CN101656493A - 基于双稳态升频结构的mems宽频压电能量采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电器技术领域的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，包括：框架，设于框架内的双稳态梁、压电悬臂梁、永磁铁、软磁铁，其特征在于，双稳态梁的两端均固定于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，压电悬臂梁的一端固定于框架上，软磁铁设置于压电悬臂梁上。本发明采用双稳态升频结构，使压电换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，与现有的MEMS压电能量采集器相比，它不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，且可在较宽的环境振动频率范围内输出稳定的功率。

Description

基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，具体是一种基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器。
背景技术
微机电***(MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems)是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的研究领域。随着无线传感器网络、嵌入式智能结构和可穿戴式健康监测等功耗低、独立工作***的迅速发展，对长寿命的独立电源供应技术的需求越来越强烈。目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法。以压电材料的压电效应作为换能基础设计制作的微型压电发电装置因具备体积小，能量密度高，寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点，因而获得了广泛的关注。
MEMS压电能量采集器的工作原理是基于压电材料的正压电效应，其正压电效应是将机械能转化为电能，当外力作用到压电元件上并引起材料发生变形，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，导致原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。所产生的电能依赖于外部环境振动频率，当压电能量采集器的***频率与外部振动频率相匹配产生共振时，将输出最大功率，但是，当压电能量采集器的***频率偏离外部振动频率时，输出的功率将减少。
利用MEMS技术研制的压电式振动能量收集器，由于尺寸微小其固有频率较高，通常远高于环境振动频率。自然环境振动频率一般小于1000HZ范围内，而且主要集中在小于100Hz的范围内。因此，目前的MEMS能量采集技术还无法实现在低频环境下(小于100Hz)的能量采集。
经对现有技术文献的检索发现，Marco Ferrari，Vittorio Ferrari等在《Sensors and Actuators A》142(2008)329-335撰文“Piezoelectricmultifrequency energy converter for power harvesting in autonomousmicrosystems”(“自治微***中多频率压电能量收集器”《传感器与执行器A》)。该文中提及到的实现频率匹配的方法是采用多个不同自然频率的双晶片压电悬臂梁组成的阵列实现更宽的等效频带。但是，用这种方法一方面增大了压电能量采集器的结构尺寸，而且使悬臂梁的制造过程变得复杂。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，使压电换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器工作频带窄、固有频率高等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：框架和设于框架内的双稳态梁、压电悬臂梁、永磁铁、软磁铁，双稳态梁的两端均固支于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，压电悬臂梁的一端固定于框架上，软磁铁设置于压电悬臂梁上。
所述双稳态梁的长度比框架内部的宽度要长，双稳态梁水平放置，且双稳态梁屈曲于框架内。
所述双稳态梁的两端均固支于框架上。
所述压电悬臂梁的一端固支于框架上，压电悬臂梁的另一端悬空。
所述软磁铁设于压电悬臂梁的悬空端的上表面。
所述永磁铁附着于双稳态梁的下表面的中部。
所述永磁铁与软磁铁的中心轴线相同。
所述压电悬臂梁，包括三层，中间层为金属层，上层和下层均为压电层。
上层压电层和下层压电层上均覆盖有电极。
上层压电层电极和下层压电层电极串联连接。
本发明的工作原理为：双稳态梁结构长度比框架内部的宽度要长，双稳态梁结构在框架内部受轴向力作用下发生屈曲，并稳定平衡放置于框架内部，此时为双稳态梁的第一个稳态位置。当环境振动作用于双稳态梁上的外界横向力增大到一定值时，双稳态梁向下运动稳定在另一个状态，此时为双稳态梁的第二个稳态位置。当把本发明放置于环境振动中，在一定的振动加速度条件下，双稳态梁可在第一稳态和第二稳态间相互切换。当双稳态梁从第一稳态位置转为第二稳态位置时，双稳态梁上的永磁铁与压电悬臂梁上的软磁铁之间的距离将减少，永磁铁和软磁铁之间的磁场力增大，会克服压电悬臂梁内部的弹性变形力而吸引压电悬臂梁上的软磁铁，使压电悬臂梁向上弯曲，且悬臂梁内部的弹性变形力会随着悬臂梁向上运动而不断增大。随后，由于外界环境的振动，双稳态梁将从第二个稳态位置切换到第一个稳态位置，此时，永磁铁和软磁铁间的距离增大，相互间的磁场力较小，远小于压电悬臂梁内部弹性变形力，压电悬臂梁在内部弹性变形力的作用下将向下运动，从而导致压电悬臂梁以自身的固有频率作机械阻尼振动。因压电悬臂梁的固有频率远高于100HZ内的环境振动频率，从而将外界环境中的低频振动转化为压电悬臂梁的高频振动。由于存在阻尼，压电悬臂梁的振动幅度将逐渐减少，但在某一时刻，当双稳态梁再一次切换到第二稳态位置时，永磁铁将会再次吸引软磁铁。因此，只要外界振动加速度足够提供双稳态梁稳态转换所需的临界力，且压电悬臂梁与双稳态梁之间垂直方向距离适当，压电悬臂梁就能够不时获得足够的弯曲，并作高频的机械阻尼振动，而与外界的环境振动频率无关，因而实现了低频环境下获得较大的输出功率。
本发明采用双稳态升频结构，使MEMS压电换能元件在低频振动环境下获得输出功率，与现有的MEMS压电能量采集器相比，它不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，且可在较宽的环境振动频率范围内输出稳定的功率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中的双稳态梁及其永磁铁的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：框架1、双稳态梁2、永磁铁3、压电悬臂梁4和软磁铁5，双稳态梁2、永磁铁3、压电悬臂梁4和软磁铁5均设置于框架1内部。永磁铁3粘附于双稳态梁2的下表面的中间位置。压电悬臂梁4是由压电材料制成，压电悬臂梁4包括三层，中间层为金属层，上层和下层均为压电层，上层压电层和下层压电层上均覆盖有电极，上层压电层电极和下层压电层电极串联连接。
压电悬臂梁4的一端固定于框架1上，压电悬臂梁4的另一端悬空。软磁铁5粘附于压电悬臂梁4的上表面，为了使永磁体与软磁体间的磁场力尽可能大，软磁铁5的位置在垂直方向上与永磁铁3对齐，且中心轴线相同。
如图1、图2所示，本实施例双稳态梁2是由微梁结构制成，微梁结构的长度比框架1内空隙的宽度要长，微梁结构在框架1内水平放置，且其两端与框架内部固支在一起，在轴向力作用下微梁结构发生屈曲，构成双稳态梁2。
双稳态梁2两端均固支于框架1内部，并在轴向力作用下发生屈曲，稳定平衡放置于框架1内部，此时为双稳态梁2的第一个稳态位置。当外界振动加速度大于某个值时，也即作用于双稳态梁2上的外界横向力增大到一定值时，双稳态梁将跳转另一稳态位置，设于双稳态梁2下表面中部的永磁铁3会与设置于压电悬臂梁4上的软磁铁5相互吸引。双稳态梁2与压电悬臂梁4垂直方向上的距离，应设计保证双稳态梁2上的永磁铁3在梁的第二个稳定状态时能够吸引压电悬臂梁4上的软磁铁5，且应保证永磁铁3和软磁铁5不会相互接触吸合。
本实施例在制作时，将一永磁铁粘附于一直梁的中间位置；制作屈曲双稳态梁，使梁处于第一稳态。对直梁施加轴线预应力，且该预应力大于梁的屈曲临界力，使屈曲双稳态梁两端固定于发电器框架上；制作压电悬臂梁，一端固支于能量采集器框架上，另一端自由；将软磁铁粘附于压电悬臂梁的自由端位置。
本实施例可根据具体的应用要求，采用相应的尺寸。如下表1列出了整个压电能量采集器尺寸大小为1×1mm2的一组设计参数。
表11×1mm2尺寸压电能量采集器的一组设计参数
  整个压电能量采集器尺寸(mm2)   双稳态梁尺寸(长×宽×厚)(mm3)   双稳态梁的拱高(屈曲稳态时)(mm)   双稳态梁与压电悬臂梁间的距离(mm)   永磁铁块尺寸(长×厚)(mm2)   软磁铁块尺寸(长×厚)(mm2)
  1×1   1×0.04×0.03   0.15   0.2   0.3×0.03   0.1×0.01

Claims (10)

1、一种基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，包括：框架和设于框架内的双稳态梁、压电悬臂梁、永磁铁、软磁铁，其特征在于，双稳态梁的两端均固定于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，压电悬臂梁的一端固定于框架上，软磁铁设置于压电悬臂梁上。
2、根据权利要求1所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述双稳态梁的长度比框架内部空隙的宽度长。
3、根据权利要求1或者2所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述双稳态梁水平放置，且双稳态梁屈曲于框架内。
4、根据权利要求1所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述压电悬臂梁的另一端悬空。
5、根据权利要求1所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述软磁铁设于压电悬臂梁的悬空端的上表面。
6、根据权利要求1所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述永磁铁附着于双稳态梁的下表面的中部。
7、根据权利要求1所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述永磁铁与软磁铁的中心轴线相同。
8、根据权利要求1所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，所述压电悬臂梁，包括三层，中间层为金属层，上层和下层均为压电层。
9、根据权利要求8所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，上层压电层和下层压电层上均覆盖有电极。
10、根据权利要求8或9所述的基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，其特征是，上层压电层电极和下层压电层电极串联连接。
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