基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器的制造方法
【專利摘要】基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，包括基座、懸梁臂、質(zhì)量塊以及能量?jī)?chǔ)存電路，所述的懸臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相鄰的直臂梁之間通過連接件連接形成整條僅剩一個(gè)頭端和一個(gè)末端的懸臂梁，所述的頭端固定在所述的基座上、末端安裝質(zhì)量塊；兩根相連的直臂梁之間有且僅有一個(gè)連接件，并且所有的直臂梁和連接件共平面；所述的能量?jī)?chǔ)存電路包括第一橋式整流二極管D1、第二橋式整流二極管D2、第三橋式整流二極管D3、第四橋式整流二極管D4、同時(shí)兼顧濾波的功能的存儲(chǔ)電解電容C、負(fù)載電阻RL。本實(shí)用新型的有益效果是：等效加大了懸臂梁的長(zhǎng)度，在實(shí)現(xiàn)器件微型化的同時(shí)，降低了器件的固有振動(dòng)頻率，提高了輸出功率。
【專利說明】 基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被人們視為是在多種應(yīng)用環(huán)境中連續(xù)收集數(shù)據(jù)的一種重要方法，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)分布廣泛、數(shù)量巨大時(shí)，其難點(diǎn)之一是如何為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。許多應(yīng)用要求傳感器節(jié)點(diǎn)小于I角硬幣，利用鈕扣型電池供電，但電池有限的能量限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、使用壽命和應(yīng)用范圍。目前，解決該問題的方法包括了節(jié)能算法和協(xié)議，以及環(huán)境能量采集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層次的節(jié)能協(xié)議只能在一定程度上延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，無法從根本上解決能量有限的問題。而通過發(fā)掘能量捕獲的潛力一一把周圍環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)化為傳感器可以使用的電能，能夠有效解決傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題。由于振動(dòng)能量在自然環(huán)境中存在最為廣泛，受環(huán)境的約束也最小，而壓電式能量收集器具有體積小、能量密度高、壽命長(zhǎng)，不需要外加電壓源、與微機(jī)械制造工藝相兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而使基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作所需的供電電壓在1.8-3.3V的范圍(視具體的芯片而定)，待機(jī)狀態(tài)下的工作電流約為幾微安，工作時(shí)的電流約為幾毫安。微型壓電式能量收集器由于結(jié)構(gòu)尺寸較小，其固有振動(dòng)頻率基本處于幾千赫茲的范圍，但自然環(huán)境中存在的振動(dòng)頻率主要集中在低于幾百赫茲的范圍，因此，微型壓電式能量收集器無法與外界振動(dòng)形成共振，導(dǎo)致輸出功率一般只有微瓦量級(jí)，不能提供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作所需的功率，這是阻礙其發(fā)展的主要原因之一。如何從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，降低微型壓電式能量收集器的固有振動(dòng)頻率，使其與自然界環(huán)境振動(dòng)頻率相當(dāng)從而產(chǎn)生共振，提高系統(tǒng)的輸出功率，成為微型壓電式能量收集器的重要研究方向之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決目前的現(xiàn)有的能量收集器無法與外界振動(dòng)形成共振導(dǎo)致輸出功率一般只有微瓦量級(jí)、不能提供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作所需的功率的問題，本實(shí)用新型提出了一種能夠與環(huán)境中存在的低頻振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生共振的能量收集器、提高其輸出功率、滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作所需的供電電壓的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器。
[0005]本實(shí)用新型所述的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，其特征在于:包括基座、懸梁臂、質(zhì)量塊以及能量?jī)?chǔ)存電路，所述的懸臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相鄰的直臂梁之間通過連接件連接形成整條僅剩一個(gè)頭端和一個(gè)末端的懸臂梁，所述的頭端固定在所述的基座上、末端安裝質(zhì)量塊；兩根相連的直臂梁之間有且僅有一個(gè)連接件，并且所有的直臂梁和連接件共平面；
[0006]所述的能量?jī)?chǔ)存電路包括第一橋式整流二極管D1、第二橋式整流二極管D2、第三橋式整流二極管D3、第四橋式整流二極管D4、同時(shí)兼顧濾波的功能的存儲(chǔ)電解電容C、負(fù)載電阻&，所述的第一橋式整流二極管D1的P端和第四橋式整流二極管D4的N端的接點(diǎn)與外接懸臂梁的上電極的第一端口相連；所述的第二橋式整流二極管D2的P端和第三橋式整流二極管D3的N端的接點(diǎn)與外接懸臂梁的下電極的第二端口相連；第一橋式整流二極管D1的N端和所述的第二橋式整流二極管D2的N端的接點(diǎn)與存儲(chǔ)電解電容C的正極相連；第三橋式整流二極管D3的P端和第四橋式整流二極管D4的P端的接點(diǎn)與存儲(chǔ)電解電容C的負(fù)極相連；所述的負(fù)載電阻&并接在存儲(chǔ)電解電容C的兩端，所述的存儲(chǔ)電解電容C的正極作為輸出電壓的正端、負(fù)極作為輸出電壓的負(fù)端。
[0007]所述的懸臂梁包括多根相互平行的直臂梁，其中第一根直臂梁的末端與第二根的直臂梁的末端相連、第二根的直臂梁的前端與第三根的直臂梁的前端相連，以此類推直至最后一根直臂梁的前端與上一根相鄰的直臂梁的前端相連，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座上、最后一根直臂梁的末端安裝質(zhì)量塊。
[0008]所述的直臂梁的橫截面為矩形。
[0009]所述的懸臂梁為矩形結(jié)構(gòu)。
[0010]所述的懸臂梁為多層結(jié)構(gòu)，包括作為襯底的硅材料層、淀積在硅材料層表面的二氧化硅層、濺射在二氧化硅層表面作為壓電層下電極的第一 Pt/Ti復(fù)合層、覆蓋在下電極表面的壓電材料層PZT、濺射在壓電材料層表面作為壓電層上電極的第二 Pt/Ti復(fù)合層，所述的壓電材料層PZT為鋯鈦酸鉛，其化學(xué)式為PbZrxTi2_x03，其中X為正整數(shù)。
[0011]所述的直臂梁與所述的連接件的材料相同。
[0012]所述的質(zhì)量塊由金屬Ni構(gòu)成。
[0013]工作時(shí)，當(dāng)基座受外界環(huán)境中的低頻振動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，懸臂梁的每一根直臂梁都會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，在主平面內(nèi)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，從而引起壓電層在激振力作用下發(fā)生機(jī)械應(yīng)變，經(jīng)過材料內(nèi)部的機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換將機(jī)械應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為電能，在壓電層薄膜的表面產(chǎn)生電荷，通過電極將電荷輸出到外部的能量存儲(chǔ)電路進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。收集的電荷經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等電路后續(xù)處理，由一個(gè)超級(jí)大電容進(jìn)行存儲(chǔ)，從而可以作為微電池進(jìn)行供電。由于電極與壓電材料層平行，只有懸臂梁的彎曲形變對(duì)輸出電壓有貢獻(xiàn)，扭轉(zhuǎn)形變不會(huì)產(chǎn)生任何通過電極的電荷。同時(shí)，由于每根直臂梁之間的連接件很短，可以忽略其彎曲形變。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果是:本裝置代替常規(guī)的直線型懸臂梁，等效加大了懸臂梁的長(zhǎng)度，在實(shí)現(xiàn)器件微型化的同時(shí)，降低了器件的固有振動(dòng)頻率，提高了輸出功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2是本實(shí)用新型的懸臂梁的剖面圖。
[0017]圖3是本實(shí)用新型的能量?jī)?chǔ)存電路的示意圖(其中，+代表電壓正極；-代表電壓負(fù)極;v0代表輸出電壓)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型
[0019]參照附圖:
[0020]實(shí)施例1本實(shí)用新型所述的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，包括基座1、懸梁臂2、質(zhì)量塊3以及能量?jī)?chǔ)存電路4，所述的懸臂梁2包括多根相互平行的直臂梁21，相鄰的直臂梁21之間通過連接件22連接形成整條僅剩一個(gè)頭端和一個(gè)末端的懸臂梁，所述的頭端固定在所述的基座I上、末端安裝質(zhì)量塊3 ;兩根相連的直臂梁21之間有且僅有一個(gè)連接件22，并且所有的直臂梁21和連接件22共平面；
[0021 ] 所述的能量?jī)?chǔ)存電路4包括第一橋式整流二極管D1、第二橋式整流二極管D2、第三橋式整流二極管D3、第四橋式整流二極管D4、同時(shí)兼顧濾波的功能的存儲(chǔ)電解電容C、負(fù)載電阻&，所述的第一橋式整流二極管D1的P端和第四橋式整流二極管D4的N端的接點(diǎn)與外接懸臂梁2的上電極211的第一端口 41相連；所述的第二橋式整流二極管D2的P端和第三橋式整流二極管D3的N端的接點(diǎn)與外接懸臂梁2的下電極212的第二端口 42相連；第一橋式整流二極管D1的N端和所述的第二橋式整流二極管D2的N端的接點(diǎn)與存儲(chǔ)電解電容C的正極相連；第三橋式整流二極管D3的P端和第四橋式整流二極管D4的P端的接點(diǎn)與存儲(chǔ)電解電容C的負(fù)極相連；所述的負(fù)載電阻&并接在存儲(chǔ)電解電容C的兩端，所述的存儲(chǔ)電解電容C的正極作為輸出電壓的正端、負(fù)極作為輸出電壓的負(fù)端。
[0022]所述的懸臂梁2包括多根相互平行的直臂梁21，其中第一根直臂梁的末端與第二根的直臂梁的末端相連、第二根的直臂梁的前端與第三根的直臂梁的前端相連，以此類推直至最后一根直臂梁的前端與上一根相鄰的直臂梁的前端相連，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座I上、最后一根直臂梁的末端安裝質(zhì)量塊3。
[0023]所述的直臂梁21的橫截面為矩形。
[0024]所述的懸臂梁2為矩形結(jié)構(gòu)。
[0025]所述的懸臂梁2為多層結(jié)構(gòu)，包括作為襯底的硅材料層、淀積在硅材料層表面的二氧化硅層、濺射在二氧化硅層表面作為壓電層下電極的第一 Pt/Ti復(fù)合層、覆蓋在下電極表面的壓電材料層PZT、濺射在壓電材料層表面作為壓電層上電極的第二 Pt/Ti復(fù)合層，所述的壓電材料層PZT為鋯鈦酸鉛，其化學(xué)式為PbZrxTi2_x03。
[0026]所述的直臂梁21與所述的連接件的材料相同。
[0027]所述的質(zhì)量塊3由金屬Ni構(gòu)成。
[0028]工作時(shí)，當(dāng)基座I受外界環(huán)境中的低頻振動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，懸臂梁2的每一根直臂梁21都會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，在主平面內(nèi)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，從而引起壓電層在激振力作用下發(fā)生機(jī)械應(yīng)變，經(jīng)過材料內(nèi)部的機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換將機(jī)械應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為電能，在壓電層薄膜的表面產(chǎn)生電荷，通過電極將電荷輸出到外部的能量存儲(chǔ)電路進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。收集的電荷經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等電路后續(xù)處理，由一個(gè)超級(jí)大電容進(jìn)行存儲(chǔ)，從而可以作為微電池進(jìn)行供電。由于電極與壓電材料層平行，只有懸臂梁的彎曲形變對(duì)輸出電壓有貢獻(xiàn)，扭轉(zhuǎn)形變不會(huì)產(chǎn)生任何通過電極的電荷。同時(shí)，由于每根直臂梁之間的連接件很短，可以忽略其彎曲形變。
[0029]由于能量收集部分輸出的是交流信號(hào)，當(dāng)能量處理和收集電路工作在輸入交流信號(hào)的正半周時(shí)，整流二極管D1和整流二極管D3導(dǎo)通，整流二極管D2和整流二極管D4截止；當(dāng)工作在輸入交流信號(hào)的負(fù)半周時(shí)，整流二極管D2和整流二極管D4導(dǎo)通，整流二極管D1和整流二極管D3截止，由此在電解電容C兩端得到只有正半周的脈動(dòng)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過電解電容C和負(fù)載電阻&的濾波后，最終存儲(chǔ)在電解電容C中的是波動(dòng)非常小的直流信號(hào)。
[0030]參照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)，取10組直臂梁組成之字形結(jié)構(gòu)懸臂梁，給定各組分的質(zhì)量、彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，并施加邊界約束，得到之字形結(jié)構(gòu)微型壓電式能量收集器的模態(tài)分析結(jié)果。模態(tài)分析的10階固有振動(dòng)頻率的前2階分別為148.61Hz,299.74Hz，與自然環(huán)境中存在的低頻振動(dòng)頻率相當(dāng)，易形成共振。
[0031]參照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)圖，給基座加一外界低頻振動(dòng)作為激勵(lì)，給定加速度載荷等參數(shù)，并將壓電薄膜的下表面電壓約束為0，上表面的電壓進(jìn)行耦合，能夠求得不同尺寸的懸臂粱在不同加速度作用下的峰值電壓。由于輸出功率正比于輸出電壓，在給定負(fù)載的條件下，可以得到之字形結(jié)構(gòu)微型壓電式能量收集器的輸出功率。
[0032]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，其特征在于:包括基座、懸梁臂、質(zhì)量塊以及能量?jī)?chǔ)存電路，所述的懸臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相鄰的直臂梁之間通過連接件連接形成整條僅剩一個(gè)頭端和一個(gè)末端的懸臂梁，所述的頭端固定在所述的基座上、末端安裝質(zhì)量塊；兩根相連的直臂梁之間有且僅有一個(gè)連接件，并且所有的直臂梁和連接件共平面； 所述的能量?jī)?chǔ)存電路包括第一橋式整流二極管D1、第二橋式整流二極管D2、第三橋式整流二極管D3、第四橋式整流二極管D4、同時(shí)兼顧濾波的功能的存儲(chǔ)電解電容C、負(fù)載電阻Rl,所述的第一橋式整流二極管D1的P端和第四橋式整流二極管D4的N端的接點(diǎn)與外接懸臂梁的上電極的第一端口相連；所述的第二橋式整流二極管D2的P端和第三橋式整流二極管D3的N端的接點(diǎn)與外接懸臂梁的下電極的第二端口相連；第一橋式整流二極管D1的N端和所述的第二橋式整流二極管D2的N端的接點(diǎn)與存儲(chǔ)電解電容C的正極相連；第三橋式整流二極管D3的P端和第四橋式整流二極管D4的P端的接點(diǎn)與存儲(chǔ)電解電容C的負(fù)極相連；所述的負(fù)載電阻&并接在存儲(chǔ)電解電容C的兩端，所述的存儲(chǔ)電解電容C的正極作為輸出電壓的正端、負(fù)極作為輸出電壓的負(fù)端。
2.如權(quán)利要求1所述的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，其特征在于:所述的懸臂梁包括多根相互平行的直臂梁，其中第一根直臂梁的末端與第二根的直臂梁的末端相連、第二根的直臂梁的前端與第三根的直臂梁的前端相連，以此類推直至最后一根直臂梁的前端與上一根相鄰的直臂梁的前端相連，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座上、最后一根直臂梁的末端安裝質(zhì)量塊。
3.如權(quán)利要求2所述的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，其特征在于:所述的直臂梁的橫截面為矩形。
4.如權(quán)利要求3所述的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，其特征在于:所述的懸臂梁為矩形結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于低頻環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型壓電式能量收集器，其特征在于:所述的懸臂梁為多層結(jié)構(gòu)，包括作為襯底的硅材料層、淀積在硅材料層表面的二氧化硅層、濺射在二氧化硅層表面作為壓電層下電極的第一 Pt/Ti復(fù)合層、覆蓋在下電極表面的壓電材料層PZT、濺射在壓電材料層表面作為壓電層上電極的第二 Pt/Ti復(fù)合層，所述的壓電材料層PZT為鋯鈦酸鉛。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK203608112SQ201320638718
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】李如春 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)