文献综述（或调研报告）：
- 引言
随着微电子技术、无线通讯技术与微机电系统(Micro-electro-mechanical, MEMS)技术的不断发展以及各种依赖这些技术的微小型电子设备在嵌入式系统、人体健康检测系统、环境控制系统、声纳系统、军事系统等领域的广泛应用[1]，极大地丰富和方便了人们的工作和生活[2-3]。尤其是无线传感网络在多领域中的应用，如灾害管理、基础设施监控等[4]。但随着传感网络分布的环境更广泛、更复杂，以及网络节点在数量上的增加和在尺寸上的较少，对电源的体积、寿命和能量密度要求越来越严格[5-6]，传统上物联网中的远程无线传感器一直依靠电池供电来测量数据并以无线方式发送数据[7]。然而过去十多年，电池在能量密度和体积方面的进步并不明显，这限制了低功耗传感器的适用范围[8-9]。另外，电池本身寿命有限，也会造成环境污染[5]。其次，在有些传感器的应用中电池难以更换，而且更换电池费用高昂。因此，人们希望能实现物联网中传感器的自供电，如果能够将自供电系统应用在传感器网络中，那么就可取代电池或者延长电池的使用寿命[10-11]。近年来，与之相关的能量收集技术开始得到人们越来越多的关注与重视，最近国际上研究的趋势是微弱能量收集技术[3，6，12]。而其中，由于机械振动能量的普遍性，基于机械振动能量收集的微弱能量收集技术更是研究的热点。
作为自然环境中最为普遍存在的一种能量形式，机械振动能量相比其他形式的能量有着持续稳定，能量密度高等优势[13]。因此，对于机械振动能量的收集及利用一直是学术界与业界研究的前沿。根据微型震动能量收集器收集振动能量原理的不同，可将振动能量的收集分为以下三种方式：静电式、电磁式和压电式[14-15]。其中，尤以电磁式和压电式的研究最为广泛。而随着现代制造技术的进步和发展，以及新型能量收集结构的出现，相比于压电式能量收集器，电磁式能量收集器的研究获得了更大的进展[13]，出现了成熟的商业化产品[16]。同时，由于振动型能量收集器由于自身尺寸、工艺、低输出电压等限制，压电式振动能量收集器的应用还需要进一步的研究以克服这些问题。因此，电磁式振动能量收集器的研究前景更为广阔。
本文通过大量的文献调研，针对目前国际上电磁式振动能量收集技术进行探讨，分析不同结构电磁式振动能量收集技术的优缺点。总结非谐振式MEMS能量收集器的设计方法。
- 工作原理
由法拉第电磁感应定律可知，变化的磁场B可以产生电场，而导体线圈回路面积S内的磁通量Phi;发生变化时，回路中就会产生感生电动势V，并引起感应电流，从而对外输出功率，实现机械能到电能的转化[17]
（1）
式中t为时间。
根据该基本工作原理，电磁式能量收集技术是把外界随机的机械振动转化为线圈回路或永磁体的运动，实现两者之间的相对运动，从而使线圈回路内磁通量发生变化，产生感应电动势。根据工作方式的不同，可以分为共振型、转动型和混合型[13]。
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- 共振型
电磁式共振型能量收集器一般工作在频率较低的范围内，它的能量密度也会比较低。经典的电磁式共振型=能量收集器是由弹簧和连接在弹簧上的质量块组成[16]。当外界发生振动时，线圈就会与连接在弹簧上的永磁体产生相对的运动，根据法拉第电磁感应定律可知，线圈就会产生感应电动势。而当该系统的谐振频率与外界的振动频率相一致的时候，该系统就会有最大的能量收集效率。
常见的电磁式共振型能量收集器一般采用悬臂梁的结构，如文献[18]所介绍的由英国南安普敦大学Beeby等人研制的毫米量级的电磁式共振型振动能量收集器。该振动能量收集器包含一条作为弹性元件、经硅晶片蚀刻加工的弹簧梁(Beam)，弹簧梁末端用对准夹具手动固定2组4块高能量密度烧结稀土永磁体(NdFeB magnets)，2块钨合金质量块附加在永磁体末端，有利于提高永磁体的振幅。当弹簧梁振动时2组永磁体中间的线圈(copper coil)不动，而永磁体上下振动，这样线圈中磁通量会发生变化，从而在线圈中将产生感应电动势。该器件的总体积150mm3，钕铁硼永磁体的尺寸为2.5mmtimes;2mmtimes;1.5mm，铜质线圈匝数为2300匝，直径和内阻分别为12um和1500Omega;。振动由一个频率为50Hz到60Hz的空气压缩机产生，当该振动能量收集器在共振模态下工作时，振动频率为52Hz，加速度为0.59m/s2，4KOmega;的负载上产生的电压可达428mV，最大功率可达46uW，能量转换率达到30%。实验测试表明，该振动能量收集器足够给无线传感网络节点供电。
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