行政院國家科學委員會補助

大專學生參與專題研究計畫研究成果報告 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

＊ 計畫 ＊ ＊ ：壓電能量採集電路之設計 ＊ ＊ Circuit Design for Piezoelectric Energy Harvesting ＊ ＊ 名稱 ＊ ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

執行計畫學生：李佩欣

學生計畫編號：NSC100－2815－C－168－002-E

研 究 期 間 ：100 年 7 月 1 日至 101 年 2 月底止，計 8 個月 指 導 教 授 ：林明權

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執 行 單 位：崑 科技大學電子工程系

中 華 民 國 100 年 2 月 28 日

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壓電能量採集電路之設計 Circuit Design for Piezoelectric Energy Harvesting

李佩欣

崑山科技大學

電子工程系

mc.lin@seed.net.tw

摘 要 能 量 採 集 ( e n e r g y s c a v e n g i n g ) , 乃 是 利 用 現 成 的

實體能源來產生電力的轉換技術。這些現成可用的實體能源包括溫差裝

置(熱電發電機或溫差電堆)、機械振動器(壓電或機電設備)和光(太陽

電池設備)等。透過能源採集技術，正積極推動了眾多的無線感測器、

遠端監視器和其他低功率應用逐漸發展成為近乎零功率的元件。未來能

量採集科技產品最大的市場可能是建築物自動化與無線感測系統。

本研究針對各種常見之壓電能量產生模式，採用超級電容來設計與分

析壓電能量採集電路模組之效率，並以IsSpice模擬、觀察與測試其能源

轉換與供電能力。

關鍵詞：壓電、能量採集、超級電容。

2

誌 謝

首先感謝國科會計畫編號：NSC100－2815－C－168－002-E，讓我有

這個機會實行此專案計畫與經費上之補助，特申謝忱。

再來是得到此計畫後至今八個多月的日子裡，非常感謝我的指導教授

林明權老師所給予的指導、鼓勵與關心相當的多，不論是專案中會用到的

觀念啟發、理論或實驗之進行等，還有為人處事及學習態度上老師給予的

適當的教導，也感謝家人、學長們、朋友們在各方面的幫忙與扶持，使我

有這個機會得到此國科會專案，並且將它實現。

3

目 錄

頁數摘要 -------------------------------------------------------------------- 1 誌謝 -------------------------------------------------------------------- 2 目錄 -------------------------------------------------------------------- 3 圖目錄 -------------------------------------------------------------------- 4 表目錄 -------------------------------------------------------------------- 5 一、 緒論-------------------------------------------------------------- 6 1.1 研究動機與問題----------------------------------------------- 6 1.2 文獻回顧與探討----------------------------------------------- 6 1.3 研究方法及步驟----------------------------------------------- 8 1.4 預期結果-------------------------------------------------------- 9 二、 超電容器-------------------------------------------------------- 10 2.1 簡介-------------------------------------------------------------- 10 2.2 應用特性領域-------------------------------------------------- 10 2.3 應用範例--太陽能 LED地磚--------------------------------- 12 三、 壓電材料------------------------------------- 14 3.1 壓電效應-------------------------------------------------------- 14 3.2 壓電材料-------------------------------------------------------- 18

3.3 壓電效應的應用----------------------------------------------- 19 3.4 腳踩發電地板-------------------------------------------------- 24 3.5 腳踩發電地板-------------------------------------------------- 25

四、 壓電能量採集電路-------------------------------------------- 27 五、 結論與討論 30 參考文獻 -------------------------------------------------------------------- 32 附錄一 超級電容規格(電壓=2.5V) ---------------------- 34 附錄二 台灣容易買到之超級(法拉)電容規格 ----------------- 35 附錄三 NESSCAP公司 2.7V之 3F-50F超級電容規格------------- 36 附錄四 NESSCAP公司2.3V之50F-120F超級電容規格----------- 37 附錄五 NESSCAP公司 2.7V之 100F超級電容規格--------------- 38 附錄六 NESSCAP公司2.3V之 220F-300F超級電容規格--------- 39 附錄七 NESSCAP公司2.7V之 360F超級電容規格----------- 40 附錄八 NESSCAP公司2.7V之650F-3000F超級電容規格-------- 41 附錄九 NESSCAP公司2.7V之600F-5000F超級電容規格-------- 43 附錄十 名詞解釋-------------------------------------------------------- 44

4

圖 目 錄

頁數 圖 1.1 典型能源採集系統的四個主要模組---------------------------------- 8 圖 1.2 LTC3588-1 電路將振動源或應變源轉換為電流------------------- 9 圖 2.1 超級電容之供電角色---------------------------------------------------- 12 圖 2.2 太陽能LED地磚----------------------------------------------------------- 13 圖 3.1 一般壓電陶瓷內部晶體排列凌亂，加電壓處理後，使晶體排列

一致，而成為壓電材料。------------------------------------------------- 14

圖 3.2 溫度低於居禮溫度以下介電係數ε(0)才會具有壓電性 14 圖 3.3 壓電陶瓷內部晶體極化過程微結構變化---------------------------- 15 圖 3.4 壓電材料中的原子在正常排狀態下，其電偶極之偶矩是固定的 15 圖 3.5 壓電材料在特定軸向受到擠壓時，原子間之電偶極矩縮短了--- 16 圖 3.6 壓電材料在特定軸向受到擠壓時，原子間之電偶極之偶矩縮

短，材料產生抵抗性之電極化方向，而在壓縮端會產生電子--- 17

圖 3.7 壓電材料在特定軸向受到拉伸時，原子間之電偶極之偶矩變長，材料產生抵抗性之電極化方向，而在拉伸端會產生電動---- 17

圖 3.8 PZT 晶形結構-------------------------------------------------------------- 18 圖 3.9 左圖按壓壓電片組，右圖由壓電片組擷取出電能供電給發射電

路---------------------------------------------------------------------------- 21

圖 3.10 左圖兩相反極化壓電材料串接，右圖按壓壓電片組即可在兩端產生瞬間電流------------------------------------------------------------- 21

圖 3.11 左圖拆解電子打火機，拉出兩線端接上ＬＥＤ，右圖按壓瞬間產生火花，使ＬＥＤ等發亮--------------------------------------------- 22

圖 3.12 完整的壓電換能器包括前端的驅動電路，壓電複材與後端的界面結構---------------------------------------------------------------------- 24

圖 3.13 1-3 壓電複材技術之比較圖------------------------------------------- 25 圖 3.14 2-2 水泥基底壓電複材之比較圖-------------------------------------- 25 圖 3.15 為增加擠壓壓電晶體時之發電效率，在壓電複材之製作時已考

慮一次擠壓時能同時產生很多電偶極之變化，進而提高發電

量。從(a)圖到(e)圖，我們觀察到壓電複材的機械結構設計是

一關鍵技術----------------------------------------------------------------

26

圖 4.1 PZT 晶體等效發電機電路模型----------------------------------------- 27 圖 4.2 腳踏PZT壓電地板發電時之等效電流訊號-------------------------- 28 圖 4.3 壓電晶體對超級電容充電---------------------------------------------- 28 圖 4.4 無負載時，壓電晶體對超級電容充電，Cs 的影響效應------------- 29 圖 4.5 有負載時，壓電晶體對負載之供電能力與Rload成正比---------- 30

5

表 目 錄

頁數 表2-1 各種電池之特性比較表--------------------------------------------- 11 表3-1 壓電材料物理特性--------------------------------------------------- 19 表3-2 各種能源種類之功率密度------------------------------------------ 20 表3-3 壓電麥克風之電氣特性--------------------------------------------- 22 表4-1 一般商用化超音波級之壓電複材之電氣特性------------------ 27

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一、 緒 論

1.1 研究動機與問題

能量採集(energy scavenging)，乃是利用現成的實體能源來產生電

力的轉換技術。這些現成可用的實體能源包括溫差裝置(熱電發電機或溫

差電堆)、機械振動器(壓電或機電設備)和光(太陽電池設備)等。透過能

源採集技術，正積極推動了眾多的無線感測器、遠端監視器和其他低功率

應用逐漸發展成為近乎零功率的元件。

在很多公共空間，來往行人雜沓、頻繁，如果能舖設壓電地板來將人

體與地心引力所產生之機械能軟換為電能，確是地球能源危機之一大救星

與危機。然而，壓電材料的種類與結構很多種，或者說各個究機構與場家

所構成能發電的「壓電複材」各有特色，並無一定標準，因此很難有所謂

標準的高效率能量採集電路之設計。但是針對各種常見之壓電能量產生模

式，探討一種能量採集電路之一般結構以供後來case-by-case之高效率電

路模組之設計是有其必要性。。

1.2 文獻回顧與探討

新興的壓電式能量採集(piezoelectric energy harvesting)技術

領域最近又有新突破。研究人員最終目標是能設計出可透過環境運動

(environmental motion)為小型電子裝置供電的能量採集裝置。美國史

蒂文斯理工學院，他們是使用鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate，PZT)

奈米材料，該種材料號稱能較競爭產品所使用的氧化鋅壓電材料，製作

出更高電壓輸出的裝置。所製作出的能量採集裝置最高可在30nA 產出

16V 的電壓[1]。許多低功率工業感測器和控制器正逐漸轉而採用可替代

能源作為主要或輔助的供電方式。在理想情況下，這些採集到的能源將可

免除必須增設有線電源或電池的困擾。利用現成的實體能源來產生電力的

轉換正逐漸成為許多應用的最佳來源；這些現成可用的實體能源包括溫差

裝置(熱電發電機或溫差電堆)、機械振動器(壓電或機電設備)和光(太陽

7

電池設備)等。透過能源採集技術，正積極推動了眾多的無線感測器、

遠端監視器和其他低功率應用逐漸發展成為近乎「零」功率的元件。能

源採集(energy harvesting)自2000 年初就已出現，但直到近期的技術

發展才將它推向商用化階段。最大的市場便是建築物自動化。針對建築物

自動化而言，諸如佔用感測器、恆溫器和燈光開關等系統都不必再使用過

去一般所需的電源或控制線路，取而代之的是一組機械或能源採集系統。

利用能源採集技術的無線網路能夠連接建築物中所有的感測器，從而讓建

築物在無人值守的情況下，透過切斷非必要區域的供電來降低「暖氣、通

風和空調系統」(HVAC)以及照明的成本。把「壓電發電裝置」視為「可發

電的地磚」，應用面很廣。經撞擊或碾壓後將機械能轉為電能，可以水平

的編排方式鋪設在人行道或車道上，當受到人力與外力撞擊、碾壓時，即

刻產生電力，可直接用在照明或警示燈上警示，也可用在跳舞機、鞋子、

按摩器上，產生電力驅動或發光。把壓電發電裝置」鋪設在道路上，當車

輛碾壓時可偵測超速與超重；鋪設在巷口前，車輛碾壓時啟動警示器，警

告車輛逼近，以維護行人安全。「壓電發電裝置」經碾壓、撞擊可發出30

瓦電力，可透過充電電路儲備電力後使用。國外很多研究透過無線裝置，

傳輸產生的電力或傳遞訊號，控制電訊用品或開關；初步用在遙控模型電

動汽車上，成效不錯。壓電發電裝置，是一種藉由機械能轉換成電能的裝

置。藉由腳踏的上下震動來帶動發電裝置中壓電片的應變，將所得的電量

經由整流電路轉換成直流後，藉由電源管理IC 對電池充電動作做控制。

由於壓電裝置電流只有幾微安，沒辦法驅動IC 內的電路，所以利用整流

電路整流後，直接對電池充電或先對超級電容充電，再利用超級電容來對

充電電池充電。為了降低發電裝置的共振頻率，可在壓電片上放置了一質

量塊，以降低共振頻率，而增加壓電片的發電效果，不過太重的質量塊將

使得潛變的現象明顯。交大機械所的研究指出：加上質量塊後，在7.69Hz

的機構擺動頻率下，產生出的峰-峰電壓經量測達到9.32 伏特。[2]

8

1.3 研究方法及步驟

研究方法：

典型能源採集系統的四個主要模組：

圖 1-1：典型能源採集系統的四個主要模組。

典型的能源採集配置或系統(見圖1-1)通常包括一個免費的能源，例

如連接於某個機制振動來源(如空調系統管路或窗玻璃)上的壓電轉換

器。這些小型壓電元件能夠將微小的振動或應變差轉換為電能，隨後再由

一個能源採集電路進行轉換，成為一種可為下游電路供電利用的形式。下

游電路通常包括某種類型的感測器、類比數位轉換器(ADC)和一個超低功

率微控制器。這些元件能夠獲取所採集的能源，並以電流的形式存在，接

著啟動一個感測器來取得讀數或測量結果，並透過一個超低功率無線收發

器來傳輸這些數據。該鏈路中的每個電路系統模組(能源本身或許除外)

都存在一些可能影響其實現商用化的限制條件。低成本和低功率的感測器

以及微控制器已上市多年了；然而，超低功率收發器一直到最近才實現了

商用化。不過，在該鏈路中一直處於落後發展狀態的就是能源採集器。

Linear Technology 公司推出了全新的 LTC3588-1 壓電式能源採

集電源供應器，大幅簡化了從這類能源中採集多餘能源的工作[3][4]。圖

1-2 顯示的電路採用了一個小型的壓電轉換器，用於將機械振動轉換為AC

電壓電源，並饋入LTC3588-1 的內部橋接整流器。它能夠採集微小的振動

9

源並產生系統電源，以取代傳統的電池電源。

圖 1-2：LTC3588-1 電路將振動源或應變源轉換為電流

雖然 Linear Technology 公司推出了這一顆全新的 LTC3588-1 壓電

式能源採集電源供應器，但是並不完全適用於所有壓電複材之能量採集，

要提高能量採集的效率，還是要針對不同壓電複材來調整電路結構。

1.4 預期結果

本研究將針對常見之壓電能量產生模式，採用超級電容來設計與分析

壓電能量採集電路模組之效率，並以IsSpice模擬、觀察與測試其能源轉

換與供電能力。

10

二、 超級電容器(Ultracapacitor,Supercapacitor)簡介

2.1 簡介

超級電容，表現與電池相同，也稱電容電池。超級電容是利用雙電層

(Electric Double Layer Capacitor，EDLC)原理製成的電容器。一般電容，

是靠電解質極化能力取得電容量。超級電容是靠固體和固體、固體和液體

界面存在的正負雙電層來取得容量。各不同廠牌亦有其不同的專有名稱，

例如金電容。或因為其容量遠大於常用之 pF,μF 而大到數法拉 F 以上，故

又簡稱法拉電容。它能達成法拉( Farad)容量的電能乃因為活性碳電極具

有達到每公克材料約 1.5m²的表面積而其電極距離只有在 0.1nm 之間，故其

具有相當高的電容量(Capacitance).

它主要特性有：

尺寸小，電容量大，儲能密度大，適合小型與便攜型機器用。

溫度適用範圍較寬（- 40℃ ~ 85℃），二次電磁溫度約０℃~ 40℃。

大電流充放電性能優越，功率密度是鋰離子電池的數十倍以上，適合

大電流放電（4.7F 電容能瞬間放出 18A 以上）(輔助直流馬達啟動電

力)

充放電時間短，電路簡單，無須限流和充放電控制迴路；

二次電池受充放電流限制，充電時間長，需幾小時到十幾小時；

而雙電曾電容器部受充電電流限制，可快速充電，幾秒到幾分即可。

漏電流小。

超長壽命，充放電大於 50 萬次，是鋰離子電池(1000 次)的 500 倍，

是鎳氫及鎳鎘電池(500 次)的 1000 倍。

材質不含有毒物質，符合 RoHS 環保指令。

11

表 2-1：各種電池之特性比較表

(Loreto Mateu and Francesc Moll, “Review of Energy Harvesting

Techniques and Applications for Microelectronics,＂)

2.2 應用特性領域

超級電容的典型應用領域：

●儀器及電表

●電動車

●直流電動手工具

●通訊及家電產品

●太陽能照明燈

●電動玩具

超電容有金屬材料型與活性碳材料型兩種不同結構的技術，大部分產

品以活性碳材料型為主。它採用活性碳為電極材料，水性氫氧化鉀或碳酸

丙烯酯有機材料等為電解液的儲能元件，具有比電解電容多百倍以上的能

量密度，比一般電池多 10 倍以上的功率密度。功能上可彌補電池瞬間大電

流放電能力的限制。

12

圖 2-1： 超級電容之供電角色

假設紅色曲線代表蓄電池組之常態供應電量，而藍色曲線代表負載之

電量需求變化曲線。對於突發短暫之大電流放電需求，容易使蓄電池組損

傷，若採用功率密度比一般電池多 10 倍以上的超級電容來補充供應此一時

段之瞬間放電需求，則可延長蓄電池組之壽命。

如負載是小電流耗電或儲電,超級電容亦可作為替代電池的儲能器。對

於一些不規則、短暫、之能源收集，超級電容的充電時間極短，可以不遺

漏地收集圖發之能量。充放電週期高達 50 萬次以上，可讓超級電容適用於

充電小且頻繁之壓電能量收集應用場合。

超級電容公車已在上海市進行運轉，利用每站靠站充電 30 秒，可供公

車行駛 8公里到下一個停靠站充電，超級電容將可減少 67%能源損耗，行車

成本只需汽油的 1/3。

2.3 應用範例--太陽能 LED 地磚(Solar LED Lighting Tile)[5-10]

使用在建築及室外景觀照明的太陽能 LED 照明地磚,它利用太陽光發

電，採用單晶太陽電池將光能轉換成電能並儲存於可長期重複充放電的超

高電容器，此種儲能技術可在嚴苛環境下工作(-25°C ~ 60°C)超過 10 年而

無需維護。在晴朗的天氣約一小時即可將電力充飽，在陰天或太陽照射角

度不佳情況下約 8小時可將電力充飽，充飽的電能可維持 12 小時照明。

產品顏色共有綠、藍、白、紅、橙、琥珀等 6種及 20x10x6,20x20x6 (cm)

2 種尺寸，高發光效率 LED,電力由太陽光電蓄存於超高電容器，充飽電力

13

可照明整個夜晚。產品可做水平或垂直安裝於廣場、中庭、購物中心、車

道、行人穿越道、樓梯、噴水池、草坪等地方。

主要特色：

不須電力配線，沒有漏電的危險。

不需付電費，由太陽光供電。

不用電池，採用電容儲能(活性碳材料)，為科技與環保的結合。

不須維護，沒有更換電池的問題，10 年內仍保持有 80%以上充電及

發光效率。

採用 PWM 電子技術，提高充放電效率。

充飽電力可照明整個夜晚(12 小時)。

充電快，充電效率高，1~8 小時充飽。

抗壓高強度聚碳酸酯工程朔膠，可承受一般私人轎車輾過。

可承受嚴厲環境，工作溫度：- 25°C ~ +60°C 。

防水等級高：防水 IP68，可在水中正常工作。

在暗的環境下自動點亮。

尺寸：(1)198x198x60, mm @ 2.7 kgs,

(2) 198x 99x60, mm @ 1.4k kgs.

圖 2-2 太陽能 LED 地磚

14

三、壓電材料（piezoelectric material）

3.1 壓電效應

一般壓電陶瓷內部晶體排列凌亂，必須加電壓處理(Polling Process)，

才能使晶體排列一致，如圖 3-1 所示。

圖 3-1：一般壓電陶瓷內部晶體排列凌亂，加電壓處理後，使晶體排列

一致，而成為壓電材料。

影響壓電晶體極化的因素有三：時間、電場與溫度。在居禮溫度以下

才會具有壓電性，如圖 3-2 所示。

圖 3-2：溫度低於居禮溫度以下介電係數ε(0)才會具有壓電性。

15

壓電陶瓷在加壓製程後其極化過程之微結構變化如圖 3-3 所示。從晶

格的角度來看，明顯的看到ＰＺＴ加電壓後內部離子的運動，如圖 3-4 所

示。

極化前 極化後

圖 3-3：壓電陶瓷內部晶體極化過程微結構變化

ＰＺＴ未加電壓時 ＰＺＴ加電壓極化後

圖 3-3：ＰＺＴ未加電壓時與ＰＺＴ加上電壓時內部離子之運動

從電偶極的角度來看，壓電材料未極化前，為單純介電體，經過直流

16

高壓極化處理後，即產生淨電偶極因此具備壓電特性。壓電材料中的原子

在正常排狀態下，其電偶極之偶矩是固定的，如圖 3-4。

。

圖 3-4：壓電材料中的原子在正常排狀態下，其電偶極之偶矩是固定的

當壓電材料在特定軸向受到擠壓(compress stress)時，原子間之電偶

極之偶矩縮短了，如圖 3-5 所示。

圖 3-5：壓電材料在特定軸向受到擠壓時，原子間之電偶極矩縮短了

對於正壓電效應之壓電材料而言，當施加壓力於壓電體時，電偶極

矩因壓力壓縮而變短，壓電體內為了抵抗壓縮會產生相反方向之電極化

(Polarization)，壓縮端會產生負極，如圖 3-6 所示。

17

圖 3-6：壓電材料在特定軸向受到擠壓時，原子間之電偶極之偶矩縮短，

材料產生抵抗性之電極化方向，而在壓縮端會產生電子

對於正壓電效應之壓電材料而言，當拉伸壓電體時，電偶極矩因拉伸

力而變長時，壓電體內為了抵抗壓縮會產生相反方向之電極化

(Polarization)，拉伸端會產生正極，如圖 3-7 所示。

圖 3-7：壓電材料在特定軸向受到拉伸時，原子間之電偶極之偶矩變長，

材料產生抵抗性之電極化方向，而在拉伸端會產生電動

18

從相反方向的觀點來看，在壓電材料兩端施加交流電壓，可以使壓電

材料交替縮短與變長。這是反方向的應用，不在本研究範圍內。。

3.2 壓電材料

壓電材料主要有陶瓷類與單晶類兩類

1. 陶瓷類

鈣鈦礦結構（Perovskite Structure）--鈦酸鉛鋯(PZT)

圖 3-8：PZT 晶形結構

壓電特性：

19

2.單晶類

石英等單晶類等壓電晶體與其陶瓷類壓電晶體之特性比較表：

表 3-1 壓電材料物理特性[11]

3.3 壓電效應的應用

1.機械能轉成電能

對於無所不在(Ubiquitous)或手持式電子用品之供電需求，或那

些必需自行供電之應用場合，利用大自然之機械能轉成電能，是不二

之選擇。一些無線傳輸應用之電源解決方案，似乎也是壓電複材之發

揮空間。相對於其他能源截取方式，機械能轉成電能之壓電複材自有

其優、缺點：

20

表 3-2 各種能源種類之功率密度[12]

能源種類 功率密度(uW/cm2)1 年壽命 功率密度(uW/cm2)10 年壽命

室外太陽能

15-20% 15,000(晴)150(陰) 15,000(晴)150(陰)

室內太陽能 10(辦公桌) 6(辦公桌)

壓電振動 250 at 2.25m/s2 120Hz 250

靜電振動 50 50

噪音 0.003(75dB),0.96(100dB) 0.003(75dB),0.96(100dB)

溫度梯度 40(5C 梯度,0.5cm2,1V output) 15(10C 梯度)

壓電鞋踏 330 330

一次鋰電池 45 35

二次鋰電池 7 0

燃料電池 280 28

人力 燃燒 10.5MJ/day, 平均 121W

風車 20-40%, 風速 18mph

(1)瓦斯點火器：高壓、低電流發電機

原理：藉由按壓壓電片,使壓電片產生形變位能，彈放瞬間其位能經

由壓電片轉變為電能；

範例：當點燃熱水器時，廠家在點或裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，

當按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置把壓力施加在壓電陶瓷

上，使它產生電壓，再將電能引到燃氣的出口放電，燃氣被

火花點燃。

(2)訊號發射器

原理：按壓壓電片組，使其瞬間產生高達數百伏特的脈衝(pulse)，

在短暫的 0.05 秒的時間內供給電功率

範例：手按無電源控制訊號發射器，如圖 3-9。

21

圖 3-9：左圖按壓壓電片組，右圖由壓電片組擷取出電能供電給發射電路

(3)LED 點亮器

原理：將兩相反極化壓電材料串接如圖 3-10，引出正負兩極接線，

兩端連接 LED，按壓壓電片組即可產生瞬間電流點亮 LED

範例：拆解電子打火機，拉出兩線端接上ＬＥＤ，按壓打火機可瞬

間產生火花，使ＬＥＤ發亮，如圖 3-11 所示。

圖 3-10：左圖兩相反極化壓電材料串接，右圖按壓壓電片組即可在兩端產

生瞬間電流

22

圖 3-11：左圖拆解電子打火機，拉出兩線端接上ＬＥＤ，右圖按壓瞬間產

生火花，使ＬＥＤ等發亮

(4)跳舞機之壓電發音片

(5)共鳴音箱

(6)施力、壓力與加速度感測器

(7)微型發電機

(8)平台穩定感測器

2.電能轉機械能

(1) 壓電麥克風

表 3-3 壓電麥克風之電氣特性

(2)平面型揚聲器

(3)超音波馬達

(4)小型振盪攪動器

(5)高精度微致動器

(6)噴墨印表機之幫浦

23

3.電能轉機械能再轉電能

3.4 腳踩發電地板

上海科技節黃浦區活動開幕式在百聯世貿國際廣場舉行，“發電地板＂

科普項目正式啟動。上海世博會日本館所展示的“發電地板＂出現在了中

華商業第一街——南京路步行街上,腳踩地板就能發電。從今以後，廣場上

鋪設的“發電地板＂將成為市民遊客體驗科技的常設專案。隨著有節奏的

踩踏聲，科技工作者們與市民遊客一起感受“發電地板＂所帶來的驚喜。

一位市民興奮地說，去年在日本館就見識過“發電地板＂的神奇， 前天，

2011 年科技節黃浦區活動開幕式在百聯世貿國際廣場舉行，“發電地板＂

科普項目正式啟動。

上海世博會日本館所展示的“發電地板＂出現在了中華商業第一

街——南京路步行街上,腳踩地板就能發電。從今以後，廣場上鋪設的“發

電地板＂將成為市民遊客體驗科技的常設專案。

隨著有節奏的踩踏聲，科技工作者們與市民遊客一起感受“發電地

板＂所帶來的驚喜。一位市民興奮地說，去年在日本館就見識過“發電地

板＂的神奇，沒想到這麼快又在家口親自嘗試。一些家長特地帶孩子趕來，

有的甚至在地板上玩起“跳房子＂。活動組織者表示，正是想通過這種直

觀的科研成果的應用示範，向公眾傳播低碳環保的科學理念。

據介紹，這塊“發電地板＂由中國科學院上海矽酸鹽研究所研發，共

有 24 塊小地板組成，面積為 2.1 平方米，所採用的科學原理是壓電效應：

利用壓電材料發生機械變形後能夠產生電場變化的特點，將人們行走、踩

踏、跳躍等產生的機械能直接轉換成電能。球體上則共有 432 顆 LED 燈，

接收到電能後就可以亮起來，而亮的顆數取決於市民踩踏、跳躍發出的能

量。

24

中科院上海矽酸鹽研究院羅豪盨介紹說，這塊“發電地板＂為國內首

塊，它的發電原理和上海世博會日本館展示的壓電發電地板原理相同，但

材料結構不一樣。“越重的人發電越大，猛跳一下，一個人最高發電量可

以達到 1 瓦。＂據悉，“發電地板＂將在工業、環境、交通、能源等許多

高技術領域具有越來越廣泛的應用。

“發電地板＂科普專案拉開了本次“科技之旅＂的序幕，據悉，上海

科技節黃浦區活動期間，還將組織院士專家、科技工作者、科普志願者深

入社區、機關、學校、企業，開展互動性強、有針對性的系列專題講座和

技能演示。

3.5 壓電複材技術

壓電效應的應用之關鍵技術，壓電材料技術只是其中一環，在其前端的

驅動電路與後端的界面結構必須搭配得好才能構成一完整的壓電換能器。

另外要完成高效率壓電換能器的運作必須有適當的壓電複材搭配。

圖 3-12：完整的壓電換能器包括前端的驅動電路，壓電複材與後端的界面

結構

25

(1)Softmode 1-3 壓電複材之規格

圖 3-13：1-3 壓電複材技術之比較圖

(2)2-2 水泥基底壓電複材

圖 3-14：2-2 水泥基底壓電複材之比較圖

26

圖 3-15：為增加擠壓壓電晶體時之發電效率，在壓電複材之製作時已考慮

一次擠壓時能同時產生很多電偶極之變化，進而提高發電量。從(a)圖到(e)

圖，我們觀察到壓電複材的機械結構設計是一關鍵技術。

27

四、 壓電能量採集電路

表 4-1 一般商用化超音波級之壓電複材之電氣特性如下：

首先我們必須找出壓電陶瓷晶體發電時之等效電路。PZT 晶體等效發電

機電路模型，如圖 4-1 所示[13]。

圖 4-1 PZT 晶體等效發電機電路模型

以腳踏步而言，Is 是一交流訊號，其電流脈衝出現的頻率約在 0.51 至

28

6Hz 之間[14]。Cs 隨著並聯的壓電晶體片數而倍增。一般走路頻率約為 1Hz，

故 Is 電流訊號為頻率為 1Hz 之脈衝波，其峰值也隨著並聯的壓電晶體片數

而倍增。此處，我們暫取 Is 峰值為 10μA, Cs=10nF，脈衝上升與下降時間

為 0.1S, 波寬為 0.4S，如圖 4-2 所示。

圖 4-2. 腳踏 PZT 壓電地板發電時之等效電流訊號

由於電流訊號源為交流訊號，在充電至超級電容前必須加上全波橋接

整流器，如圖 4-3 所示。

圖 4-3. 壓電晶體對超級電容充電

29

電流源隨時將電荷暫存於晶體電容 Cs 後，經由全波整流器對超級電容

Csuper 充電。在無負載下(Rload=∞)，對於某一 Is 峰值，Cs 太大，Vout

很快就會衰減到零，即使壓電晶體繼續在發電，如圖 4-4(a)所示。當 Cs 低

到某一值以下時，Vout 會維持某一高值，如圖 4-4(b)所示。因此對於共用

一個能量採集電路，並不是壓電晶體並聯愈多片愈好。

(a) 無負載時，Cs 大至 1μF時，Vout 會放電至零電位

(b) Cs=1nF 時，Vout 大部份維持在 67Volts

圖 4-4. 無負載時，壓電晶體對超級電容充電，Cs 的影響效應

在低負載時(Rload=1MegΩ)，電容的峰值電壓不隨超級電容的值而

變，只跟 Is 峰值與 Cs 值有關。此壓電晶體提供了 8.7*8.7/1Meg=76μW 的

負載需求。當超級電容值愈大，其儲存的電荷容量與電容值成正比：

Q=C*V*V/2。但輸出功率不變，只是能撐更久的時間罷了。在高負載時

30

(Rload=100kΩ)，此壓電晶體僅提供了 0.88*0.88/100k=7.7μW 的負載需

求，如圖 4-5 所示。

(a)低負載時(Rload=1MegΩ)，供電功率為 76μW

(b)高負載時(Rload=100kΩ)，供電功率為 7.7μW

圖 4-5. 有負載時，壓電晶體對負載之供電能力與 Rload 成正比

很明顯地看到，有負載時壓電晶體對負載之供電能力與 Rload 成正比，

且最大供電功率決定於 Is 與 Cs。對於固定的壓電晶體，想要提高輸出功率，

可行的方法是在超級電容後端再接 DC-DC 轉換器將輸出電壓增高，則可望

提高最大輸出功率。要點亮一個高亮度白光 LED 需要 66mW，這約為上述輸

出功率計算值的 1000 倍。所以實際的應用上，除了採用 DC-DC 轉換器望提

高最大輸出功率外，多組壓電發電模組之並聯供電是必要的。在某些僅在

特殊時段用電的場合，可以在無電能輸出但持續發電的時段，將超級電容

累積的電荷轉而儲存到二次鋰電池，以提供後來用電時段所需。例如，白

天發電、蓄電，晚上提供照明用電。

31

五、結論與討論

本文之壓電地板能量採集電路設計分析有下列結論：

1. 多片壓電晶體並聯與同一個能量採集電路所構成的壓電發電模組，能並

聯的壓電晶體片數有其上限，

2. 單片壓電晶體之輸出功率有其上限，μW 級的供電能力，比較適合耗電

功率小的感測器用電，

3. 超級電容容量愈大，可以蓄存的電量也愈大，但若壓電晶體之發電量不

大，用太大的超級電容則顯浪費，我們主要取其快速充電的好處，

4. 在超級電容後端再接 DC-DC 轉換器可將輸出電壓增高，並提高最大輸出

功率，

5. 在無輸出但持續發電的時段，可將超級電容累積的電荷轉而儲存到二次

鋰電池，以提供後來用電時段所需，

6. 多組壓電發電模組可並聯供電以對同一鋰電池充電。

目前壓電複材種類煩多，並無所謂最佳能量採集電路，而是

case-by-case。拿到一塊壓電板時，必須先量出其電氣特性後，才能據以

設計後續之能量採集與充、放電電路。雖然 Linear Technology 公司推出

了一顆全新的 LTC3588-1 壓電式能源採集電源供應器，但是並不完全適用

於所有壓電複材之能量採集。

32

參 考 文 獻 [1]. Xi Chen, Shiyou Xu†, Nan Yao and Yong Shi, “1.6 V Nanogenerator for

Mechanical Energy Harvesting Using PZT Nanofibers,” Nano Lett., 2010,

10 (6),pp 2133–2137.

[2]. 呂宗熙,盧逸燊,「利用壓電片振動之發電裝置」A Piezo Bender

Approach to Miniature Power Generator，國立交通大學機械工程

系所碩士論文，九月-2009 年。

[3].LTC3588EMSE-1#PBF-ND IC ENEGRY HARVESTING PSU 10MSOP ，

http://search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?Detail

&name=LTC3588EMSE-1%23PBF-ND。

[4].V25W-ND PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER,http://

search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.dll?vendor

=0&keywords=v25w。

[5]. Solar LED Lighting

[6]. ST0408 太陽能 LED 地磚

[7]. ST0808 太陽能 LED 地磚

[8]. 太陽能 LED 地磚

[9]. 太陽能 LED 地磚-PSB-90

[10]. 都市 263 家居裝飾網：http://www.ds263.com/html/20110520/t4030.html

[11]. Jaffe, Bernard , Cook, William R. , and Jaffe, Hans Ludwig , Piezoelectric

ceramics, Academic Press (London and New York), 1971

[12]. G.Y. Yang, Imperial-College London, UK, http://www.iee.org/

[13]. Shadrach Joseph Roundy,” Energy Scavenging for Wireless Sensor Nodes

with a Focus on Vibration to Electricity Conversion,” dissertation of Ph.D

in Mechanical Engineering, The University of California, Berkeley, 2003.

[14]. Master plan noise and ground vibration survey performed at Cs Liverpool

Hospital, SKM Ltd., 14 August 2006.

[15]. N. S. Shenck, “A demonstration of useful electric energy generation from

piezoceramics in a shoe,” Master’s thesis, Massachussets Institute of

33

Technology, 1997.

[16]. G. Ottman, H. Hofmann, and G. Lesieutre, “Optimized piezoelectric

energy harvesting circuit using step-down converter in discontinuous

conduction mode,” IEEE Trans. on Power Electronics 18(2), pp. 696–703,

2003.

34

附錄一：超級電容規格(電壓=2.5V)

型号

電

壓

(V)

標稱

容量

(F)

ESR

(mΩ)

30min

漏电

(μA)/

24h

自放电

(V)

尺寸

ΦD×

L(mm)

±2

F(mm)±0.5 引線直徑

d(mm)±0.05

SP-2R5-J354UY 2.5 0.35 250 50/ 8×13 3.5 0.6

SP-2R5-J354UY 2.5 1 300 100/ 5×11 2 0.5

SP-2R5-J105VY 2.5 1 300 200/ 8×13 3.5 0.6

SP-2R5-J205VY 2.5 2 120 350/ 10×20 5 0.6

SP-2R5-J335TY 2.5 3.3 75 350/ 8×20 3.5 0.6

SP-2R5-J335VY 2.5 3.3 70 350/ 10×20 5 0.6

SP-2R5-J475VY 2.5 4.7 60 450/ 12.5×21 5 0.6

SP-2R5-J475UYW 2.5 4.7 30 450/ 12.5×21 5 0.6

SP-2R5-J705UY 2.5 7 60 1000/ 10×20 5 0.6

SP-2R5-J805UY 2.5 8 60 1000/ 12.5×21 5 0.6

SP-2R5-J106UY 2.5 10 50 /2.3 12.5×25 5 0.8

SP-2R5-J106VY 2.5 10 35 /2.3 12.5×34 5 0.8

SP-2R5-J126UY 2.5 12 30 /2.3 12.5×34 5 0.8

SP-2R5-J156UY 2.5 15 25 /2.3 12.5×34 5 0.8

SP-2R5-J206UY 2.5 20 20 /2.3 16×34 8 0.8

SP-2R5-J256UY 2.5 25 20 /2.3 16×34 8 0.8

SP-2R5-J306UY 2.5 30 20 /2.3 16×34 8 0.8

SP-2R5-J506UY 2.5 50 30 /2.3 18×41 8 0.8

SP-2R5-J606UY 2.5 60 20 /2.3 18×42 10 0.8

SP-2R5-J906UY 2.5 90 20 /2.3 22×45 10 1

SP-2R5-J107UY 2.5 100 20 /2.3 22×45 10 1

35

附錄二：台灣容易買到之超級(法拉)電容規格 圖片 規格 內涵

電壓(V) 2.7V

標稱容量(F) 100F

型號 P-19

ESR 20 mΩ

尺寸 ΦD×L(22×45mm)(10mm)±0.5

引線直徑 d(1mm)±0.05 價格 NT$350.00 元 電壓(V) 2.7V

標稱容量(F) 50F

型號 P-18

ESR 25 mΩ

尺寸 ΦD×L(18×41mm)(8mm)±0.5

引線直徑 d(0.8mm)±0.05 價格 NT$250.00 元

電壓(V) 5.5V

標稱容量(F) 1.5F

型號 P-20(SE-5R5-D155WY/V/H )

ESR 10 Ω

尺寸 V 型:19.5×4.5 5

引線直徑 1 或 0.8

價格 NT$80.00 元

30min 漏電

(μA)

250

24h 自放電

(V)

電壓(V) 2.5V

標稱容量(F) 20F

型號 P-03

ESR

尺寸

引線直徑 價格 NT$149 元

36

附錄三：NESSCAP 公司 2.7V 之 3F-50F 超級電容規格

37

附錄四：NESSCAP 公司 2.3V 之 50F-120F 超級電容規格

38

附錄五：NESSCAP 公司 2.7V 之 100F 超級電容規格

39

附錄六：NESSCAP 公司 2.3V 之 220F-300F 超級電容規格

40

附錄七：NESSCAP 公司 2.7V 之 360F 超級電容規格

41

附錄八：NESSCAP 公司 2.7V 之 650F-3000F 超級電容規格

42

43

附錄九：NESSCAP 公司 2.7V 之 600F-5000F 超級電容規格

44

附錄十：名詞解釋： 1. 電偶極矩：

橫量正電荷分佈與負電荷分佈的分離狀況，即電荷系統的整體極性

2.耦合：

兩個本來分開的電路之間的交鏈，使能量從一個電路傳送到另一電路

3.極化：

極化（polarization）指事物在一定條件下發生兩極分化，使其性質

相對於原來狀態有所偏離的現象。如：分子極化（偶極矩增大）

極化，其電子流動的速度大於電極反應的速度。

在陽極，電子流走了，離子化反應趕不上補充；

在陰極，電子流入快，取走電子的陰極反應趕不上，

因此陽極電位向正移，陰極電位向負移，從而縮小電位差，減緩了腐

蝕。