第一章 压电式MEMS振动能量收集装置技术概述
压电式转换主要利用压电效应，压电材料由于外界振动所产生的应力将引起其内部电荷的流动，产生电信号。压电式能量采集方式的能量密度大，结构简单便于微型化。这种优势使基于 MEMS 技术的能量采集成为可能。因此随着电子元器件能耗的降低，利用压电模式采集转换振动机械能来替代传统电池供电具有一定的可行性。同时由于压电换能的独特优势，吸引了国内外研究人员纷纷展开相关研究。
从 1969 年 Wen.H.Ko 在专利 (US Patent 3, 456, 134)中提出一种采集心跳活动能量的小型压电悬臂梁式能量采集器以来，世界上许多研究团体已经开展了一系列关于压电式能量采集器的研究。2003年，MIT的Rajendra K.sood和sang-Gook Kim等人。他们制备出如压电型微能量采集器原型，该器件的设计目标是将环境中的高频声能转换为电能存储起来，向小型的无线传感器或主动标签供电。2007 年比利时 Leuven 大学 Renaud 等人制备了一种集成质量块的压电悬臂梁能量采集器，在振幅和频率分别为 180nm 和 1.8KHz 的振动源激励下，输出功率达 40µW。器件采用集成质量块方式，有利于与 MEMS 工艺相兼容，但湿法刻蚀硅方法很难保证质量块大小，且器件的固有频率较高。2008 年英国 Southampton 大学的 KOK 等人采用 MEMS 技术制备了一种无支撑层的 PZT 厚膜悬臂梁式压电能量采集器。该器件只包含 PZT 厚膜层以及附于其表面的 Ag/Pd上下电极层，其目的是使压电材料能够免受支撑层的约束而能够自由运动。其能量密度约为 11.57µW/ cm3。电能输出能量还较弱，结构尺寸也较大。2008 年美国 Auburn 大学的 Shen 等人设计制造了一款压电 MEMS 能量采集器，可获得 160m V 的峰值输出电压和 2.15µW 的输出功率，功率密度达 3272µW/ cm3。2009 年该课题组又设计加工了一相似结构器件，其大小约 0.769mm3, 输出功率和相应的功率密度分别为 0.32µW 和 416µW/ cm3。2009 年台湾国立大学 Lee 等人采用喷雾沉积方法制备了硅基 PZT 厚膜，并设计制造了两种模式的 MEMS 压电能量采集器可获得 2.675V 的峰-峰开路电压，2.765µW 的输出功率，及可输出峰-峰值为 4.127V的开路电压与 1.288µW 的最大输出功率。
第二章 压电式MEMS振动能量收集装置专利申请状况
本文对全球及压电式MEMS振动能量收集装置的专利申请进行检索，并对检索到的专利申请进行筛选和分析。
2.1全球专利申请状况
压电式MEMS振动能量收集装置技术领域的全球专利申请趋势变化，大致经历了以下三个主要发展阶段：
第一阶段（1999-2007年）为萌芽期。该阶段属于全球压电振动能量收集装置技术的萌芽阶段，其年申请量均处于10件以下，且各年申请量呈现低迷状态，发展速度持续维持在较低水平，未形成规模效应。
第二阶段（2008-2011年）为快速增长期。全球压电振动能量收集装置技术越来越受到业界关注，随着全球各大公司和研究所的加大投入，该领域的专利申请量也出现明显快速增长，且年均增长率基本保持稳定。
第三阶段（2012年-至今）为小幅回落期。全球压电振动能量收集装置的申请量略有下降，但减少的不多，总体仍处于较高水平（大于20件每年）。说明压电振动能量收集装置的研究得以被具有前瞻性的研究机构与企业所重视，其专利申请量也随之呈现波动的趋势，基本进入一个良性稳定发展阶段。
压电式MEMS振动能量发电装置技术领域专利申请量布局排名前十的国家、地区以及区域性组织的专利申请量情况分析可知，排名前十的依次为美国、中国、国际知识产权局、欧洲专利局、日本、韩国、德国。其中，美国总申请量占到28.49%，中国以总申请量近25.82%的份额屈居第二，两者申请量遥遥领先于其他国家与地区，总量超出了其他国家与地区申请量之和，可见美国和中国在压电式MEMS振动能量收集装置技术领域占有绝对的数量优势；日本、韩国和德国虽然数量明显低于我国，但结合专利申请的质量分析来看，国外专利申请的质量以及专利保护的范围、力度以及稳定性明显高于我国，我国首先建立了压电式MEMS振动能量收集装置技术领域专利申请数量上的优势，下一步应当更加重视对于专利质量的提升以及重点专利的布局。
从当前压电式MEMS振动能量收集装置技术领域专利申请重点技术分支申请量分布情况可知，在全球专利申请中，复合式技术和单悬臂梁技术分别为30.86%、43.92%，其他技术占到了25.22%。由此可以看出，压电式MEMS振动能量收集装置技术中，如何提升振动能量收集效率的技术问题，仍然是研究的热点。
2.2国内专利申请状况
中国压电式MEMS振动能量收集装置技术领域专利申请量总体呈上升趋势，总体经历了以下三个发展阶段：
第一阶段（2004-2009年）为萌芽期。压电振动能量收集技术研发还处于起步阶段，中国专利申请总量、国内和国外来华申请量均较小。
第二阶段（2010-2014年）为快速发展期。专利申请保持高速稳定增长，此阶段，国内和国外来华专利每年申请量差别较大，国内专利申请量保持稳定增长趋势，国外来华专利增长趋势不明显，甚至还有所下降。
第三阶段（2015年至今）为高速发展期。经过四年的平稳发展，压电振动能量收集技术在2015年经历了小幅回落后迅猛增长，2016年到2017年申请量几乎翻倍，国内申请人对压电振动能量收集装置技术产生了极大的研发热情。
中国专利申请量排名前十的国内省市的申请量情况可知，排名前十的依次为江苏省、北京市、上海市、吉林省、浙江省、重庆市、安徽省、四川省、湖北省、山东省。其中，江苏省以20%的申请份额领先于其他省市，北京申请量排名第二，而上海市、吉林省、浙江省和重庆市紧随其后，可见沿海省份和直辖市在整个专利申请中占据了较多的份额。
压电振动能量收集技术领域重点技术的国内发展状况分析可得，各技术均呈波动发展趋势。单悬臂梁技术和复合式技术申请出现时间较早，都在2004年，两者均从2008年左右高速发展，单悬臂梁技术在2015年申请量出现下滑后再次增长的态势。而复合式技术均保持高速发展态势，并在2017年达到顶峰，说明国内申请人对两项技术的研发都逐渐开始重视。
第三章 压电振动能量收集装置前景分析及总结
压电式MEMS振动能量收集装置具有结构简单、输出功率较大等特点，能够提供长寿命的洁净能源，但目前研究的装置输出功率与低功耗微器件的供电要求之间还有一段距离，因此要在目前真正得以应用，仍有一些尚待解决的问题。
从压电式MEMS振动能量收集装置的专利技术发展来看，国外对压电式MEMS振动能量收集装置的研究相对成熟，存在一批高质量的专利，并已有较多商业化的专利。目前可能处于高速发展阶段，申请量居高不下。而国内对压电式MEMS振动能量收集装置的研究也正处在高速发展阶段，近年来的压电式MEMS振动能量收集装置的国内专利申请量已高于国外专利申请，呈爆发式增长的趋势，显示出我国高校、科研院所以及企业在该领域具有巨大发展潜力。此外，国外关于压电式MEMS振动能量收集装置领域的专利申请主要集中在日本、美国，反映出这些国家的企业专利布局强，是我国高校、科研院所以及企业在该领域的主要竞争对手。第一作者：张江园，1989年1月出生，女，硕士研究生，从事电力电子领域专利审查工作；
作者简介：罗淑元，1985年10月出生，女，硕士研究生，从事电力电子领域专利审查工作；潘奇智，1987年2月出生，男，硕士研究生，从事电力电子领域专利审查工作；罗淑元、潘奇智等同于第一作者