一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器的制造方法
【專利摘要】一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，包括上懸臂梁、上懸臂梁質(zhì)量塊、固定支架、上電極、壓電片、下電極、下懸臂梁和下懸臂梁質(zhì)量塊；上懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布；上懸臂梁的一端與固定支架連接；上懸臂梁質(zhì)量塊與上懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并固定于所述上懸臂梁的自由端；上電極、壓電片、下電極依次層疊設(shè)置于下懸臂梁上表面或下表面；下懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布，共用一個(gè)所述下懸臂梁質(zhì)量塊；下懸臂梁并位于陣列分布的上懸臂梁的下方，且固定于固定支架上。根據(jù)實(shí)際環(huán)境中振動(dòng)源頻率范圍，設(shè)計(jì)上懸臂梁的個(gè)數(shù)和諧振頻率，使陣列式上懸臂梁的諧振頻率范圍覆蓋環(huán)境中振動(dòng)源頻率，進(jìn)行電能輸出。
【專利說(shuō)明】一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種壓電振動(dòng)能量收集器，特別涉及一種可實(shí)現(xiàn)寬頻能量收集的壓電振動(dòng)能量收集器。

【背景技術(shù)】
[0002]能量收集器是采集或收集周圍環(huán)境中釋放的微能量，包括光、熱和振動(dòng)，并將之轉(zhuǎn)換為電能的器件。同傳統(tǒng)的供能方式相比，如傳輸線、電池等，能量收集器不受連接線的限制，且無(wú)需頻繁更換，有效解決了在惡劣的環(huán)境下設(shè)備因電池壽命有限帶來(lái)更換不便或者維修費(fèi)用高的問(wèn)題，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)和MEMS等低功耗電子設(shè)備供電方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其中壓電式振動(dòng)能量收集器具有可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用、能與MEMS技術(shù)很好地集成、能量輸出密度大、無(wú)需啟動(dòng)電源以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是目前微能量收集領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
[0003]目前壓電振動(dòng)能量收集器大多采用帶有質(zhì)量塊的懸臂梁結(jié)構(gòu)，利用周圍環(huán)境的振動(dòng)激勵(lì)使得懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振，并由此帶動(dòng)內(nèi)部壓電材料的形狀發(fā)生改變，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，由于材料的壓電效應(yīng)，其應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能。然而當(dāng)周圍環(huán)境振動(dòng)源的頻率偏離懸臂梁諧振頻率時(shí)，壓電懸臂梁形變變小，輸出能量會(huì)急劇減少。實(shí)際應(yīng)用中振動(dòng)源通常都具有一定頻帶寬度，振動(dòng)能量收集器的帶寬不能完全覆蓋環(huán)境中振動(dòng)源頻帶寬度，限制了收集器在寬頻振動(dòng)環(huán)境中的應(yīng)用。比如，目前由美國(guó)MicroGen公司生產(chǎn)的MEMS振動(dòng)能量收集器功率輸出的半峰全寬(Full width at half maximum)也只有1Hz。因此如何拓寬能量收集器的頻帶寬度是發(fā)展能量收集器面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
[0004]另一方面,隨著MEMS技術(shù)和低功耗集成電路技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)的微傳感系統(tǒng)將具有更小的體積、更低的功耗和更高的集成度，基于MEMS技術(shù)加工的振動(dòng)能量收集器將有望滿足未來(lái)獨(dú)立工作微傳感系統(tǒng)的能源供應(yīng)，同時(shí)有可能與其他功能模塊集成在一起。因此，如何采用MEMS工藝實(shí)現(xiàn)寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集器是目前微能量收集領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、重點(diǎn)。
[0005]目前，為解決壓電振動(dòng)能量收集器能在寬頻帶振動(dòng)環(huán)境中工作的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外提出了各種各樣的解決方案。但是，這些技術(shù)方案在寬頻帶、微型化、集成化等方面仍存在較大技術(shù)挑戰(zhàn)。例如:基于雙梁碰撞結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器設(shè)計(jì)只有在振動(dòng)頻率是遞增變化時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)寬頻能量收集，但是，當(dāng)振動(dòng)頻率是遞減變化時(shí)，拓頻效果不理想；基于陣列式壓電懸臂梁的能量收集器設(shè)計(jì)，采用電學(xué)串并聯(lián)的方式輸出電能，存在能量收集效率低的問(wèn)題；通過(guò)引入磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)拓頻的能量收集器設(shè)計(jì)，不利于器件微型化、集成化的發(fā)展。因此，兼具M(jìn)EMS微型化、高效的和寬頻帶特點(diǎn)的壓電振動(dòng)能量收集器的研究亟待深入開展。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以在一定頻帶寬度振動(dòng)源環(huán)境中高效率的將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，易實(shí)現(xiàn)微型化、集成化的寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集器。
[0007]為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，包括上懸臂梁、上懸臂梁質(zhì)量塊、固定支架、上電極、壓電片、下電極、下懸臂梁和下懸臂梁質(zhì)量塊；
[0008]所述上懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布；所述上懸臂梁的一端與所述固定支架連接；所述上懸臂梁質(zhì)量塊與所述上懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并固定于所述上懸臂梁的自由端；所述上電極、壓電片、下電極依次層疊設(shè)置于下懸臂梁上表面或下表面；所述下懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布，共用一個(gè)所述下懸臂梁質(zhì)量塊；所述下懸臂梁并位于陣列分布的上懸臂梁的下方，且固定于固定支架上。
[0009]作為優(yōu)選，所述上懸臂梁陣列分布的形狀可以為矩形或方形或圓形或橢圓形。
[0010]作為優(yōu)選，所述上懸臂梁的形狀可以為矩形、梯形、曲線形。
[0011]作為優(yōu)選，所述固定于上懸臂梁的質(zhì)量塊質(zhì)量不相同，具體質(zhì)量根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍設(shè)置。
[0012]作為優(yōu)選，所述固定于上懸臂梁的質(zhì)量塊的形狀可以為方形、矩形、三角形、梯形、圓形。
[0013]作為優(yōu)選，所述壓電片的材料可選用壓電陶瓷或氮化鋁或氧化鋅或PVDF。
[0014]作為優(yōu)選，所述下懸臂梁的尺寸相同，形狀可以為矩形或梯形或曲線形。
[0015]作為優(yōu)選，所述下懸臂梁共用的質(zhì)量塊形狀可以為圓形或四邊形或三角形。
[0016]作為優(yōu)選，所述上、下懸臂梁的材料可選用銅或鋁或硅。
[0017]作為優(yōu)選，所述下懸臂梁的諧振頻率不需要與環(huán)境振動(dòng)頻率匹配。
[0018]本實(shí)用新型提供的一種寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集器具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]1.采用不同諧振頻率的懸臂梁陣列，從而使能量收集器有較寬的頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)寬頻能量收集。
[0020]2.通過(guò)上懸臂梁與下懸臂梁碰撞方式傳遞機(jī)械能，利用下懸臂梁上的壓電片進(jìn)行能量收集，由于下懸臂梁共用一個(gè)質(zhì)量塊且同時(shí)發(fā)生形變，可以避免多梁因串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式存在相位差而產(chǎn)生耦合干擾和內(nèi)阻增加等問(wèn)題。
[0021]3.下懸臂梁可以是鏤空的陣列式懸臂梁結(jié)構(gòu)，使得壓電片的形變量增加，提升輸出電能效率。通過(guò)調(diào)整梁的尺寸、個(gè)數(shù)以及分布情況可以優(yōu)化能量收集器的輸出效果。
[0022]4.本實(shí)用新型所提出的微型寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集器采用可與集成電路兼容的氮化鋁薄膜材料或者其他壓電薄膜。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例1
[0027]結(jié)合圖1所示，本實(shí)用新型提供一種寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集器，包括上懸臂梁2、上懸臂梁質(zhì)量塊3和下懸臂梁質(zhì)量塊8、固定支架1、上電極4、壓電片5、下電極6和下懸臂梁7。
[0028]本實(shí)施例中，所述上懸臂梁2的數(shù)量為三，優(yōu)選為矩形，呈圓形陣列分布；所述上懸臂梁2的一端與所述固定支架I連接；所述上懸臂質(zhì)量塊3優(yōu)選為矩形，與所述上懸臂梁2 —一對(duì)應(yīng)，并固定于所述上懸臂梁2的自由端；所述上電極4、壓電片5、下電極6依次層疊設(shè)置于下懸臂梁7上表面；所述下懸臂梁7的數(shù)量為為三，優(yōu)選為矩形且共用所述下懸臂梁質(zhì)量塊8 ;所述下懸臂梁7呈陣列分布，并位于所述陣列分布的上懸臂梁2的下方，且固定于所述固定支架I上。
[0029]本實(shí)施例中，所述上懸臂梁質(zhì)量塊3具有不同的質(zhì)量，可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中振動(dòng)源頻率變化范圍進(jìn)行匹配，獲得不同的諧振頻率。
[0030]當(dāng)懸臂梁受到外界激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，通過(guò)碰撞上懸臂梁質(zhì)量塊3向下懸臂梁質(zhì)量塊8傳遞機(jī)械能，從而使下懸臂梁質(zhì)量塊8帶動(dòng)下懸臂梁7振動(dòng)，進(jìn)而使壓電片5發(fā)生形變從而產(chǎn)生電能，通過(guò)壓電片5的上電極4和下電極6輸出能量。由于設(shè)置了多條上懸臂梁2，每條上懸臂梁2的諧振頻率均不相同，這樣就使得所述寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置在一個(gè)比較寬的頻率范圍內(nèi)都能保證至少有一個(gè)上懸臂梁2發(fā)生共振而向基底傳遞機(jī)械能。避免了因調(diào)節(jié)諧振頻率導(dǎo)致電壓間斷性輸出的問(wèn)題，可以得到連續(xù)輸出的有效電壓，更能適應(yīng)頻率變化快的振動(dòng)環(huán)境。同時(shí)，下懸臂梁采用鏤空結(jié)構(gòu)，使得壓電片5的形變量增加，從而提高了輸出電能的效率。
[0031]由于每個(gè)上懸臂梁質(zhì)量塊2與下懸臂梁質(zhì)量塊8的距離可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍及振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到所需的輸出電壓。比如通過(guò)設(shè)置可以使得每個(gè)處于諧振狀態(tài)的上懸臂梁2通過(guò)上懸臂梁質(zhì)量塊2給壓電片5帶來(lái)的形變大致相同，使得在不同的共振頻率下，壓電片輸出的電壓始終是大致相同的，有穩(wěn)壓的效果。
[0032]由于下懸臂梁7共用一個(gè)下懸臂梁質(zhì)量塊8且同時(shí)發(fā)生形變，可以避免多梁因串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式存在相位差而產(chǎn)生耦合干擾和內(nèi)阻增加等問(wèn)題。
[0033]綜上所述，本實(shí)用新型提出的寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，能收集環(huán)境中具有一定頻帶寬度振動(dòng)源的能量，有效拓寬了工作頻率寬度，同時(shí)提高了能量收集效率，而且易實(shí)現(xiàn)微型化、集成化，擴(kuò)寬了適用范圍，增強(qiáng)了實(shí)用性。
[0034]實(shí)施例2
[0035]結(jié)合圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:下懸臂梁7的數(shù)量為二，呈不對(duì)稱陣列分布。其余部分與實(shí)施例1相同，不再贅述。
[0036]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本實(shí)用新型實(shí)施的范圍，即依本實(shí)用新型專利范圍及說(shuō)明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本實(shí)用新型涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，包括上懸臂梁、上懸臂梁質(zhì)量塊、固定支架、上電極、壓電片、下電極、下懸臂梁和下懸臂梁質(zhì)量塊； 所述上懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布；所述上懸臂梁的一端與所述固定支架連接；所述上懸臂梁質(zhì)量塊與所述上懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并固定于所述上懸臂梁的自由端；所述上電極、壓電片、下電極依次層疊設(shè)置于下懸臂梁上表面或下表面；所述下懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布，共用一個(gè)所述下懸臂梁質(zhì)量塊；所述下懸臂梁并位于陣列分布的上懸臂梁的下方，且固定于固定支架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述上懸臂梁陣列分布的形狀可以為矩形或方形或圓形或橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述上懸臂梁的形狀可以為矩形或梯形或曲線形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述固定于上懸臂梁的質(zhì)量塊質(zhì)量不相同，具體質(zhì)量根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述固定于上懸臂梁的質(zhì)量塊的形狀可以為方形、矩形、三角形、梯形、圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述壓電片的材料可選用壓電陶瓷或氮化鋁或氧化鋅或PVDF。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述下懸臂梁的尺寸相同，形狀可以為矩形或梯形或曲線形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述下懸臂梁共用的質(zhì)量塊形狀可以為圓形或四邊形或三角形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述上、下懸臂梁的材料可選用銅或鋁或硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述下懸臂梁的諧振頻率不需要與環(huán)境振動(dòng)頻率匹配。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK203951386SQ201420327611
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】秦利鋒, 張金惠, 張啟祥, 馬盛林, 夏雁鳴, 周偉, 劉海強(qiáng), 凌偉淞, 張軍鵬 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)