CN101895232A - 具有弹性元件连接的压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有弹性元件连接的压电俘能器，它包括压电双晶片梁，所述压电双晶片梁包括在厚度方向上极化的两个压电片层和一个金属层，金属层复合在两个压电片层之间；所述压电俘能器还包括壳体，所述壳体内至少包括一个晶片组，所述晶片组包括两个或两个以上的压电双晶片梁，所述晶片组中的压电双晶片梁沿着压电片层的厚度方向排列成一列；所述压电双晶片梁的一端固定于壳体的一个内侧壁上，所述压电双晶片梁的另一端为自由端，所述晶片组中相邻两个压电双晶片梁的自由端之间通过弹性元件连接。该具有弹性元件连接的压电俘能器的工作频率带得到拓宽，并根据多频变频环境需要进行调频从而增大输出功率。

Description

具有弹性元件连接的压电俘能器

技术领域

本发明涉及从环境中俘获能量的俘能器，尤其涉及一种具有弹性元件连接的压电俘能器。

背景技术

近年来，由于微电子器件在民用，军用及医疗方面的广泛应用，为其供能的俘能器引起了越来越多科研工作者的关注。和传统的供能源电池相比，俘能器件的优点在于：输出稳定，寿命更长，更环保。在大量的俘能手段之中，压电俘能器的俘能效率最高、也最有发展前途。

然而，现有的压电俘能器将主要的精力都集中在压电结构和俘能电路之间的电耦合设计上。俘能***中的各压电晶片间的主要联系也设定为它们之间的电传导，事实上，各压电器件之间的机械耦合也会对整个俘能***的工作性能产生重要影响。另外，现有压电俘能器在生产出来之后均为固定工作频率的器件，然而众所周知，环境振动源的频率可能时刻都在变化，不仅如此，同一个环境振源还可能包含多个振动频率谱。而且，在如温度、电磁场、引力变化等多种因素的影响下，环境振源的频率可能发生漂移。一旦环境振动频率偏离了压电俘能结构的固有频率，其间的相互作用就非常弱。在这种复杂自然环境情况下，传统的俘能器件的输出功率会大幅度衰减，很难保证微电子器件的正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种具有更宽的工作频率带，且能够对频率带进行调节的具有弹性元件连接的压电俘能器。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种具有弹性元件连接的压电俘能器，它包括压电双晶片梁，所述压电双晶片梁包括在厚度方向上极化的两个压电片层和一个金属层，金属层复合在两个压电片层之间；所述压电俘能器还包括壳体，所述壳体内至少包括一个晶片组，所述晶片组包括两个或两个以上的压电双晶片梁，所述晶片组中的压电双晶片梁沿着压电片层的厚度方向排列成一列；所述压电双晶片梁的一端固定于壳体的一个内侧壁上，所述压电双晶片梁的另一端为自由端，所述晶片组中相邻两个压电双晶片梁的自由端之间通过所述弹性元件连接。

所述壳体的重心偏向固定压电双晶片梁的一侧。

所述壳体的用于固定压电双晶片梁的侧壁的厚度大于与之相对的另一侧的侧壁的厚度。

所述弹性元件为弹簧。

所述晶片组中至少有一个压电双晶片梁的压电片层的厚度与其它的压电双晶片梁的压电片层的厚度不同。

一个压电双晶片梁中的两个压电片层的厚度相同。

至少有一个晶片组的各压电双晶片梁的压电片层的厚度与其它晶片组的各压电双晶片梁的压电片层的厚度不完全相同。

所述压电俘能器中压电双晶片梁的压电片层的厚度各不相同。

相较于现有技术，本发明的压电俘能器与传统俘能器相比，具有弹性元件连接的压电俘能***的工作频率带得到了有效拓宽，并能够根据具体需要进行调频从而增大输出功率，在实际多频变频环境中的使用价值大幅度提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有弹性元件连接的压电俘能器的结构示意图。

图2是图1中的压电双晶片梁的结构示意图。

图3是图1中的压电俘能器与负载电路连接的示意图。

图4是三个压电双晶片梁纯串联时，压电俘能器的输出功率随激励频率的变化图。

图5是三个压电双晶片梁并联时，压电俘能器的输出功率随激励频率的变化图。

图6是三个晶片组并联，每个晶片组的三个压电双晶片梁串联时，压电俘能器的输出功率随激励频率的变化图。

图中：1-壳体，2-晶片组，3-压电双晶片梁，4-导线，5-电极，6，7-压电片层，8-金属层，9-负载，11-壳体的内侧壁，12-弹簧

具体实施方式

请一并参阅图1至图3，其为本发明实施例提供的一种具有弹性元件连接的压电俘能器。压电俘能器包括一个壳体1及容置于壳体1内的n个晶片组2，n为大于等于1的自然数。每个晶片组2包括m个压电双晶片梁3，m为大于等于2的自然数。为了更清楚地说明本发明，图1仅显示出壳体1的一部分。

每个压电双晶片梁3包括两个在厚度方向上极化的压电片层6和7及间隔两个压电片层6和7的金属层8。在本实施例中，压电片层6和7的厚度相等。两个电极5分别设置于每个压电双晶片梁3的上表面和下表面。两个电极5及金属层8通过导线4与负载9电连接。每个压电双晶片梁3的一端固定于壳体1的一个内侧壁11上，另一端为自由端。每个晶片组2中相邻两个压电双晶片梁3的自由端通过弹簧12连接。弹簧12连接两个自由端的方式有多种，例如可以通过卡固结构固定，这样方便更换弹簧。晶片组2中至少有一个压电双晶片梁3的压电片层6或7的厚度与其它的压电双晶片梁3的压电片层6或7的厚度不同。至少有一个晶片组2的各压电双晶片梁3的压电片层6或7的厚度与其它晶片组2的各压电双晶片梁3的压电片层6或7的厚度不完全相同。在本实施例中，压电俘能器中所有压电双晶片梁3的压电片层的厚度各不相同。m个压电双晶片梁3沿着压电片层6或7的厚度方向间隔排成一列。m个压电双晶片梁3相互平行且相对设置。

壳体1的重心偏向压电双晶片梁3与壳体1固定的一侧，以保证整个压电俘能器振动的稳定性和耐疲劳性，其可以通过多种方式实现，例如可以使壳体1的固定压电双晶片梁3的侧壁的厚度大于与之相对的另一侧的侧壁的厚度。在本实施例中，壳体1为一个长方体。壳体1选用硬度较大的材料制成，对整个压电俘能器起到固定和防干扰作用，如防尘，防磁的作用。

我们用上指标(i)来表示压电俘能器中各压电双晶片梁3的序号(i＝1，2，…，n·m)以确定其所在位置。各压电双晶片梁3相对应的挠度记作

由多个厚度不同压电双晶片梁3结构的控制方程可以归纳为以下的形式：

$-D^{\left(i\right)}{u}_{\mathrm{3,1111}}^{\left(i\right)}={m\stackrel{\·\·}{u}}_3^{\left(i\right)}---\left(1\right)$

其关于剪切力的机械边界条件为：

$-N^{\left(i\right)}(l,t)=D^{\left(i\right)}{u}_{\mathrm{3,111}}^{\left(i\right)}(l,t)=k(u_3^{(i+1)}(l,t)+u_3^{(i-1)}(l,t)-2u_3^{\left(i\right)}(l,t)),---\left(2\right)$

各压电双晶片梁3表面电极

上的平均自由电荷为：

$Q_p^{\left(i\right)}=-b{\∫}_0^l\frac{1}{h^{\left(i\right)}}\underset{c^{\left(i\right)}}{\overset{c^{\left(i\right)}+h^{\left(i\right)}}{\∫}}{D}_3^{\left(i\right)}{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dx}}_1---\left(3\right)$

从各压电双晶片梁3的电极5所流出的电流为

$i_p^{\left(i\right)}=-{\stackrel{\·}{Q}}_p^{\left(i\right)}---\left(4\right)$

N⁽ⁱ⁾为各压电双晶片梁3横截面积上的剪切力，k为弹簧12的虎克弹性系数，h⁽ⁱ⁾和2c⁽ⁱ⁾分别表示各个压电双晶片梁3的压电片层6或7和中心金属层8的厚度，

是各压电双晶片梁3的电位移分量，s₁₁，d₃₁和

分别是各压电双晶片梁3的柔度系数，压电系数和介电系数。

表示各压电陶瓷片的边极板与中心极板间的电势差。根据电路拓扑关系，归纳电学边界条件如下：

$\underset{j=1}{\overset{k_s}{\mathrm{\Σ}}}{V}_p^{\left(j\right)}=2\underset{i=1}{\overset{k_p}{\mathrm{\Σ}}}{i}_p^{(m\·i)}{Z}_L---\left(5\right)$

考虑环境的机械振动具有周期性，则总的压电俘能器的输出功率P为

$P=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_p^{\left(i\right)}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{V}_p^{(1,j)}\mathrm{dt}---\left(6\right)$

在本实施例中，压电片层6或7的材料为PZT-5H，其主要参数如下：

(s₁₁，d₃₁，ε₃₃)＝(16.5×10^-12m²/N，-274×10^-12C/N，3400ε₀)，

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{33}={\mathrm{\ϵ}}_{33}(1-k_{31}^2),$ $k_{31}^2=d_{31}^2/\left({\mathrm{\ϵ}}_{33}{s}_{11}\right),$ ε₀＝8.854×10^-12F/m，ρ＝7500kg/m³

金属层8的材料在本实施例中为铝，其杨氏模量E＝70GPa，密度ρ＝2700kg/m³。模拟计算中我们选取压电片层6或7的宽度b＝10mm，长度l＝70mm，压电片层6或7与金属层8的厚度比c/h＝0.4。对于强迫振动，为了考虑阻尼效应，用s11(1-iQ-1)替代sij(Q为材料的品质因子，取Q＝50)。压电双晶片梁3的等效电容以及等效电阻抗分别为和Z₀＝1/(iω₀C₀)。在计算中我们取负载9的电阻抗为Z_L＝iZ₀。计算中，壳体1随地基以Asin2πf₀t沿垂直方向振动，且振动加速度幅值取为1m/s²。因此，压电双晶片梁3固定端的边界条件为：垂直方向的位移按Asin2πf₀t变化；在自由端的边界条件为：该处的弯矩等于零，横截面上的剪应力合力引起集中质量在垂直方向上的加速度。

我们选取m＝3，n＝1举例说明。三个压电双晶片梁3中的压电片层6或7的厚度分别为0.30mm，0.305mm，0.31mm。

如图4所示，其为三个压电双晶片梁3串联时，在具有不同弹性系数k的弹簧12的作用下，在上述实验条件下得到的输出功率与激励频率ω₀之间的关系。图5则为三个压电双晶片梁3并联时得到的关系图。从图4和图5可以看出，当端部无弹簧连接时，即设定k＝0时(曲线a)，在串联和并联形式下都有3个输出峰出现。而串联型的主峰为第一个输出峰，并联型的则为最后一个。当弹簧12的强度提高时，输出峰的中心开始漂移，输出升高，峰数减少。这意味着通过压电双晶片梁3之间的弹簧12连接后，输出功率增大，且工作频率更宽。当弹簧12强度增大到一定程度时，其输出性能趋于稳定。

当选取m＝3，n＝3时，三个晶片组2的压电片层6或7的厚度依次为0.30，0.305，0.31mm；0.315，0.32，0.325mm；0.33，0.335，0.34mm(从上到下的顺序)。图6即为在具有不同弹性系数k的弹簧12的作用下得到的输出功率与激励频率ω₀之间的关系。从图6可以看出，压电双晶片梁3的自由端连接的弹簧12能有效地增强输出功率，并控制压电俘能器的工作频率带。而且压电俘能器的工作频率带能够很方便地对弹簧结构进行调节以适应环境中不停变化的振动源频率。举例而言，当环境激励频率为95Hz，则弹簧弹性系数k应调整为50Nm^-1；当激励频率为100Hz，则k应为100Nm^-1以对输出功率进行最优化。

可以理解的是，还可以使用其他弹性元件代替弹簧12，例如，波纹管，弹性材料制成的矩形膜片等。

相较于现有技术，本发明的压电俘能器与传统俘能器相比，具有弹性连接的压电俘能***的工作频率带得到了有效拓宽，并能够根据具体需要进行调频从而增大输出功率，在实际多频变频环境中的使用价值大幅度提高。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种具有弹性元件连接的压电俘能器，它包括压电双晶片梁，所述压电双晶片梁包括在厚度方向上极化的两个压电片层和一个金属层，金属层复合在两个压电片层之间；其特征在于，所述压电俘能器还包括壳体，所述壳体内至少包括一个晶片组，所述晶片组包括两个或两个以上的压电双晶片梁，所述晶片组中的压电双晶片梁沿着压电片层的厚度方向排列成一列；所述压电双晶片梁的一端固定于壳体的一个内侧壁上，所述压电双晶片梁的另一端为自由端，所述晶片组中相邻两个压电双晶片梁的自由端之间通过所述弹性元件连接。

2.如权利要求1所述的压电俘能器，其特征在于：所述壳体的重心偏向固定压电双晶片梁的一侧。

3.如权利要求2所述的压电俘能器，其特征在于：所述壳体的用于固定压电双晶片梁的侧壁的厚度大于与之相对的另一侧的侧壁的厚度。

4.如权利要求1所述的压电俘能器，其特征在于：所述弹性元件为弹簧。

5.如权利要求1所述的压电俘能器，其特征在于：所述晶片组中至少有一个压电双晶片梁的压电片层的厚度与其它的压电双晶片梁的压电片层的厚度不同。

6.如权利要求5所述的压电俘能器，其特征在于：一个压电双晶片梁中的两个压电片层的厚度相同。

7.如权利要求1所述的压电俘能器，其特征在于：至少有一个晶片组的各压电双晶片梁的压电片层的厚度与其它晶片组的各压电双晶片梁的压电片层的厚度不完全相同。

8.如权利要求1所述的压电俘能器，其特征在于：所述压电俘能器中压电双晶片梁的压电片层的厚度各不相同。

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