CN103916046A - 压电磁电震动发电装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电磁电震动发电装置，其包括中空结构的基座、至少一个发电部件及至少两个导电焊针，所述发电部件包括周沿支撑于所述基座上的弹性板和设于所述弹性板上的压电片及安装于所述弹性板中间的自由振子，所述压电片与所述导电焊针电连接以输出电能；所述弹性板包括至少一层柔性薄膜和至少一组敷设于所述柔性薄膜上的线圈，且所述线圈与所述导电焊针电连接以输出电能。其中，弹性板的周沿支撑于所述基座上，使得所述弹性板在自由振子的作用下沿其轴线震动，共振频率低、形变大、发电效率高；再者，本发明所述弹性板具有较好的柔性和足够的刚度，防冲击能力强，发电效率高，所述弹性板之线圈也使得本发明可以通过电磁能发电。

Description

压电磁电震动发电装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种微纳电子技术领域，尤其涉及一种压电磁电震动发电装置及制造方法。 

背景技术

随着微机电***（MEMS）技术的快速发展与应用，带动了无线传感网络技术的发展，其中，在工业，航天，通讯，商业，消费及军事领域逐步实现了商业化应用，一个十分严重的问题是如何保障这些无线传感单元的电能供给，传统工业较为流行的做法是使用电池，由于构成无线传感网络及***的单元器件数量庞大，体积微小，位置分散，这就要求其供电器件具有体积小，效能高，易集成，无人看管及无人值守等特点，采用传统电池已经不能满足无线传感网络及***的发展要求。为此，美国专利US20070284969揭示了一种压电震动发电装置，该装置利用设置在一端的重力块使平板弯曲，敷设在平版表面的PZT因弯曲变形而产生电能，然而因为结构尺寸的限制，因为悬臂梁的形变大小与杆长及厚度有关，由于结构及成本的限制，悬臂梁不可能太长，厚度也不能太薄,这就限制了其位移及PZT形变，因而限制了其发电效率，杆越长，防冲击效果越差，所以，为满足输出的要求，杆尽可能短，这样，共振频率就高，因此该装置所设PZT的形变小，共振频率高，输出效率低，而且，防冲击效果差。中国专利申请号200810023882也揭示了一种压电震动发电装置，该装置也用贴附在悬臂梁表面的PZT因形变而产生电能，这种方案也有形变小，输出效率低，防冲击效果差等不足。本发明克服了上述不足，而且具有体积小，发电效率高，制作简单，易实现产业化。 

因此，急需一种可以解决上述问题的压电震动发电装置。 

发明内容

本发明的目的是提供一种压电磁电震动发电装置，该压电磁电震动发电装置共振频率低,使振动结构具有高防冲击能力，且具有较高的发电效率，可以满足无线传感网络及***的发展要求。 

本发明的另一目的是提供一种压电磁电震动发电装置的制造方法，该方法制造成的压电磁电震动发电装置共振频率低,使振动结构具有高防冲击能力，且具有较高的发电效率，可以满足无线传感网络及***的发展要求。 

为了实现上有目的，本发明公开了一种压电磁电震动发电装置，该压电磁电震动发电装置包括基座、至少一个发电部件及至少两个安装于所述基座上的导电焊针，所述基座呈中空结构，所述发电部件包括周沿支撑于所述基座上的弹性板、设于所述弹性板上的压电片及安装于所述弹性板中间的自由振子，所述压电片与所述导电焊针电连接以输出电能；所述弹性板包括至少一层柔性薄膜和至少一组敷设于所述柔性薄膜上的线圈，且所述线圈与所述导电焊针电连接以输出电能。 

与现有技术相比，本发明所述弹性板的周沿全部或者部分的支撑于所述基座上，使得压电磁电震动发电装置移动或者晃动时，所述弹性板在自由振子的作用下沿所述弹性板的轴线（贯穿弹性板的中心且垂直于所述弹性板的直线）方向震动，共振频率低、形变大、发电效率高；另一方面，本发明所述弹性板由柔性材料制成，使得所述弹性板具有较好的柔性，且所述弹性板之柔性薄膜上还铺设有线圈，使得所述弹性板具有足够的刚度，以使所述发电部件具有高防冲击能力，发电效率高；再一方面，本发明也使得所述线圈构成了WI-FI技术中的接受端，从而可以通过所述线圈接收WI-FI基站发射的电磁信号并转换为电信号，本发明通过敷设于所述柔性薄膜上的所述线圈吸收环境中的电磁能如WI-FI信号并转成电压信号从而储能或对外输出电能，提高了该压电磁电震动发电装置的发电效率。 

较佳地，所述线圈具有若干组，若干组所述线圈相互串联和/或并联。 

较佳地，所述线圈环绕所述弹性板的中心且呈螺旋状布设。所述线圈环绕所述弹性板的中心且呈间歇式环状分布。 

较佳地，所述线圈具有若干组，每一组所述线圈沿所述弹性板的中心呈放射状排列布设，所述若干组线圈相互串联和/或并联；具体地，每一组所述线圈盘旋地设于所述柔性薄膜上且呈扇形。 

较佳地，所述线圈环绕所述弹性板的中心且呈间隔式环状分布。当然，所述所述线圈还可以通过其他的缠绕、盘旋或铺设方法铺设于所述柔性薄膜上，例如可以将所述线圈缠绕呈迷宫状、回字形等。 

较佳地，所述柔性薄膜包括中间活动部、以一定间距环绕所述中间活动部的边沿安装部和位于所述中间活动部和边沿安装部之间的布线部，所述线圈全部或者部分敷设于所述布线部上，结构紧凑。其中，所述布线部通过蚀刻工艺成型于所述柔性薄膜上，一体成型，成本低廉、制作精度高。 

具体地，所述布线部包括若干连接所述中间活动部和边沿安装部的筋条，若干所述筋条沿所述中间活动部呈放射状，所述线圈有若干组且分别设于两相邻所述筋条上，以使所述线圈绕所述中间活动部呈放射状排列。该方案中所述线圈呈扇形。 

具体地，所述布线部包括若干个环绕所述中间活动部的支撑环，所述中间活动部、若干支撑环和边沿安装部之间均具有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的中间活动部、支撑环和边沿安装部，所述线圈敷设于所述支撑环和支撑桥上，以使所述线圈绕所述中间活动部呈间隔式环状分布。 

具体地，所述布线部包括若干个环绕所述中间活动部的支撑墙，所述支撑墙呈螺旋状，所述线圈敷设于所述支撑墙上，以使所述线圈绕所述中间活动部呈螺旋状分布。 

上述方案中布线部均为支撑线圈的结构，当然，所述布线部也可以包括设于所述中间活动部和边沿安装部之间的布线区和设于所述布线区上的布线槽，所述线圈安装于所述布线槽内。例如，在另一种方案中，所述布线部包括若干环绕所述中间活动部的环形凹槽，相邻两环形凹槽之间形成一定环形间隙，该 环形间隙内设有至少一个连接两环形凹槽的连接槽，且相邻两环形间隙之间的连接槽位置相对，设置线圈时，金属导线环绕最外层的环形间隙并穿过所述连接槽进入与下一层环形间隙，直至最内层的环形间隙，再由最内层的环形间隙缠绕至最外层的环形间隙，从而形成环绕所述中间活动部的线圈，当每一环形间隙内具有一个连接槽时，所述线圈有一组且间歇式环状分布，当每一环形间隙内的连接槽有两个时，所述线圈具有两组且呈半圆形，当每一环形间隙内的连接槽超过为至少三个时，所述线圈具有至少三个且呈扇形分布于所述中间活动部外。 

较佳地，所述柔性薄膜的背面蚀刻有凹陷槽，所述布线部蚀刻于所述凹陷槽的槽底，该方案使得本发明所述柔性薄膜厚度薄。 

较佳地，所述压电片由若干条状或梯形状PZT压电片连接而成，若干所述条状或梯形状PZT压电片沿所述弹性板之中间活动部呈放射状分布于所述弹性板上。当然所述PZT压电片还可以呈扇形。 

较佳地，所述弹性板还包括覆盖于所述柔性薄膜和线圈上的保护层。 

较佳地，所述压电片一次沉积或者粘结于所述弹性板上。其中，所述压电片部分或者全部与所述弹性板连接。 

较佳地，所述底盖包括上底盖和/或下底盖，所述上底盖和下底盖的中间分别向容置腔方向凸设有凸体。所述凸体可对所述弹性板的震动起到限位作用，防止所述弹性板的过载震动而损坏。 

具体地，所述凸体为磁性单元，且所述上底盖和下底盖的磁性单元相对面磁极性相反。该方案使得上底盖之磁性单元和下底盖之磁性单元之间形成电磁场，所述柔性薄膜上的线圈随着弹性板的震动上下切割磁力线从而产生电流，增加发电效率。 

较佳地，所述弹性板上粘接有至少一个自由振子。工作时，所述自由振子带动所述弹性板沿垂直于所述弹性板的方向（即其轴线）作简谐振动，进一步增加所述弹性板震动的幅度，降低所述弹性板震动的频率，提高发电效率。所述自由振子包括单个或多个永磁体，且多个永磁体的相邻两永磁体之相对面磁 极性相反。 

较佳地，所述发电部件至少有两个。该方案中，相对设置的两发电部件共同向外输出电能，发电效率高。 

具体地，所述弹性板上粘接有至少一个自由振子。更具体地，所述自由振子包括单个或多个永磁体，且相邻两所述弹性板之间的自由振子位置相对且相对面磁极性相反，以使相邻两弹性板之间的自由振子相连。该方案中所述自由振子相对推拉对应的弹性板，使得所述压电磁电震动发电装置之两相邻发电部件输出相位相差180度的交流电。 

较佳地，所述柔性薄膜包括塑料、聚合体、聚脂纤维、金属及氧化物或非金属及氧化物。 

本发明还提供了一种压电磁电震动发电装置的制造方法，包括以下步骤： 

提供一基座，所述基座呈中空结构； 

提供一柔性薄膜，在所述柔性薄膜上铺设由金属导线构成的线圈，从而制成弹性板； 

提供一自由振子，将所述自由振子安装于所述弹性板的中间； 

将弹性板的周沿支撑于所述基座上，以使所述自由振子置于所述基座的中空结构，使所述弹性板在自由振子作用下可沿所述弹性板的轴线震动，并在所述弹性上设置压电片； 

提供至少两个导电焊针，将所述线圈的两端与所述导电焊针电连接，将所述压电片与所述导电焊针电连接； 

提供至少一个底座，将所述底座盖设于所述基座的端部并与所述基座形成容置腔，且所述导电焊针穿过所述底盖而形成两个导电电极。 

附图说明

图1是本发明第一实施例中所述压电磁电震动发电装置的立体图。 

图2是图1的剖视图。 

图3是图1的立体分解图。 

图4a是图1中所述弹性板和压电片安装示意图。 

图4b是图4a的立体分解图。 

图4c是图4b中所述弹性板的分解示意图。 

图4d是图4b中所述弹性板去除保护层后的俯视图。 

图5a是本发明第二实施例中所述弹性板和压电片安装示意图。 

图5b是图5a的立体分解图。 

图5c是图5b中所述弹性板之导线层的俯视图。 

图5d是图5a中所述弹性板的分解图。 

图6是本发明第三实施例中所述压电磁电震动发电装置的立体图。 

图7是图6的剖视图。 

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。 

参考图1至图4d，本发明公开了一种压电磁电震动发电装置，参考图1至图3，该压电磁电震动发电装置100包括基座11、至少一个发电部件13及至少两个安装于所述基座11上的导电焊针14，所述基座11呈中空结构，参考图4a至图4d，所述发电部件13包括弹性板21和设于所述弹性板21上的压电片22及安装于弹性板21中间的自由振子23，压电片22具有至少两个导电层、夹于两个导电层之间的压电层及至少两个焊盘221，所述压电片22之焊盘221与所述导电焊针14电连接以输出电能；参考图2，所述弹性板21的周沿支撑于所述基座12上，当压电磁电震动发电装置100移动或者晃动时，在自由振子23的作用下，所述弹性板21沿所述弹性板21的轴线震动，由于压电片22敷设在弹性板21上，弹性板21的震动将会导致压电片22发生形变，压电片的变形就会产生压电效应从而通过其焊盘对外输出电压，本结构共振频率低、形变大、发电效率高。 

参考图4c，所述弹性板21包括至少一层柔性薄膜211和设于所述柔性薄膜211上的导线层212，所述导线层212包括至少一组由金属导线制成的线圈31，所述线圈31的两端与所述导电焊针14电连接以输出电能。该方案使得所述线圈31构成了WI-FI技术中的接受端，从而可以通过所述线圈31接收WI-FI基站发射的电磁信号并转换为电信号，从而实现WI-FI集能发电。其中，所述柔性薄膜211是由柔性材料制成的板，具体包括塑料、聚合体、聚脂纤维、金属及氧化物或非金属及氧化物，使得所述弹性板21柔性好，金属导线铺设于所述柔性薄膜211上使得所述弹性板的刚度好，具有高防冲击能力，发电效率高。 

参考图4c，所述弹性板21之柔性薄膜211包括中间活动部41、边沿安装部42和位于所述中间活动部41和边沿安装部42之间的布线部43，所述线圈31铺设于所述布线部43上，所述自由振子23安装于所述中间活动部41上。当然，所述线圈31还可以从布线部43延伸至所述中间活动部41和/或边沿安装部42处，并不限于所述布线部43处。其中，所述边沿安装部42上开设有焊针孔421，所述导电焊针14穿过所述底盖12并安装于所述焊针孔421内，便于线圈31和导电焊针14、压电片22和导电焊针14的电连接。具体地，参考图4c和图4d，在本实施例中，所述线圈31环绕所述弹性板21的中间活动部41且呈间隔式环状分布。其中，所述线圈31具有若干组，且若干组所述线圈并联或者串联。当然，所述线圈31还可以通过其他的缠绕、盘旋或铺设方法铺设于所述柔性薄膜211上，例如可以将所述线圈31缠绕成迷宫状、也可以环绕所述弹性板21的中心且呈螺旋状、也可以呈回字形等等。 

较佳者，继续参考图4c和图4d，所述布线部43包括若干个环绕所述中间活动部41的支撑环44，所述中间活动部41、若干支撑环44和边沿安装部42之间均具有一定的间隙45，所述间隙45中均分布有支撑桥46以连接相邻的中间活动部41、支撑环44和边沿安装部42，所述线圈31敷设于所述支撑环44和支撑桥45上，以使所述线圈31绕所述中间活动部41呈间隔式环状分布。其中，为了方便线圈31和导电焊针14的电连接，所述中间活动部41处和支撑环44外分别设有一导电片34。当然，所述布线部还可以包括若干个环绕所述中间 活动部41的支撑墙，所述支撑墙呈螺旋状，该方案使得所述线圈呈螺旋状的分布于所述中间活动部41外。其中，相邻间隙45内的支撑桥46交错分布，每一间隙45内具有数个支撑桥46，且每一间隙45内的支撑桥46均匀分布与所述间隙45内。 

参考图4c，所述弹性板21还包括覆盖于所述柔性薄膜211和导线层212表面的保护层，以保护所述线圈31。 

参考图4a和图4b，所述压电片22由若干PZT压电片连接而成，若干所述PZT压电片沿所述弹性板21之中间活动部41的周边呈放射状分布于所述弹性板21上。该方案中，所述PZT压电片呈梯形，当然所述PZT压电片还可以呈直条状或扇形。其中，所述PZT压电片一次沉积或者粘结于所述弹性板21上。当然，所述压电片22还可以是整体结构PZT压电片，此时，所述PZT压电片中间开设有与所述中间活动部41对应且贯穿所述PZT压电片的通孔，所述通孔可以吸收应力，防止所述压电片在震动过程中破裂。 

参考图4b和图4d，所述导线层212还包括与所述压电片22之焊盘221电连接的压电焊盘32，且所述压电焊盘32位于所述边沿安装部42处并与所述导电焊针14电连接。 

参考图1至图3，所述压电磁电震动发电装置100还包括底盖12，所述底盖12盖设于所述基座11的端部并与所述基座11形成容置腔111，所述导电焊针14穿过所述底盖12而形成两个导电电极，所述发电部件13安装于所述容置腔111内。具体地，参考图2和图3，所述底盖12包括上底盖121和下底盖122，所述上底盖121和下底盖121的中间分别向容置腔111方向凸设有凸体，从而对所述弹性板21的震动起到限位作用，防止所述弹性板21的过载震动而损坏。具体地，所述凸体为磁体块123，且所述上底盖121和下底盖122的磁铁块123相对面磁极性相反。工作时，上底盖121之磁体块123和下底盖122之磁体块123之间形成电磁场，所述柔性薄膜211上的线圈31随着弹性板21的震动上下切割磁力线从而产生电流，增加了发电效率。其中，所述磁铁块123还可以由线圈单元等其他磁性单元代替。当然，所述底盖也可以仅包括一个上底盖或者 一个下底盖。 

继续参考图2和图3，所述自由振子23粘接于所述弹性板21上，且所述自由振子23包括两个永磁体231，且多个所述永磁体231的相对面的磁极性相反。当然，所述自由振子23也可以包括一个或者两个以上永磁体，所述永磁体还可以用其他磁性单元代替。 

参考图5a至图5d，为本发明的第二实施例，与第一实施例不同的是，该实施例中，所述弹性板21’之线圈31’具有若干组，每一组所述线圈31’呈扇形且盘旋地设于所述柔性薄膜211上，若干组所述线圈31’沿所述柔性薄膜211之中间活动部41的周边呈放射状且均匀分布。该方案进一步增加了WI-FI集能的集能效率，提高所述压电磁电震动发电装置的发电效率。其中，所述边沿安装部42处设有线圈焊盘33，所述线圈31’的两端与所述线圈焊盘33电连接。 

较佳者，与第一实施例不同的是，参考图5d，所述布线部包括连接所述中间活动部41和边沿安装部42的若干筋条44’，两相邻筋条44’之间为空白区，若干所述筋条44’沿所述中间活动部41呈放射状分别，所述线圈31’缠绕于两相邻所述筋条44’上且呈扇形。具体地，所述线圈31’有若干组且相间分布于所述空白区上。当然，所述线圈31’也可以直接盘旋的设于两相邻筋条44’上，以使所述筋条44’支撑所述线圈31’。 

参考图6和图7，为本发明的第三实施例，与第一实施例不同的是，该实施例中，所述发电部件13有两个且位置相对，两所述发电部件13之弹性板21分别支撑于所述基座11的上下两端，每一所述弹性板21上粘接有至少一个自由振子23，所述自由振子23包括两个永磁体231，且两所述弹性板21之间的自由振子23位置相对且相对面磁极性相反，以使相邻两弹性板21之间的自由振子23相连，工作时，所述自由振子23相对推拉对应的弹性板21，使得所述压电磁电震动发电装置100’之两相邻发电部件13输出相位相差180度的交流电。当然，所述发电部件也可以有三个、四个等等数目。 

本发明还公开了一种压电磁电震动发电装置的制造方法，包括以下步骤：提供一基座，所述基座呈中空结构；提供一柔性薄膜，在所述柔性薄膜上铺设 由金属导线构成的线圈，从而制成弹性板；提供一自由振子，将所述自由振子粘接在所述弹性板的中间，将弹性板的周沿支撑于所述基座上，以使所述自由振子置于所述基座的中空结构，使所述弹性板在自由振子作用下可沿所述弹性板的轴线震动，并在所述弹性上设置压电片；提供至少两个导电焊针，将所述线圈的两端与所述导电焊针电连接，将所述压电片与所述导电焊针电连接；提供至少一个底座，将所述底座盖设于所述基座的端部并与所述基座形成容置腔，且所述导电焊针穿过所述底盖而形成两个导电电极。当然，所述自由振子也可以通过其他方式安装于所述弹性板的中间。 

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。 

Claims (16)

1.一种压电磁电震动发电装置，其特征在于：包括呈中空结构的基座、至少一个发电部件及至少两个安装于所述基座上的导电焊针，所述发电部件包括周沿支撑于所述基座上的弹性板、设于所述弹性板上的压电片及安装于所述弹性板中间的自由振子，其中：

所述压电片与所述导电焊针电连接以输出电能；

所述弹性板包括至少一层柔性薄膜和至少一组敷设于所述柔性薄膜上的线圈，且所述线圈与所述导电焊针电连接以输出电能。

2.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述线圈环绕所述弹性板的中心且呈螺旋状布设。

3.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述线圈环绕所述弹性板的中心且呈间隔式环状布设。

4.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述线圈具有若干组，每一组所述线圈沿所述弹性板的中心呈放射状排列布设，所述若干组线圈相互串联和/或并联。

5.如权利要求4所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：每一组所述线圈盘旋地设于所述柔性薄膜上且呈扇形。

6.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述柔性薄膜包括中间活动部、以一定间距环绕所述中间活动部的边沿安装部和位于所述中间活动部和边沿安装部之间的布线部，所述线圈全部或者部分安装于所述布线部上。

7.如权利要求6所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述布线部包括若干连接所述中间活动部和边沿安装部的筋条，若干所述筋条沿所述中间活动部呈放射状，所述线圈有若干组且分别设于两相邻所述筋条上，以使所述线圈绕所述中间活动部呈放射状排列。

8.如权利要求6所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述布线部包括若干个环绕所述中间活动部的支撑环，所述中间活动部、若干支撑环和边沿安装部之间均具有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的中间活动部、支撑环和边沿安装部，所述线圈敷设于所述支撑环和支撑桥上，以使所述线圈绕所述中间活动部呈间隔式环状分布。

9.如权利要求6所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述布线部包括若干个环绕所述中间活动部的支撑墙，所述支撑墙呈螺旋状，所述线圈敷设于所述支撑墙上，以使所述线圈绕所述中间活动部呈螺旋状分布。

10.如权利要求6所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述柔性薄膜的背面蚀刻有凹陷槽，所述布线部蚀刻于所述凹陷槽的槽底。

11.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述压电片由若干条状或梯形状PZT压电片连接而成，若干所述条状或梯形状PZT压电片沿所述弹性板之中间活动部呈放射状分布于所述弹性板上。

12.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述弹性板还包括覆盖于所述柔性薄膜和线圈上的保护层。

13.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：还包括底盖，所述底盖盖于所述基座上并与所述基座形成容置腔，所述发电部件位于所述容置腔内，所述底盖包括上底盖和/或下底盖，所述上底盖和下底盖的中间分别向容置腔方向凸设有凸体。

14.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述自由振子包括单个或多个永磁体，且所述自由振子之多个永磁体的相对面磁极性相反。

15.如权利要求1所述的压电磁电震动发电装置，其特征在于：所述柔性薄膜包括塑料、聚合体、聚脂纤维、金属及氧化物或非金属及氧化物。

16.一种压电磁电震动发电装置的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

提供一基座，所述基座呈中空结构；

提供一柔性薄膜，在所述柔性薄膜上铺设由金属导线构成的线圈，从而制成弹性板；

提供一自由振子，将所述自由振子安装在所述弹性板的中间；

将弹性板的周沿支撑于所述基座上，以使所述自由振子置于所述基座的中空结构，使所述弹性板在自由振子作用下可沿所述弹性板的轴线方向震动，并在所述弹性上设置压电片；

提供至少两个导电焊针，将所述线圈的两端与所述导电焊针电连接，将所述压电片与所述导电焊针电连接；

提供至少一个底座，将所述底座盖设于所述基座的端部并与所述基座形成容置腔，且所述导电焊针穿过所述底盖而形成两个导电电极。