北京大学董蜀湘课题组在“磁-机-电耦合”研究方面取得重要进展

随着第四次工业革命的到来及信息技术的飞速发展，“物联网(IoT)技术”(即实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通) 随之应运而生。由海量低功耗电子元器件构成的传感器网络(WNS)在IoT中扮演着不可或缺的重要作用。在现有的技术下，驱动这些成千上万的电子器件是通过化学电池或者电网连线的方式来提供电能，但由此会带来诸多问题：化学电池存在寿命问题，海量的使用无疑会造成环境污染；电网供能的方式又会增加系统集成的复杂度，以及海量维修成本。新生的能量采集技术可以将环境中广泛分布的机械振动能、磁场能、波浪能、太阳能等各种可再生的清洁能源转化为电能，再用来驱动海量分布的电子传感元件，这将为传感器网络(WNS)系统的无线自供能提供一种全新的途径，也为解决海量分布式传感网络供电提供了可能。磁-机-电能量采集器基于磁扭力效应和压电效应，能够同时将环境中广泛分布的磁场能和振动能同时转换为我们所需要的电能，因此在多物理场能量采集技术中成为备受瞩目的一类。至今，磁-机-电能量采集器的研究广泛使用传统的悬臂梁谐振子机械结构，由于自身不可避免的固有夹持损耗，使得其进一步提高能量转换效率和输出功率逐渐陷入了困境。

近日，材料领域国际顶级期刊Advanced Energy Materials在线报道了北京大学材料科学与工程学院董蜀湘教授课题组在磁-机-电耦合研究领域取得的重要进展。论文题目为“Significant Output Power Enhancement in Symmetric Dual-Mode Magneto-Mechano-Electric Coupled Resonators”(DOI: 10.1002/aenm.202202306)。作者通过建立的修正的等效力学模型，揭示了传统单模态磁-机-电耦合谐振子存在机械损耗的本质原因，并在此基础上，相应地提出了磁-机-电耦合的对称双模态谐振子设计，可有效抑制谐振子的机械损耗、大幅度提高能量采集器的磁-机-电-耦合性能和输出功率。


图1 对称双模态与修正的等效力学模型


图2 对称双模态谐振子能量采集器的磁-机-电耦合与能量采集性能

实验上，课题组研制了基于锆太酸铅压电陶瓷的音叉结构对称双模态谐振子的磁-机-电耦合能量采集器;在4 Oe的磁场激励下，制备的新型双模态磁-机-电能量采集器能够产生峰峰值输出功率72 mWpp (9 mWRMS)，并能够直接实时驱动160盏商用LED灯。相比传统广泛使用的单模态悬臂梁谐振子能量采集器而言，输出功率提高了437%。应用实例进一步揭示，新型双模态磁-机-电耦合谐振子能量采集器能够有效采集典型家用电器（吹风机）工作时辐射的杂散弱磁场，并能够产生峰峰值电压和功率输出分别为42 Vpp和7.5 mWpp。这一输出功率足够实时驱动商用小米温度-湿度传感器，并通过蓝牙技术和手机终端进行连接。以上结果证明了本文提出的新型双模态谐振子能量采集器具备强的磁-机-电耦合能力、优异的功率输出性能，以及未来在物联网系统自供能模块中的应用潜力。并且，该工作所提出的对称双模态概念将对未来所有基于振动的器件（如机电耦合器件、磁电耦合器件、磁机耦合器件等）设计都具有指导和启发意义。


图3 应用实例

该论文的第一作者是北京大学材料科学与工程学院2020级博士生余中辉，董蜀湘是该论文通讯作者。共同作者包括北京大学工学院2021级博士生邱昊、李法新研究员、哈尔滨工程大学储昭强副教授等。这项研究获得国家自然科学基金委（51772005）资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支持。

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