通过应变诱导相变在掺锰铋铁氧体外延薄膜中增强压电MEMS振动能量收集器的机电耦合

来自日常振动的能量

我们的世界在悄然振动——从空调和工厂设备到我们自身的运动。工程师们正在学习如何将这些微小振动转化为可用电能，为微型传感器和设备供电从而免去电池。本文报道了一种通过精细调控特殊晶体薄膜使其在应变下发生内部结构转换，从每一次机械冲击中挤出更多电能的新方法，从而提升此类“振动收集器”的性能。

为何微型发电器需要更好的材料

现代电子正朝着由大量小型智能传感器组成的密集网络发展，这些传感器监测从工业设备到人体的各种信息。用电缆或电池为这些设备供电很快变得不切实际，因此从环境中收集能量成为一种有吸引力的替代方案。压电材料——在弯曲或拉伸时会产生电压的物质——是许多微尺度发电器的核心。当前最常用的薄膜要么含铅且在微小器件中难以实现极高灵敏度，要么电容较低且受电路损耗影响。本文研究的材料铋铁氧体长期以来被视为有前景的无铅候选，但在实际器件中尚未达到传统最佳方案的性能。

用温度与成分调谐晶体薄膜

研究者聚焦于掺锰的铋铁氧体，作为超薄、高度有序的薄膜在标准硅晶片上生长——与电脑芯片所用晶片相同。通过一种巧妙的“组合”溅射方法，他们制备出了一块在成分和生长温度上沿晶片平滑变化的单片晶圆。这样他们能在一次实验中绘制出结构和电学性能如何随工艺条件变化的全貌。晶圆上薄膜保持致密、与基底硅良好对齐且没有不想要的相。通过X射线等技术测量其原子尺度间距，他们发现由在硅上升温冷却产生的内建拉伸应力会逐步推动晶体从一种内部构型向另一种转变，同时仍保持有序生长。

应变驱动的形变提升输出

薄膜内部的晶格可以采用略有不同的形状，而它们之间的转换被证明至关重要。随着拉伸应变增大，材料从通常的“类菱方”构型转变为“类单斜”构型。在这两种结构的边界区域，薄膜将弯曲转化为电荷的能力显著增强。团队发现，在调谐最佳的区域，横向压电系数——每单位面积产生电荷的度量——达到了该材料家族中此前未见的高值。与此同时，薄膜保持了适中的介电常数和极低的能量损耗，这两点对于制造灵敏、低噪声的微型发电器都至关重要。

构建并测试微型机电装置

为证明这种晶体工程在实验室外也能带来收益，研究者将优化后的薄膜制成硅绝缘体芯片上的微机电器件。每个器件都是带有端部小质量块的微型悬臂梁；当基座被震动时，梁会弯曲，压电薄膜产生电压。在接近共振的稳定振动下，新的掺锰器件的机电耦合因子约为未掺杂铋铁氧体类似器件的五倍，机械品质因子与高性能含铅薄膜相当。总体上，这两个指标的乘积——衡量机械能转化为电能效率的关键指标——足够高，使得发电器产生的功率超过理论预测最大功率的90%以上。

捕获复杂的真实世界运动

真实环境很少呈现为单一的整音振动；相反，它们会产生不规则的冲击和颠簸。因此团队还在包含宽频成分的短促冲击下测试了器件。他们将掺锰薄膜器件与未掺杂铋铁氧体和一种标准含铅薄膜进行了比较。尽管三种器件每次冲击所收集的总能量类似，掺锰器件同时展现出更高的峰值电压和更快的振动阻尼。更快的衰减意味着它能更快地“复位”并准备捕获下一次冲击，对于将缓慢、随机运动转换为设备共振处重复突发信号的方案是一个明显优势。

对未来自供电传感器的意义

通过有意利用薄膜在硅芯片上冷却时产生的应变，并通过少量掺锰微调化学成分，作者们创造了一种在内部晶体形态上发生改变以提升电响应的压电层。当将其构建进微尺度振动收集器时，这种工程化薄膜在性能上可以媲美或超越传统含铅材料，同时保持无铅并与标准芯片工艺兼容。对非专业读者而言，结论是：在纳米尺度上对晶体结构的精确控制可以显著提高微型发电器的效率，使我们更接近于那些从日常环境振动中获取能量的自供电传感器网络。

引用: Aphayvong, S., Takagi, M., Fujihara, K. et al. Enhanced electromechanical coupling in piezoelectric MEMS vibration energy harvesters via strain-induced phase transition in Mn-doped bismuth ferrite epitaxial films. Microsyst Nanoeng 12, 90 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01177-5

关键词: 振动能量收集, 压电薄膜, 微机电系统, 铋铁氧体, 应变工程材料