CN103944448A - 一种压电悬臂梁俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电悬臂梁俘能器，包括压电振子，所述压电振子包括多个相同的在同一平面依次连接的压电振子单元，除去首尾两个压电振子单元后其它任意一个压电振子单元的两个端部，其中一个端部与相邻的其中一个压电振子单元位于同一侧的端部固定连接，另一个端部与另一个相邻的压电振子单元位于同一侧的端部固定连接，所述压电振子单元每隔一个互相平行，首尾两个压电振子单元空出的两个端部，其中一个端部作为所述压电振子的固定端，另一个端部作为所述压电振子的自由端。本发明通过增加矩形或梯形的个数，能够有效的降低压电悬臂梁俘能器的各阶谐振频率，扩大共振频率带宽，从而使其适应环境振动源的频率变化，提高输出功率。

Description

一种压电悬臂梁俘能器

技术领域

本发明涉及微电子器件供电，特别是涉及一种在低频率带宽下提高输出功率的压电悬臂梁俘能器，属于将环境振动源振动所产生的机械能的能量转化为电能并收集供微电子器件使用的技术领域。

背景技术

近年来，随着微机械加工技术、微电子技术以及无线技术的不断提高，诸如射频识别***、嵌入式***、无线传感器网络以及各种可植入微型传感器之类的电子产品快速进入集成化、微型化和低功耗时代。然而，传统的化学电池因存在体积大，寿命短、存储能量有限以及带来环境污染等各种不利因素，已经很难满足微器件的供能需求。因此，新的供电技术研究已经成为亟待解决的关键技术问题。

环境能量获取技术逐渐发展成为一项新的技术理念。机械动能、光能、热能等等都是环境中可以采集的能量来源，其中机械动能较为广泛的存在于自然环境中，且不像光能、热能等受到自然条件的限制，所以将环境中的动能直接转换成低功耗微型器件的供能能源具有广阔的应用前景。

对此国内外学者广泛开展了无线传感器的自供能技术研究，其中，从环境振动中取能一直是国内外研究的重点，而基于压电效应的环境振动俘能方法具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，已经成为国内外研究的热点。压电式能量捕获装置采用的振动支撑结构有悬臂梁结构、圆形结构、拔型结构、螺旋装结构等。其中传统的压电悬臂梁是俘能装置中最常用的结构形式，其结构简单，易于实现。但是其缺点是降低谐振频率是通过增加长度和加质量块实现的。长度过长不利于微型化；加质量块后虽然降低了频率，但由于自由端带有质量块，在振动源长期振动带动下可能会引起压电陶瓷片的断裂，降低压电俘能器的使用寿命；现有压电俘能器多为固定频率的器件，而环境振动源的频率可能在某一频率范围内时刻变化，同一个环境振动源可能还包含多个振动频率峰值，另外，由于外部环境的温度、引力等因素的影响，环境振动源的频率可能发生变化，这时压电俘能器的谐振频率与环境振动源的频率不能相匹配，俘能结构俘获的能量就会非常低，其输出功率也会大幅度减少，很难提供需要的电能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：提供一种能够与环境振动源的频率相匹配的压电悬臂梁俘能器，提高俘能结构俘获能量的水平。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电悬臂梁俘能器，包括压电振子，所述压电振子包括多个相同的在同一平面依次连接的压电振子单元，除去首尾两个压电振子单元后其它任意一个压电振子单元的两个端部，其中一个端部与相邻的其中一个压电振子单元位于同一侧的端部固定连接，另一个端部与另一个相邻的压电振子单元位于同一侧的端部固定连接，所述压电振子单元每隔一个互相平行，首尾两个压电振子单元空出的两个端部，其中一个端部作为所述压电振子的固定端，另一个端部作为所述压电振子的自由端。

优选的，所述压电振子单元为矩形。

优选的，所述压电振子单元为梯形。

优选的，所述压电振子的材料为压电陶瓷片，且压电振子的厚度为10-100μm。

优选的，所述压电振子单元的个数为4-14个。

进一步的，压电悬臂梁俘能器还包括第一～第二级电极、基片，所述第一级电极固定在所述压电振子的上表面，所述压电振子的下表面与所述第二级电极的上表面固定，所述基片固定在所述第二级电极的下表面。

优选的，所述第一～第二级电极由含银的混合物、镍、钛铂合金或铝制成，且第一～第二级电极的厚度为100-500nm。

优选的，所述基片由铜片制成，且基片的厚度为10-100μm。

优选的，所述基片与所述第二级电极的下表面之间用粘合剂固定，且粘合剂的厚度为3-10μm。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的压电悬臂梁俘能器通过增加矩形或梯形的个数，能够有效的降低压电悬臂梁俘能器的各阶谐振频率，扩大共振频率带宽，从而使其适应环境振动源的频率变化，提高输出功率；

2、本发明的压电悬臂梁俘能器降低了长期振动而引起断裂的可能性，延长了其使用寿命，并在一定程度上达到结构的微小化、集成化的要求；

3、本发明的压电悬臂梁俘能器结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染。

附图说明

图1是本发明压电悬臂梁俘能器第一实施例的结构示意图。

图2是本发明压电悬臂梁俘能器第一实施例的压电振子的俯视图。

图3是本发明压电悬臂梁俘能器第三实施例的压电振子的俯视图。

其中：1为压电振子，2为基片，3为第一级电极，4为第二级电极，5为固定座，6为粘合剂，7为上底，8为下底。

图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)分别是ANSYS对4、6、8、10个梯形构成的压电振子的单晶压电悬臂梁俘能器的静态分析仿真图。

图5是ANSYS对10个梯形构成的压电振子的单晶压电悬臂梁俘能器的谐响应分析图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一种的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明为了克服现有技术中存在的与环境振动源的频率不能相匹配的缺点，通过降低压电悬臂梁俘能器的一阶、二阶、三阶谐振频率，扩大共振频率带宽，从而使其与环境振动源的频率相匹配，提高输出功率，从而提高俘能结构俘获的能量。

实施例一

如图1、图2所示，为本发明压电悬臂梁俘能器第一实施例的结构示意图和压电振子的俯视图，包括压电振子1、基片2、第一级电极3、第二级电极4和固定座5，这里的压电振子1是由多个梯形依次固定连接成的类似弓字形结构，图2中梯形个数为10个。第一级电极3和第二级电极4的方向相反，第一级电极3和第二级电极4分别固定于压电振子1的上下表面，用粘合剂6将第二级电极4与基片2粘住，基片2的作用一是避免压电振子1发生断裂，二是可以降低谐振频率，三是方便电极引出。定义整个弓字形结构的宽度较宽的一端为下底8，另一端为上底7，下底8固定在固定座5上，上底7自由振动，且固定座5与振动源相连，从而使该结构的压电悬臂梁俘能器发生振动，将输出的交流电压经过整流滤波得到直流电压，通过储能电路储存，最后将电能运用到实际的场合中。

实施例二

第二种情况的结构与实施例一中的结构相同，压电振子也是由多个梯形依次固定连接成的类似弓字形结构，只是上底7固定在固定座5上，而下底8自由振动。

实施例三

第三种情况的结构与实施例一中的结构相同，如图3所示，为该实施例中压电振子的俯视图。压电振子是由多个矩形依次固定连接成的类似弓字形结构，固定座固定在任意一端均可。

实施例四

双晶压电悬臂梁俘能器包括两个压电振子、基片、第一级电极、第二级电极和固定座，双晶压电振子相对于单晶压电振子只多了一个压电振子，因此双晶压电悬臂梁俘能器的结构是在图1的基础上在基片2的下表面再固定一个压电振子1，其他结构与实施例一相同，宽度较宽的一端固定在固定座上，宽度较窄的一端自由振动。

实施例五

第五种情况的结构与实施例四的结构相同，只是宽度较窄的一端固定在固定座上，宽度较宽的一端自由振动。

实施例六

第六种情况的结构与实施例四的结构相同，只是压电振子是由多个矩形固定连接成的类似弓字形结构，固定座固定在任意一端均可。

上面所有实施例中，压电振子的材料可以为压电陶瓷片，且压电振子的厚度为10-100μm较佳；第一～第二级电极由含银的混合物、镍、钛铂合金或铝制成，且第一～第二级电极的厚度为100-500nm较佳；金属基片由铜片制成，且其厚度为10-100μm较佳；所用粘合剂为环氧胶，且粘合剂的厚度为3-10μm较佳；矩形或梯形的个数为4-14个，通过增加矩形或梯形的个数来达到降低压电悬臂梁俘能器的各阶谐振频率，从而使它在环境中达到宽频的效果，提高其输出功率，俘能效果较好。

如图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)所示，是用ANSYS对4、6、8、10个梯形构成的压电振子的单晶压电悬臂梁俘能器的静态分析仿真图，4、6、8、10个梯形构成的压电振子在笛卡尔坐标系，仿真所得的最大位移值分别为0.26mm、0.47mm、0.77mm、1.19mm。从图中可以看出，随着矩形或梯形个数的增加，其应变分布越来越均匀，且自由端的最大位移值分别为0.26mm、0.47mm、0.77mm、1.19mm，即压电方程应变分布与所获得的电压成正比，获得的电能也在不断增加。

下表中是4、6、8、10个梯形构成的压电振子的单晶压电悬臂梁俘能器的一阶、二阶、三阶谐振频率。将表格显示的一阶、二阶、三阶固有频率进行比较，可以发现各阶的固有频率随着梯形个数的增加得到了有效的降低，所以梯形的个数增加有利于在环境中达到宽频的效果。

如图5所示，是用ANSYS对10个梯形构成的压电振子的单晶压电悬臂梁俘能器的谐响应分析图，图中横轴VOLT代表电压/伏特，纵轴FRQ代表频率/赫兹。从图中可以看出，当固定端施加加速度为9.9m/s2，阻尼是0.025的激励作用时，这种结构的压电悬臂梁俘能器能够在前两阶谐振频率点(20.15Hz及35.26Hz)发生共振，即在前两阶都出现了共振现象，且前两阶的谐振频率点在0～50Hz之间，达到环境振动频率的要求，因此这种类似弓字形结构的压电悬臂梁俘能器相对于传统的单晶压电悬臂梁来说，在环境振动中能够达到宽频的效果。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电悬臂梁俘能器，包括压电振子，其特征在于：所述压电振子包括多个相同的在同一平面依次连接的压电振子单元，除去首尾两个压电振子单元后其它任意一个压电振子单元的两个端部，其中一个端部与相邻的其中一个压电振子单元位于同一侧的端部固定连接，另一个端部与另一个相邻的压电振子单元位于同一侧的端部固定连接，所述压电振子单元每隔一个互相平行，首尾两个压电振子单元空出的两个端部，其中一个端部作为所述压电振子的固定端，另一个端部作为所述压电振子的自由端。

2.如权利要求1所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述压电振子单元为矩形。

3.如权利要求1所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述压电振子单元为梯形。

4.如权利要求1-3任一项所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述压电振子的材料为压电陶瓷片。

5.如权利要求1-3任一项所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述压电振子的厚度为10-100μm。

6.如权利要求1-3任一项所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述压电振子单元的个数为4-14个。

7.如权利要求1-3任一项所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：还包括第一~第二级电极、基片，所述第一级电极固定在所述压电振子的上表面，所述压电振子的下表面与所述第二级电极的上表面固定，所述基片固定在所述第二级电极的下表面。

8.如权利要求7所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述第一~第二级电极由含银的混合物、镍、钛铂合金或铝制成。

9.如权利要求7所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述第一~第二级电极的厚度为100-500nm。

10.如权利要求7所述压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述基片的厚度为10-100μm。