標。 將心跳振動轉換為電能後為起搏器供電是一個最受歡迎的方法，也是全球許多研究專案的研究課題。

　　

　　圖 1：KAIST 正在開發的柔性壓電式發電機藝術想像圖，它將使自供電起搏器成為現實。 

　　人的心跳可產生最高 30 Hz 的低頻振動。 由於收集器製造材料易碎，因此在如此低頻下一直很難實現能量收集。 今天的大量研究都是圍繞如柔性高分子奈米材料等“智慧”材料展開的。 此外，可植入器件需要具有生物相容性，並進行多年測試和專門認證。

　　同時，壓電式能量收集技術一般情況下在外部可穿戴裝置中的潛力很大。 體育裝置和健康監視產品便是很明顯的例子。 用於監視人們在跑步、騎自行車和使用體操器械時的心率和心功能的監視器已很普遍。 在醫療領域，手錶、手鍊和補片正在更多地用於監視病人的心臟情況、糖尿病或其它慢性病。 最近以來，谷歌眼鏡 (Google Glass) 在醫療保健領域正表現出一定的潛力。

　　本文將回顧最近專門針對壓電式心臟起搏器進行的研究開發，並特別介紹所用的材料和宣稱的效能。 這種技術在面向工業和消費應用時將如何發展，尤其在可穿戴裝置方面，您在閱讀本文後將會對此有一定的瞭解。

　　市面上的壓電式能量收集裝置的體積越來越小，因此更適用於可穿戴產品。 現在，已有互補性電源管理電路可用來開發利用這些裝置。 我們看一個典型的設計方法，該方法基於 Midé Technology 的 Volture 系列壓電式能量收集器和 Linear Technology 的 DC1459B 能量收集演示板。 後者基於 LTC3588-1 壓電式能量收集電源和相應的升壓轉換器。

　　更換電池

　　來自韓國科學技術學院 (KAIST) 的研究小組聯合該國延世大學 (Yonsei University) 的 Severance 醫院心臟科，開發出一種自供電人造心臟起搏器，該器件通過柔性壓電式奈米發電機以半永久性方式工作。1在試驗中，從微小運動收集到的電能可達到 8.2 V、0.22 mA。 該研究小組用一大塊單晶體 PMN-PT 薄膜製造高效能柔性奈米發電機。

　　一旦開發成功，這種柔性壓電式發電機不僅能向心髒起搏器提供足夠的電能，還可用於實時監視。 該器件最終還可向其它型別的可植入醫療裝置供電。

　　在美國(伊利諾伊斯州大學 Urbana-Champaign 分校)正在開發一種類似方法，他們採用了一種柔性壓電式補片型裝置設計，從人體的自然動作中收集能量。2這種補片內含一層由 500 nm 厚的鋯鈦酸鉛 (PXT) 帶製成的薄片，外纏金和鉑金電極，封裝在聚醯亞胺外殼中。

　　各種測試已經表明，這種生物相容性裝置能從心跳收集足夠的能量，向現代心臟起起搏器供電。 現代心臟起搏器需要大約 0.3 µW 電能。 當把這些補片固定到右心室時，結果證實這它們能產生 0.18 µW/cm² 的能量。 這些補片可採用多層板結構，以產生更多能量。

　　在加拿大，滑鐵盧大學 (University of Waterloo (UW)) 的研究人員正在開發一種寬頻混合型能量收集器，該器件設計旨在大幅延長電池壽命，以減少所需的心臟手術次數。 該設計的創新表現在，通過結合多種智慧材料，將環境振動轉換為電能，最終實現在更大的頻率範圍內工作。 如果振動源的運動速率降低，則頻率降低，且所產生的能量水平也隨之降低。

　　然而即使在低頻下，也能證實這種原型器件能繼續利用振動源。 在 8 Hz 至 12 Hz 頻率範圍內收集的能量可產生將近 1 mW 級的輸出功率。 目前的原型產品有望用於向無線感測器供電，這些感測器有助於探測建築物的裂紋和損壞。

　　血壓

　　巴黎第十一大學 (Université Paris-Sud) 正採用不同的方法來開發一種無引線囊狀起搏器，這種起搏器直接置於心房內，而不是固定到心壁後再將引線放入靜脈。 所收集的能量來自血壓的週期型變化效應，然後囊狀起搏器的柔性封裝將血液產生的壓力傳輸至內部的 3D 靜電變送器。 這種方法的主要優勢，也是研究人員所宣稱的，就是其較大的功率密度、對心跳頻率的適應性和可以小型化。

　　經實驗測試證明，一個採用複雜電極形式的大行程優化型、壓電式旋轉變送器產生的功率密度為每週期 3 µJ/cm³。 研究人員堅信經過進一步開發後，該器件能自動為下一代心臟起搏器提供充足的電能。

　　巴黎第十一大學 (Université Paris-Sud) 與 MANpower 專案組通力合作，後者是由愛爾蘭科克大學 (University College Cork) 廷德爾國家研究所 (Tyndall National Institute) 領導的一個歐洲聯盟。4 該專案已組投入重資，為醫療植入物開發可以永久性供電的器件。 研發的關鍵領域是低頻振動下的能量收集、高能量密度微能量儲存、微型化和生物相容性封裝。

　　進行成功的能量收集並向心髒起搏器供電的關鍵問題是，應確保壓電器件不會干擾心臟正常工作，導致希望減輕的問題反而惡化，同時還應確保這些器件能工作十年以上。

　　技術滲透

　　這種高階技術將最終滲透到工業和商業應用中。 微型化和能效是這些器件擴大使用範圍的關鍵引數。 當然，振動能量收集技術已廣泛用於向各種遠端感測裝置供電，如機械、車輛和建築的監視裝置。 這些裝置已用於一些可穿戴產品(如訓練鞋和其它體育裝置)和健康監視裝置中。

　　Measurement Specialties 已開發出各種型別的振動感測產品，其中的一些產品適用於可植入裝置。 針對更多可觸及的工業和商業應用，該公司產品中還包括 Minisense 100 系列，該系列器件可整合到裝置中用來監視監視生命體徵。 1005939 是一種通過重量載入的低成本懸臂式振動感測器。 該器件專為從 0 Hz 到 40 Hz 的低頻工作而設計。

　　當懸臂水平安裝時，由於懸臂尖端有慣性質量，垂直平面內的加速度會使懸臂彎曲。 懸臂內的應力會產生壓電反應，這種反應可在感測器的電極上以電荷或者輸出電壓的形式檢測到。 該器件總尺寸僅 18 x 7 mm。

　　Midé Technology 的 Volture 系列壓電式振動能量收集器旨在滿足日益增長的無線感測器網路的遠端供電需求。 這些器件能取代電池或作為能量儲存源的補充，以延長維護期。 V22BL 的頻率檢測範圍為 26 Hz 至 110 Hz，是該系列產品中頻率最低的。

　　通過預先固定電氣引線，再採用保護層封裝器件，Midé 消除了一般情況下壓電材料易碎的劣勢，這也正是新型研究通過開發智慧材料來竭力避免的特性。 Volture 收集器可靠耐用，採用全密封結構，適合各種苛刻的環境。

　　能夠相容 Linear Technology 的 LTC3588 壓電式電源電路，是 Volture 系列的另一有用特性。 實際上，Midé 的 EHE004 能量收集調節電路充分利用了 LTC3588，將其 Volture 收集器的 AC 輸出轉換為 DC 穩壓輸出。 該器件包括一個全波整流器，並整合了電荷管理和 DC - DC 轉換功能。 其中，DC 輸出可配置為 1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 3.6V, 且該板還包括一個 200µF 儲能電容器。

　　LTC3588-1 被描述為一款毫微功耗能量收集電源，具有靜態電流為 450 nA 的欠電壓鎖定模式以及較寬的滯後視窗，因此能在輸入電容器上一直累積電荷，直到降壓轉換器能有效地將已儲存的一部分電荷轉換為輸出。 典型應用見圖 2。

　　

　　圖 2：簡單取樣應用電路中的 LTC3588-1 壓電式能量收集電源。

　　目前有許多評估板可用，包括採用 LTC3588-1 的 DC1459B-A 演示板。 現有快速入門指南可供下載，該指南包含詳細的工作原理和電路圖。

　　總結

　　針對壓電能量收集新材料所進行的研究，尤其在自供電起搏器和其它可植入器件方面，極有可能實現更小、更具柔性以及更高能效的器件，進而運用到工業、商業領域以及健康監視和體育裝置的可穿戴產品中。