一種基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置。包括主梁和支梁，支梁上連接壓電材料和質(zhì)量塊組成局域振子單元，多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元對(duì)稱且等間距地安裝在主梁上組成聲子晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用壓電技術(shù)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，并采用聲子晶體技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置在振動(dòng)環(huán)境中的寬頻高效發(fā)電。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，并對(duì)壓電振動(dòng)裝置的橫向振動(dòng)發(fā)電頻帶進(jìn)行了有效的拓寬，無(wú)需主動(dòng)控制、對(duì)工作環(huán)境的要求較低?？捎糜跓o(wú)線傳感器等微電子產(chǎn)品的能量供應(yīng)等。
【專利說(shuō)明】 —種基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種發(fā)電裝置，具體地說(shuō)是一種適用于在振動(dòng)噪聲環(huán)境中利用聲子晶體橫向振動(dòng)帶隙發(fā)電的壓電振動(dòng)發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)和微/納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，微電子產(chǎn)品被廣泛的應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、汽車、建筑等重要領(lǐng)域。目前微電子產(chǎn)品的發(fā)展受限于供能裝置的微型化和壽命期限等問(wèn)題，因此發(fā)展新型的微電源技術(shù)十分重要。當(dāng)前，微機(jī)電系統(tǒng)所采用的化學(xué)電源方案多數(shù)只適于短壽命周期，并且難以應(yīng)對(duì)數(shù)量不斷增加的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)發(fā)電裝置，雖然只能產(chǎn)生小級(jí)別的電力，但已能滿足微功耗系統(tǒng)要求，并其所利用的振動(dòng)源無(wú)處不在，具備不受場(chǎng)地限制、活動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此采用壓電振動(dòng)發(fā)電裝置可以解決微機(jī)電系統(tǒng)的自我供能問(wèn)題。
[0003]目前的研究較多的懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)面臨“共振頻率單一，發(fā)電效率低”的問(wèn)題。為提高發(fā)電效率，拓寬發(fā)電頻帶，目前常用的方法有兩種:一、主動(dòng)自調(diào)整法，即通過(guò)主動(dòng)控制調(diào)節(jié)裝置的自身固有頻率從而適應(yīng)環(huán)境振動(dòng)頻率的變化；二、被動(dòng)自調(diào)整法，即通過(guò)多個(gè)不同固有頻率的發(fā)電裝置組合達(dá)到拓寬頻帶的效果。兩種方法均有缺點(diǎn)，前者自身耗能大，后者裝置的尺寸及設(shè)計(jì)成本均顯著增加?！段靼步煌ù髮W(xué)學(xué)報(bào)》2010年2月第2期第44卷的中刊登的“多懸臂梁壓電振子頻率分析及發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究”中，提出了一種多懸臂梁壓電振子結(jié)構(gòu)，即屬于被動(dòng)自調(diào)整范疇，將若干不同的懸臂梁振子串聯(lián)在同一基體上，從而將發(fā)電裝置的發(fā)電頻帶拓寬至56-65HZ，并提高了發(fā)電量。但是這種結(jié)構(gòu)是將不同的懸臂梁布置于同一基體上，懸臂梁的設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供能拓寬發(fā)電頻帶的帶寬、提高發(fā)電效率，制造成本低的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]包括主梁和支梁，支梁上連接壓電材料和質(zhì)量塊組成局域振子單元，多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元對(duì)稱且等間距地安裝在主梁上組成聲子晶體結(jié)構(gòu)，各局域振子單元上的壓電材料的表面平行于主梁的軸線。
[0007]本發(fā)明還可以包括:
[0008]1、所述主梁為由硅、金屬或者彈性材料制成的方形或圓形梁。
[0009]2、所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁一側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
[0010]3、所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
[0011]4、所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部?jī)蓚?cè)的質(zhì)量塊。
[0012]本發(fā)明主要是針對(duì)微電子產(chǎn)品的電能供應(yīng)而設(shè)計(jì)，利用壓電技術(shù)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，并采用聲子晶體技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置在振動(dòng)環(huán)境中的寬頻高效發(fā)電。其原理是沿主梁長(zhǎng)度方向等間距對(duì)稱布置若干組發(fā)電支梁(局域振子)，形成局域共振型聲子晶體結(jié)構(gòu)，由于局域振子的動(dòng)力吸振以及相互間的耦合作用，會(huì)產(chǎn)生不同中心頻率及不同帶寬的橫向振動(dòng)帶隙，使得發(fā)電支梁在該頻帶范圍內(nèi)劇烈振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，最終實(shí)現(xiàn)橫向振動(dòng)的寬頻發(fā)電效果。
[0013]本發(fā)明是將若干相同的懸臂梁振子，等間距對(duì)稱安裝在彈性主梁上，構(gòu)成局域共振型聲子晶體結(jié)構(gòu)，利用其產(chǎn)生的橫振帶隙，使各懸臂梁振子在帶隙頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生較大振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而有效拓寬裝置發(fā)電頻帶的帶寬，提高裝置的發(fā)電效率。局域共振型聲子晶體的橫振帶隙頻率低，并可通過(guò)調(diào)節(jié)懸臂梁振子尺寸和振子之間的間距改變帶隙位置和帶隙寬度。適用于低頻振動(dòng)環(huán)境的發(fā)電。在拓寬發(fā)電頻帶的機(jī)理上，本發(fā)明與【背景技術(shù)】的串聯(lián)方案根本不同，同時(shí)也具有發(fā)電量大、設(shè)計(jì)制造成本低等優(yōu)勢(shì)。
[0014]總之本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，并對(duì)壓電振動(dòng)裝置的橫向振動(dòng)發(fā)電頻帶進(jìn)行了有效的拓寬，無(wú)需主動(dòng)控制、對(duì)工作環(huán)境的要求較低?？捎糜跓o(wú)線傳感器等微電子產(chǎn)品的能量供應(yīng)等。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置的一種實(shí)施方式的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是雙壓電片單質(zhì)量塊局域振子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置的另一種實(shí)施方式的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是單壓電片單質(zhì)量塊局域振子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5是雙壓電片雙質(zhì)量塊局域振子結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0021]結(jié)合圖1，本發(fā)明的技術(shù)方案主要包括主梁1、壓電材料2、質(zhì)量塊3和支梁4。
[0022]主梁I用于與振動(dòng)環(huán)境中的機(jī)座相連接或者直接作為機(jī)座，材料為硅、金屬或者彈性材料等；壓電材料2材料為壓電陶瓷或者壓電薄膜；質(zhì)量塊3材料為銅、鎳等金屬;支梁4材料為硅。壓電材料2與質(zhì)量塊3通過(guò)粘結(jié)等合理工藝方式粘結(jié)在支梁4上，組成局域振子，局域振子作為單元通過(guò)焊接、嵌入連接等方式對(duì)稱、等間距地安裝在主梁I上，從而組成聲子晶體結(jié)構(gòu)，各局域振子上的壓電材料的表面平行于主梁的軸線產(chǎn)生的橫振帶隙。發(fā)電支梁與主梁的結(jié)構(gòu)尺寸、發(fā)電結(jié)構(gòu)的周期數(shù)目可以根據(jù)使用環(huán)境的需要進(jìn)行調(diào)整，該裝置將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能后，通過(guò)整流器處理用于儲(chǔ)存或者供能。
[0023]實(shí)際使用時(shí)應(yīng)考慮到以下幾種因素可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行改進(jìn)。
[0024](I).主梁及局域振子結(jié)構(gòu)。根據(jù)工作環(huán)境的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度以及使用設(shè)備的能量需求，可以改變主梁或局域振子結(jié)構(gòu)，如圖3、4、5。當(dāng)所需電量較大時(shí)，可將單壓電片改為雙壓電片，質(zhì)量塊數(shù)目也可改變，主梁亦可由圓截面主梁替代方截面主梁等。
[0025](2).主梁及局域振子的材料。根據(jù)工作環(huán)境振動(dòng)頻率，改變主梁及局域振子的組成材料,從而將帶隙頻率調(diào)節(jié)至與外部環(huán)境振動(dòng)頻率相匹配。
[0026](3).結(jié)構(gòu)的周期數(shù)。根據(jù)幾何尺寸要求、發(fā)電量大小、頻帶范圍等可以調(diào)整聲子晶體的周期數(shù)目。
【權(quán)利要求】
1.一種基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，包括主梁和支梁，支梁上連接壓電材料和質(zhì)量塊組成局域振子單元，其特征是:多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元對(duì)稱且等間距地安裝在主梁上組成聲子晶體結(jié)構(gòu)，各局域振子單元上的壓電材料的表面平行于主梁的軸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述主梁為由硅、金屬或者彈性材料制成的方形或圓形梁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁一側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橫振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部?jī)蓚?cè)的質(zhì)量塊。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103746604SQ201410022604
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】舒海生, 董立強(qiáng), 劉少剛, 趙丹, 李世丹, 林航, 劉偉, 王興國(guó), 李曉剛, 梁善軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)