CN102158039A - 宽频微型电磁式振动能量采集器 - Google Patents

宽频微型电磁式振动能量采集器 Download PDF

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Abstract

一种微机电***技术领域的宽频微型电磁式振动能量采集器，依次由下而上固定连接的底座、中频振动台、低频振动台、垫框、高频振动台和顶盖，中频振动台包括：第一线圈、中频悬臂梁、第一引脚、第一焊盘和第二焊盘；低频振动台包括：外框、弹簧连接组件和永磁体；高频振动台包括：第二线圈、高频悬臂梁、第二引脚、第三焊盘和第四焊盘。本发明能够提高电压输出，增大应用频宽，扩大使用范围，提高转换效率，易于批量化生产。

Description

宽频微型电磁式振动能量采集器
技术领域
本发明涉及的是一种微机电***技术领域的能量采集器，具体是一种宽频微型电磁式振动能量采集器。
背景技术
随着MEMS(微机电***)技术和无线传感器等技术的迅速发展，与之相关的微能源技术变得越来越重要。目前的微能源一般有两种：电池和微型能量采集器。电池由于存储能量有限、寿命短等缺陷极大的限制了其广泛应用，因此克服了此致命缺陷的微型能量采集器越来越受到人们的重视。
机械振动是自然界中广泛存在的一种能量，因此振动能量采集器便应运而生。振动能量采集器能源源不断地为***提供能量，这就很好地解决了电池供电时间短的问题。但振动能量采集器的输出电压比较低，采集频率比较窄，这在很大程度上限制了其应用。因此提高采集器的输出电压和增大采集频率宽度是亟待解决的关键问题。根据理论分析，振动能量采集器在外界振动频率达到其共振频率附近时，输出电压最大。
经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号：200810042168.3，名称为：基于升频转换的动圈式微机械电磁能量采集器，该发明提出了利用两个振动频率相差较大的拾振台通过升频来提高电压输出。该升频设计虽能达到提高电压输出的目的，但并没有解决能量采集器采集频率窄的问题。
Bin Yang等在J.Micromech.Microeng.2009，(19)：035001中利用的悬臂梁在346Hz，948Hz和1145Hz三个振动模态设计了一种新型的多频能量采集器，在1g的加速度下346Hz和948Hz获得的电压输出分别约为0.3mV和0.03mV，而1145Hz振动模态的特殊振动方式导致该频率下的电压输出更小。该设计的电压输出比较小，另外只是利用多振动模态设计的多频能量采集器并没有真正地克服能量采集器采集频率窄的缺陷。
现有的电磁式能量采集器由于输出电压较低，频宽比较窄，因此采集器转换效率不高，应用受到很大的限制。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种宽频微型电磁式振动能量采集器，能够提高电压输出，增大应用频宽，扩大使用范围，提高转换效率，易于批量化生产。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：依次由下而上固定连接的底座、中频振动台、低频振动台、垫框、高频振动台和顶盖。
所述的底座为U形结构。
所述的中频振动台包括：第一线圈、中频悬臂梁、第一引脚、第一焊盘和第二焊盘，其中：第一线圈固定在中频悬臂梁上，中频悬臂梁的一端处于自由状态，第一引脚固定在第一线圈最内圈的端点处，第一焊盘和第二焊盘分别固定在中频悬臂梁上，第一线圈从两个焊盘引出。
所述的中频悬臂梁包括：第一方形平台、第一悬臂梁腿和第二悬臂梁腿，其中：悬臂梁腿的两端分别与第一方形平台和底座相连。
所述的低频振动台包括：外框、弹簧连接组件和永磁体，其中：弹簧连接组件固定在外框上，永磁体固定在弹簧连接组件上，位于线圈的正上方。
所述的外框为硅质正方形环状结构；所述的永磁体为立方体或圆柱体形状。
所述的弹簧连接组件包括：第二方形平台、平面弹簧和边框，其中：四根平面弹簧的两端分别与位于中间位置的第二方形平台的每个侧边并与边框相连。
所述的平面弹簧包括：弹簧臂和特制环，特制环两头与弹簧臂连接；所述的特制环为椭圆环、圆环或S形环。
所述的高频振动台包括：第二线圈、高频悬臂梁、第二引脚、第三焊盘和第四焊盘，其中：高频悬臂梁的一端固定在垫框上，另一端处于自由状态，第二线圈固定在高频悬臂梁上，第二引脚固定在第二线圈最内圈的端点处，第三焊盘和第四焊盘固定在高频悬臂梁上，第二线圈从第三焊盘和第四焊盘引出。
所述的第一引脚及第二引脚为方形柱或圆形柱。
所述的顶盖为倒U形结构。
本发明是采用低频、中频和高频振动台的有效结合产生共振，当外界振源频率较低时(150～250Hz)，低频振动台可产生共振，中频和高频振动台基本处于静止状态，从而永磁体和线圈之间产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，线圈中会有感应电动势产生；当外界振源频率高于低频振动台的起振频率范围时，外界振源频率正好进入了中频振动台的起振频率范围(200～350Hz)，中频振动台可产生共振，低频和高频振动台基本处于静止状态，永磁体和线圈之间再次产生相对运动，线圈中会再次产生感应电动势；当外界频率继续升高到达高频振动台的起振频率范围时(320～450Hz)，低频和中频振动台基本处于静止状态，永磁体和线圈之间再次产生相对运动，线圈中会再次产生感应电动势。三者在外界振源的激励下，均可以在各自的共振频率附近产生共振，通过改变低频振动台平面弹簧的厚度、弹簧臂的宽度、椭圆环形状或S形环和永磁体的大小等参数可改变低频振动台的共振频率，通过改变中频振动台悬臂梁的厚度和两腿的宽度等参数可改变中频振动台的共振频率，通过改变高频振动台悬臂梁的厚度等参数可改变高频振动台的共振频率，从而有效地扩大了采集器的频率使用范围，提高了能量采集效率，克服了单个振动台采集频率窄的缺点。另外，中频和高频振动台悬臂梁采用单端固定方式来增大振幅，从而进一步提高了感应电动势，其最大开路电压达140mV。
附图说明
图1为本发明截面示意图。
图2为中频振动台的俯视图。
图3为中频振动台的悬臂梁的结构示意图。
图4为低频振动台的截面示意图。
图5为弹簧连接组件的结构示意图。
图6为实施例椭圆环平面弹簧的结构示意图。
图7为高频振动台的结构示意图。
图8为实施例S形环平面弹簧结构示意图。
具体实施方式
下面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：底座1、中频振动台2、低频振动台3、垫框4、高频振动台5和顶盖6，这些结构从下至上依次粘结成一个整体结构。
所述的底座1为铝制U形结构，纵向长度为7mm，截面U形宽度w1为7mm，边棱厚度w2为0.5mm，底部厚度h1为0.5mm，两条边棱高度h2为1mm。
如图2、3所示，所述的中频振动台2包括：第一线圈7、中频悬臂梁8、第一引脚9、第一焊盘10和第二焊盘11，其中：第一线圈7固定在中频悬臂梁8的方形平台12上，第一引脚9固定在线圈7最内圈的端点处，第一引脚9与第一线圈7连接，第一焊盘10和第二焊盘11分别固定在中频悬臂梁8的第一悬臂梁腿13、第二悬臂梁腿14上，线圈7从第一焊盘10和第二焊盘11引出。
如图3所示，所述的中频悬臂梁8包括：方形平台12和第一悬臂梁腿13、第二悬臂梁腿14，其中：悬臂梁腿13和14的两端分别与方形平台12和底座1的一条边棱相连，中频悬臂梁8的一端为自由状态。
所述的方形平台12为聚酰亚胺材料，边长为4mm，厚度为100μm。。
所述的悬臂梁腿13和14为聚酰亚胺材料，长度为3mm，宽度为1mm，厚度为100μm。
所述的线圈7是以铜为材料的两层结构，两层通过第一引脚9连接，厚度为5μm，线宽为10μm，每匝之间的距离为10μm。
所述的焊盘10和11边长为0.5mm。
所述的引脚9为100μm×100μm×10μm方形柱。
如图4所示，所述的低频振动台3包括：外框15、弹簧连接组件16和永磁体17，其中：弹簧连接组件16固定在外框15上，永磁体17固定在弹簧连接组件16的方形平台18上，位于线圈7的正上方。
所述的外框15为硅质正方形环状结构，内缘边长为6mm，外缘边长为7mm，厚度为0.5mm。
所述的永磁体17为立方体形状，其尺寸为2mm×2mm×1mm。
如图5所示，所述的弹簧连接组件16包括：方形平台18、平面弹簧19和边框20，其中：方形平台18位于中间位置，方形平台18的每边通过平面弹簧19与边框20连接。
所述的弹簧连接组件16为镍材料。
所述的方形平台边长为2mm，厚度为20μm。
所述的平面弹簧19包括：弹簧臂21和的特制环22，其中：特制环22两头与弹簧臂21连接；
所述的平面弹簧19的线宽w3为0.2mm，厚度为20μm。
如图6所示和图8所示，所述的特制环22为椭圆环或S形环，其中：椭圆环的内半长轴为0.4mm，外半长轴为0.6mm，内半短轴为0.2mm，外半短轴为0.4mm；S形环的内半长轴为0.4mm，外半长轴为0.6mm，内半短轴为0.2mm，外半短轴为0.4mm。
所述的边框20是一个方形环结构，内缘边长为6mm，外缘边长为7mm，厚度为20μm。
如图1所示，所述的垫框4为铝制方形环状结构，内缘边长为6mm，外缘边长为7mm，厚度为1.5mm。
如图7所示，所述的高频振动台5包括：第二线圈23、高频悬臂梁24、第二引脚25、第三焊盘26和第四焊盘27，其中：高频悬臂梁24的一端固定在垫框4上，另一端处于自由状态。线圈23固定在高频悬臂梁24上，第二引脚25固定在线圈23最内圈的端点处，第三焊盘26和第四焊盘27固定在高频悬臂梁24上，线圈23从第三焊盘26和第四焊盘27引出。
所述的高频悬臂梁24为聚酰亚胺材料，长度为7mm，宽度为4mm，厚度为100μm。
所述的第二线圈23是以铜为材料的两层结构，两层通过第二引脚25连接，厚度为10μm，线宽为10μm，每匝之间的距离为10μm。
所述的第三焊盘26和第四焊盘27的边长为0.5mm。
所述的第二引脚25为100μm×100μm×10μm方形柱。
顶盖6为铝制倒U形结构，其纵向长度为7mm，截面U形宽度w4为7mm，边棱厚度w5为0.5mm，顶部厚度h3为0.5mm，两条边棱高度h4为1mm。

Claims (10)

1.一种宽频微型电磁式振动能量采集器，包括：依次由下而上固定连接的底座、中频振动台、低频振动台、垫框、高频振动台和顶盖，其特征在于：
所述的中频振动台包括：第一线圈、中频悬臂梁、第一引脚、第一焊盘和第二焊盘，其中：第一线圈固定在中频悬臂梁上，中频悬臂梁的一端为自由状态，第一引脚固定在第一线圈最内圈的端点处，第一焊盘和第二焊盘分别固定在中频悬臂梁上，第一线圈从两个焊盘引出；所述的低频振动台包括：外框、弹簧连接组件和永磁体，其中：弹簧连接组件固定在外框上，永磁体固定在弹簧连接组件上，位于线圈的正上方；
所述的高频振动台包括：第二线圈、高频悬臂梁、第二引脚、第三焊盘和第四焊盘，其中：高频悬臂梁的一端固定在垫框上，另一端处于自由状态，第二线圈固定在高频悬臂梁上，第二引脚固定在第二线圈最内圈的端点处，第三焊盘和第四焊盘固定在高频悬臂梁上，第二线圈从第三焊盘和第四焊盘引出。
2.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的底座为U形结构。
3.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的中频悬臂梁包括：第一方形平台、第一悬臂梁腿和第二悬臂梁腿，其中：悬臂梁腿的两端分别与第一方形平台和底座相连。
4.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的第一引脚及第二引脚均为方形柱或圆形柱。
5.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的低频振动台中的外框为硅质正方形环状结构；永磁体为立方体或圆柱体形状。
6.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的弹簧连接组件包括：第二方形平台、平面弹簧和边框，其中：四根平面弹簧的两端分别与位于中间位置的第二方形平台的每个侧边以及边框相连。
7.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的平面弹簧包括：弹簧臂和特制环，特制环两头与弹簧臂连接。
8.根据权利要求7所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的特制环为椭圆环、圆环或S形环。
9.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的高频振动台包括：悬臂梁和线圈，其中：悬臂梁的一端与垫框相连，悬臂梁的另一端为自由状态。
10.根据权利要求1所述的宽频微型电磁式振动能量采集器，其特征是，所述的顶盖为倒U形结构。
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