文献综述
摘要：近二十多年间，可穿戴电子器件与无线传感网络得到了飞速的发展，尤其是在人体传感、军事安全监测系统和物联网信息传递等方面得到了广泛的应用。通常情况下电子器件依靠化学电池供电，但是铺设线路或更换电池成本过高，在某些恶劣条件下也不方便。因此，人们开始致力于寻求能够让微电子器件在不需大量人工维护的条件下能够独立、持久工作的方法。随着低功率数字信号处理器和大规模集成电路的发展，传感器件的能耗有了大幅下降，针对低功耗电子器件的供电难题，利用材料本身的功能特性结合能量收集技术制备而成的自供电器件应运而生。能量收集技术就是吸收环境中所未能利用的能源，将其转换成人们可以使用的电能，以达到能源回收的目的，如，太阳能、风能、振动能等。其中，振动能在生活中非常普遍，将振动能转换为电能的方式一般有电磁式、压电式和静电式三种。其中，压电式自供电器件具有机电转换效率高、输出电压高、体积小、结构简单等优点，获得了广泛的关注。目前自供电器件研究的方向主要是：压电材料的柔性化、设备的小型化、能量输出的高效化、器件的商业化。
关键字：能量收集器 自供电 压电 振动
- 研究背景
随着科技与时代的发展，人们对于“无电池”、“永久续航”的需求越来越迫切，在此背景下，基于能量收集技术的自供电器件应运而生。能量收集技术在2003年被评为十大改变世界新兴技术之首，具备巨大的发展前景。然而在过去相当长的一段时间里，自供电器件由于应用空间狭窄、技术不够成熟等原因发展缓慢。但随着物联网、智能传感器、可穿戴设备的问世与发展，现有的电池供电技术在便捷性、安全性、适用范围以及尺寸小型化等方面都逐渐遇见瓶颈，越来越难以满足人们的需求。因此，国内外相关领域的科学家变挑战为机遇，大力发展能量收集技术，研究先进的压电材料、减小设备的尺寸、提高器件的能量输出效率，极大地促进了自供电器件的蓬勃发展。作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统，压电自供电器件在一些不便更换电池的场合（如大型桥梁、公路的监控）和希望避免电池更换的场合（如植入人体的心脏起博器）具有广阔的发展空间。从微观应用角度来看，随着集成电路技术和电子信息技术的不断进步，很多传统器件都在向小型化、低功耗化的趋势发展。
二、研究现状
目前关于压电自供电器件已经有了许多的研究，压电材料是这方面的关键，现阶段常用的材料有：驰豫铁电单晶（PMN-PT、PMN-PZT、PMN、PZN）、压电陶瓷（PZT、BTO、PT）、压电纤维（PFC、MFC）、压电聚合物（PVDF等。现如今各种压电纳米线、纳米管(PZT、ZnO、BTO)也已经出现，它们所制备的压电薄膜具有很高的机电耦合系数、高介电常数和低损耗等特性，非常适合制作自供电器件。
这些材料中，压电陶瓷是自供电器件中应用最广泛的材料，压电陶瓷是一种具有压电特性的多晶体功能陶瓷，具有易于生产、价格便宜等优点，在电子和微电子装置以及其他社会生产领域有广泛应用。早在上世纪60年代PZT陶瓷和BTO陶瓷就已经出现，并不断延伸发展。随着对材料结构、加工工艺的不断研究，在对老材料的优化、新材料的发掘等方面都取得了巨大的进展。另一方面，纳米线、纳米管等压电材料因具有比表面积大、长径比大等优点，可以显著提高材料的机电耦合响应，越来越成为学者们的研究热点。在2005年，有学者通过水热法合成出来了PZT单晶纳米线，但是这种纳米线的长度不够，不能用于器件的制作。到了2010年，该课题组已经能够制备直径和长度分别为500nm和5mu;m的单晶纳米线，并成功将其用于能量收集器中。 2013年，美国的普林斯顿大学Cung等人合成出来了直径小于50nm单晶纳米线。它们的压电性能是压电材料中较为优越的，且具有更广泛的应用空间。然而，目前对单晶纳米线制作成自供电器件的研究还比较少，因此该研究领域具有非常广阔的发展空间。
以上的材料中，铅基压电纳米线因其较大的压电耦合系数而可以提供较高的输出电压，使得它们在高性能能量收集系统中具有巨大的应用潜力。此外，基于铅基压电纳米线的自供电器件，通常以聚合物或金属膜作为基底，由于其弹性模量小，弯曲曲率大，并且易于制造大尺寸的膜，已经引起越来越多的关注。
三、压电自供电器件所遇到的问题
目前已有的压电式自供电能量收集器主要存在两方面问题：
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