振動(dòng)幅度閾值驅(qū)動(dòng)發(fā)電的能量采集器及傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微機(jī)械傳感器領(lǐng)域，涉及一種振動(dòng)幅度閾值驅(qū)動(dòng)發(fā)電的能量采集器及 傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] "事件驅(qū)動(dòng)（event-driven) "機(jī)制是無(wú)線傳感網(wǎng)部署中的重要技術(shù)。所 謂事件驅(qū)動(dòng)，是指僅在某些特定事件（例如地震、火災(zāi)、溫度/濕度等達(dá)到某一閾 值）發(fā)生時(shí)，傳感器才被喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，在其他時(shí)刻則保持低功耗休眠狀 態(tài)[S.Tilak,N. B. Abu-Ghazaleh and W.Heinzelman. "A taxonomy of wireless micro-sensor network models. ^ACM SIGM0BILE Mobile Computing and Communications Review6, no. 2(2002) :28-36.]。這一機(jī)制對(duì)于有效利用能源、延長(zhǎng)傳感網(wǎng)壽命、降低使 用成本等有著重要意義。通常意義上的事件驅(qū)動(dòng)是在網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)接入控制（MC)層進(jìn) 行的，通過(guò)MAC協(xié)議調(diào)度傳感網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)[I. Demirkol, C. Ersoy and F. Alagoz. 〃MAC protocols for wireless sensor networks:a survey. "Communications Magazine, IEEE44, no. 4(2006) : 115-121.]。實(shí)際上，事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)的物理層也有 重要意義。所謂"事件"，指的就是" 一個(gè)變量值的變化" [K. M，Chandy，B. E. Aydemir，E. M. Karpilovsky D. M. Zimmerman. ^Event-driven architectures for distributed crisis management. "Computer Science256 (2003) :80]。在傳感器的物理層，我們關(guān)心的就是一 些關(guān)鍵物理量的變化，例如地震一定會(huì)引起加速度的巨大變化，火災(zāi)則會(huì)引起溫度的顯著 變化。這些變化完全可以用于在物理層對(duì)傳感器進(jìn)行喚醒，從而進(jìn)一步減少傳感網(wǎng)的能量 和網(wǎng)絡(luò)資源消耗，提高工作效率。更進(jìn)一步，這些物理量的變化（震動(dòng)/加速度突變、溫度 升高）也蘊(yùn)含著可觀的能量，這就為將能量采集和傳感功能實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)器件上提供了 可能性。這一思路在國(guó)際上得到了初步探索。日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST)的 Itoh等開(kāi)發(fā)出一種直接數(shù)字輸出的壓電式加速度傳感器，用于探測(cè)禽流感導(dǎo)致的家禽運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)異常[T. Itoh, T. Kobayashi, H. Okada, T. Masuda and T. Suga. 〃A digital output piezoelectric accelerometer for ultra-low power wireless sensor node.^In Sensors, 2008IEEE，pp. 542-545. IEEE, 2008]。該傳感器在一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)上制作了多個(gè)壓 電條，每個(gè)壓電條后級(jí)連接閾值電壓不同的CMOS開(kāi)關(guān)，因此檢測(cè)到不同加速度時(shí)，開(kāi)啟的 是不同數(shù)目的CMOS開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字輸出而不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。加速度傳感器本 身并不需要電源，但是后級(jí)電路仍需要靠電池供電，并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自供能。
[0003] 在傳感器應(yīng)用的很多場(chǎng)合，并不需要精確地測(cè)量各個(gè)物理量，而只是需要關(guān)注某 個(gè)物理量是否達(dá)到特定閾值，即可判斷檢測(cè)對(duì)象的狀態(tài)，進(jìn)而判斷特定的事件是否發(fā)生。一 個(gè)典型的例子是長(zhǎng)距離輸油管道。輸油管道是重要的經(jīng)濟(jì)命脈，同時(shí)也常常受到不法分子 的覬覦，破壞輸油管道偷取油料的犯罪行為屢見(jiàn)報(bào)端。由于輸油管道長(zhǎng)度很大，且常常穿越 荒野地帶，若要確保全線的安全需要大量人力實(shí)時(shí)值守，這樣做的成本巨大，是不現(xiàn)實(shí)的。 而這正是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的用武之地。若在輸油管道上沿線布置大量無(wú)線檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)，即可 有效監(jiān)控管道的安全。無(wú)人值守的輸油管道遭到鉆孔、割鋸等破壞時(shí)，將會(huì)發(fā)生振動(dòng)。用 傳統(tǒng)的方法監(jiān)測(cè)，則需要用加速度傳感器感知這種振動(dòng)，進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，再?gòu)闹?提取出有用信息，這一過(guò)程繁瑣且會(huì)消耗可觀的能量。而以"從模擬到信息（A to 1)"的 思路，可以省去這些繁瑣步驟，減少系統(tǒng)復(fù)雜度和能耗。實(shí)際上，為了造成有效的破壞，鉆 孔、割鋸等行為必須具有一定的強(qiáng)度并持續(xù)一段時(shí)間，這就意味著其引起的振動(dòng)也具有一 定的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。"發(fā)生具有一定的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的振動(dòng)"這一 "事件"既意味著管 道正在遭受破壞，又蘊(yùn)含了可觀的能量。基于這一思路，可以在能量采集器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)閾 值傳感器的功能。澳大利亞的ShockWatch公司開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需電源的沖擊振動(dòng)閾值指示 器。該器件利用化學(xué)原理，在受到高于特定加速度閾值的振動(dòng)時(shí)，內(nèi)含化學(xué)物質(zhì)會(huì)反應(yīng)變 色，從而顯示出其宿主結(jié)構(gòu)是否受到過(guò)沖擊[WWW. shockwatch. com]。如果這一類傳感器能 夠與電路結(jié)合起來(lái)，則可以有更多樣的信息顯示和傳輸方式，而不只局限于目視檢查。德國(guó) CiS微感與光伏研究所的Frank等基于一種利用水凝膠在溫度、濕度、pH值等變化的作用 下膨脹的原理，提出了一種自供能閾值開(kāi)關(guān)[T. Frank, G. Gerlach and A. Steinke. "Binary Zero-Power Sensors: an alternative solution for power-free energy-autonomous sensor systems. "Microsystem technologiesl8, no. 7-8 (2012): 1225-1231]。當(dāng)被檢測(cè)物 理量達(dá)到特定閾值時(shí)，器件中的執(zhí)行結(jié)構(gòu)會(huì)在開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而改變電路狀態(tài)，而 不需要任何外接能源。美國(guó)Birmingham Young大學(xué)的Todd等提出了一種無(wú)源的加速度 閾值傳感器[B. Todd, M. Phillips, S. M. Schultz, A. R. Hawkins and B. D. Jensen. "Low-cost RFID threshold shock sensors. "Sensors Journal, IEEE9, no. 4 (2009): 464-469]。該器 件采用了特別設(shè)計(jì)的雙穩(wěn)態(tài)梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)設(shè)定閾值的加速度時(shí)，這個(gè)梁結(jié)構(gòu)將從 一個(gè)穩(wěn)態(tài)躍變到另一穩(wěn)態(tài)，而未檢測(cè)到時(shí)則不發(fā)生變化。這種工作方式構(gòu)成了一個(gè)開(kāi)關(guān)，其 關(guān)斷和接通分別代表監(jiān)測(cè)對(duì)象的加速度未達(dá)到和達(dá)到閾值。后級(jí)電路只需要檢測(cè)這一開(kāi)關(guān) 是否導(dǎo)通就可以獲得所需信息，這樣就大大降低了傳感系統(tǒng)的復(fù)雜度和功耗。從系統(tǒng)的層 面來(lái)看，上述方案實(shí)現(xiàn)了部分自供能。
[0004] 實(shí)際上，這些方案中，使敏感結(jié)構(gòu)發(fā)生躍變的能量最終都耗散掉了，不能有效利用 能源，并且需要額外的檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)傳感信號(hào)、后級(jí)電路需要靠電池供電、需要額外的能 量來(lái)傳送信號(hào)，不能完全實(shí)現(xiàn)自供能。
[0005] 因此，提供一種振動(dòng)幅度閾值驅(qū)動(dòng)發(fā)電的能量采集器及傳感器實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種振動(dòng)幅度閾值驅(qū)動(dòng) 發(fā)電的能量采集器及傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器不能有效利用能源，并且需要 額外的檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)傳感信號(hào)及需要額外的能量來(lái)傳送信號(hào)，不能完全實(shí)現(xiàn)自供能的問(wèn) 題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種振動(dòng)幅度閾值驅(qū)動(dòng)發(fā)電的能量 采集器，至少包括：
[0008] 用于感應(yīng)外界振動(dòng)的第一級(jí)振子；所述第一級(jí)振子包括依次連接的第一彈簧、第 一質(zhì)量塊及第一磁體；
[0009] 用于產(chǎn)生電能的第二級(jí)振子；所述第二級(jí)振子包括依次連接的第二彈簧、第二質(zhì) 量塊及第二磁體；
[0010] 所述第一級(jí)振子與所述第二級(jí)振子均設(shè)置于一基座上；
[0011] 當(dāng)外界振動(dòng)幅度小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，能量采集器不發(fā)電；當(dāng)外界振動(dòng)幅度大于所述 預(yù)設(shè)閾值時(shí)，所述第一級(jí)振子驅(qū)動(dòng)所述第二級(jí)振子振動(dòng)，產(chǎn)生電能。
[0012] 可選地，所述第一級(jí)振子通過(guò)兩極振子之間的脈沖磁排斥力驅(qū)動(dòng)所述第二級(jí)振子 振動(dòng)。
[0013] 可選地，所述第二級(jí)振子上設(shè)有用于發(fā)電的換能機(jī)構(gòu)。
[0014] 可選地，所述換能機(jī)構(gòu)為壓電式或電磁感應(yīng)式。
[0015] 可選地，所述第一級(jí)振子與第二級(jí)振子的振動(dòng)方向相互平行，且所述第一級(jí)振子 與第二級(jí)振子在工作過(guò)程中不發(fā)生接觸。
[0016] 可選地，所述第二級(jí)振子被有效驅(qū)動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)頻率為自身的諧振頻率，與外界振 動(dòng)頻率無(wú)關(guān)。
[0017] 可選地，所述第二質(zhì)量塊同時(shí)作為所述第二磁體。
[0018] 可選地，所述第一彈簧與第二彈簧均為平面彈簧懸臂梁，其中，所述第一彈簧為并 聯(lián)雙梁結(jié)構(gòu)，所述第一質(zhì)量塊及所述第一磁體設(shè)置于所述并聯(lián)雙梁結(jié)構(gòu)末端；所述第二彈 簧為單懸臂梁結(jié)構(gòu)，設(shè)置于所述并聯(lián)雙梁結(jié)構(gòu)之間，所述第二磁體設(shè)置于所述單懸臂梁結(jié) 構(gòu)自由端，所述第二磁體同時(shí)作為所述第二質(zhì)量塊，所述單懸臂梁結(jié)構(gòu)的表面還設(shè)置有壓 電薄膜。
[0019] 可選地，所述第一質(zhì)量塊為鉛制；所述第一磁體與第二磁體均為釹鐵硼磁鐵。
[0020] 可選地，所述壓電薄膜為聚偏氟乙烯。
[0021] 可選地，所述第一磁體的數(shù)量大于或等于兩個(gè)，所述第二磁體的數(shù)量大于或等于 兩個(gè)