CN110299864B - 基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碰撞的压电‑静电复合式俘能器装置，包括箱体，悬臂板，压电层，质量块，折梁及静电俘能模块，将压电悬臂板固定在箱体上，通过箱体接收环境的振动激励，使悬臂板产生振动变形，从而使粘贴在悬臂板上的压电片产生变形获取能量，在悬臂板的固定端粘贴质量块，起到降低结构固有频率及提高变形的作用，静电俘能模块安装在箱体两侧的突起上，静电模块中的基板安装在折梁的端部，利用悬臂梁上的质量块与折梁的碰撞，将竖直方向的振动转换为水平方向的位移，提高了对周围环境的适应性，采用滑块导轨的方式限制折梁两端的位移，从而将静电俘能模块中的电容极板间距控制在极小的范围内，以实现较大的电容变化，产生较高的电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置，通过收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源技术领域。
背景技术
近年来，随着微机电***MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)的快速发展，微型传感器等微型电子设备的应用范围不断扩大，已广泛应用于各个领域。由于MEMS结构具有微型化的特性，其电源的设计是此类技术需要解决的关键问题之一。为了降低微型传感器的维护难度和成本，传统的化学电池已经不能满足MEMS结构的需要。因此，利用环境振动能量供电成为更好的电源解决方案。
目前，基于振动的三种能量采集方式包括：电磁式、静电式和压电式。为了提高俘能器的转换效率和输出功率，不必局限于单一转换方法，考虑将其中两种或两种以上的俘能技术用于同一设备中。当前，电磁-压电复合式俘能器由于体积较大，难以应用于MEMS设备中，而静电式俘能技术易于与MEMS技术集成，且结构设计简单，因而有利于结合压电技术，制作出各方面性能更好的俘能器。2006年，Khbeis等人设计出一种压电-静电复合式俘能器，能够收集低频和低能量密度的环境振动，并且把压电过程产生的电能提供给静电模块作为预加载电压，解决了静电俘能器需要外部电源供电的问题。2009年， Khbeis等人对该设备进行优化设计，制作出实验模型。2014年，韩国延世大学Youngkee等人提出一种压电-静电复合式柔性结构，能够收集低频环境的振动机械能。同年，上海交通大学杨斌等人在设计了一种基于PDMS柔性材料的压电-静电复合式俘能器，该设备结构简单，制作容易，并且具有较高的能量转换效率和较大的输出功率。2015 年，Madinei等人提出一种可调谐的压电-静电耦合式俘能器，利用静电模块拓宽***的频带，有效提高了压电模块的输出功率。由此可见，压电-静电式俘能器解决了压电俘能器采集效率低和静电俘能器需要外部电源供电的问题，是有效的MEMS技术电源解决方案。
发明内容
本发明基于压电和静电***，提出一种压电-静电复合式俘能器装置。本发明的目的是利用碰撞实现压电***与静电***的耦合，将悬臂梁的纵向位移转换成折梁的横向位移，提高俘能器的俘能效率，并且静电部分保持极小的电容板间距，从而提高输出电压。
为了解决俘能器的上述问题，本发明的解决方案如下：
本发明的压电***包括悬臂梁、压电层和质量块，悬臂梁通过其固定端的H型结构固定在箱体上的凹槽内。所述质量块通过JL-510 环氧AB胶水粘贴在悬臂梁的自由端。所述悬臂梁和质量块的材料均为钢。所述压电层通过JL-510环氧AB胶水粘贴在悬臂梁的固定端附近。所述压电层由保护层、压电薄膜和电极层构成，压电层的长宽高尺寸为10×3.6×0.05mm；电极层分别附着在压电薄膜上下表面，电极线从电极层导出至压电层外侧。所述压电薄膜和电极层被保护层完全包裹，保护层厚度为0.125mm。所述压电层材料为极化后的PVDF，电极层材料为银，电极材料为铜线，保护层材料为聚酯薄膜。
本发明所述的静电***包括折梁和四个驻极体静电俘能模块，每个驻极体静电俘能模块由正负电极、基板和驻极体构成，每个电极包括一个电极板和六个块状电极，每组静电俘能模块的两个电极板分别与箱体及基板相连。所述驻极体附着在基板一侧的块状电极的端部。通过过盈配合分别将两个基板安装在折梁的两端。滑块安装在基板的两侧，导轨安装在框架上。
所述折梁中部凸起，两端水平，有四个折角。
所述折梁的材料为铜，所述驻极体材料为聚四氟乙烯(PTFE) 多孔薄膜驻极体，所述基板和框架均为铝。
工作过程：
当装置受到外界环境的振动影响时，悬臂梁随之振动，使得贴附在悬臂梁上的压电薄膜产生电压，同时，悬臂梁下行时，其自由端的质量块撞击折梁中部，随后折梁的四个折角发生形变，使得其两端产生水平位移，存储着一定电荷的电容的上下极板随之发生相对位移，实现电荷的流动，即通过改变电容，将振动能转换成电能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明装置利用悬臂梁自由端与折梁的碰撞将竖直方向的振动转换为水平方向的位移，即将环境中较常见的振动转换为较少见的横向振动，提高了对周围环境的适应性。
2、采用滑块导轨的方式限制折梁两端的位移，从而将静电俘能模块中的电容极板间距控制在极小的范围内，以实现较大的电容变化，产生较高的电压。
1.3、将静电俘能方式与压电俘能方式耦合，提高俘能密度。该结构设计紧凑，适用于空间较小的微机电***中。
附图说明
图1是本发明基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置去掉箱盖的三维立体视图；
图2是本发明基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置的局部剖视图；
图3是本发明基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置中静电俘能模块部分的放大图；
图中：1、箱盖，2、箱体，3、压电层，4、悬臂梁，5、质量块， 6、折梁，7、导轨，8、基板，9、下电极板，10、驻极体，11、下电极块，12、上电极板，13、上电极块，14、滑块。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
一种基于碰撞的压电-静电复合式俘能器，包括箱盖1、箱体2、压电层3、悬臂梁4、质量块5及四组静电俘能模块；箱盖1为一带有两端突起的长方体板，箱体2为形状与箱盖1相对应，悬臂梁4安装在箱体2上，悬臂梁4的自由端粘贴有质量块5，压电层3粘贴在悬臂梁4的自由端；箱体2两侧分别有一个长方体板，长方体板中用于安装静两组电俘能模块；
每组静电俘能模块都由折梁6、基板8、下电极板9、驻极体10、下电极块11、上电极板12、上电极块13和滑块14组成；基板8安装在折梁6端部；下电极板9安装在基板8上方；下电极块11安装在下电极板9上方，每隔1mm安装一个下电极块11，每个下电极板 9上安装六个下电极块11；在每个下电极块11上方分别安装一个驻极体10，长和宽尺寸与下电极块11相等；在驻极体10相对的箱体2 的一面上安装上电极板12，尺寸与下电极板9相等；在上电极板12 下方安装上电极块13，尺寸及安装方式与下电极块11相同；基板8 两侧的滑块14是与基板一体成型的；在箱体2上开有导轨7，滑块 14能够在导轨7上滑动；
压电层3的长度方向与悬臂梁4的长度方向一致，从悬臂梁4的固定端向自由端延伸，压电层3的长度小于悬臂梁4的长度，压电层 3的宽度与悬臂梁4的宽度一样，压电层3长度方向的两侧面与悬臂梁4长度方向的两侧面齐平；
滑块14与基板8是一体成型的。
悬臂梁4和质量块5所选材料一致，采用普通钢材，悬臂梁4上铺设粘贴的压电层3材料是PVDF压电薄膜。
利用悬臂梁4上的质量块5与折梁6的碰撞，将竖直方向的位移转换为水平方向的位移。
采用滑块14加导轨7的方式限制折梁6两端的位移。
箱体2和箱盖1上分别开有槽，作为滑块14的导轨。
每个静电模块中采用六个下电极块11和六个上电极块13，下电极块11和六个上电极块13分别在下电极板9和上电极板12中呈阵列分布。
实施例
如图1-3所示：本发明为基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置，该装置主要包括箱盖1、箱体2、压电层3、悬臂梁4、质量块5、及四组静电俘能模块；箱体2和箱盖1采用铝制材料，长宽高尺寸为 49mm*6mm*31mm，两边各有一突起，突起长度为15mm，高度为 8.8mm，在箱体2左偏上的位置开有一槽，用于安装悬臂梁4；悬臂梁4的固定端为H型，便于安装在箱体2上，长度为28mm，宽度为 3.6mm，厚度0.5mm；压电层3粘贴在悬臂梁4固定端上方，长度10mm，厚度为0.03mm；质量块5粘贴在悬臂梁的自由端下方，长宽高尺寸为6mm*3.6mm*3mm。每组静电俘能模块都由折梁6、基板8、下电极板9、驻极体10、下电极块11、上电极板12、上电极块13和滑块组成；基板8安装在折梁6端部，折梁6长度为57mm，厚度为0.5mm，基板8长度为12mm，厚度为0.8mm；下电极板9安装在基板8上方，长度和宽度与基板8相等，厚度为0.3mm；下电极块11安装在下电极板9上方，每隔1mm安装一个，每个电极板9上安装六个，下电极块11长宽高尺寸为1.2mm*3.6mm*0.45mm；在每个下电极块11 上方分别安装一个驻极体10，长和宽尺寸与下电极块11相等，厚度为0.3mm；在驻极体10相对的箱体2的一面上安装上电极板12，尺寸与下电极板9相等；在上电极板12下方安装下电极块13，尺寸及安装方式与上电极块11相同；基板8两侧的滑块14是与基板一体成型的，长宽高尺寸为3mm*1.2mm*1.2mm；在箱体2上开有导轨7，滑块14能够在导轨7上滑动。
当装置受到外界环境的振动影响时，悬臂梁4随之振动，使得贴附在悬臂梁4上的压电薄膜产生电压，同时，悬臂梁4下行时，其自由端的质量块5撞击折梁6中部，随后折梁6的四个折角发生形变，使得其两端产生水平位移，存储着一定电荷的电容的上下极板随之发生相对位移，实现电荷的流动，即通过改变电容，将振动能转换成电能。通过电极及此后应用中设计的电路将产生的电能供应给其他装置，实现应用。
综上所述：本发明的基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置，通过合理地利用悬臂梁上的质量块与折梁的碰撞，将竖直方向的振动转换为水平方向的位移，即将环境中较常见的振动转换为较少见的横向振动，提高了对周围环境的适应性，同时，将静电俘能方式与压电俘能方式耦合，提高俘能密度。采用滑块导轨的方式限制折梁两端的位移，从而将静电俘能模块中的电容极板间距控制在极小的范围内，以实现较大的电容变化，产生较高的电压。
本发明的基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置可用于微机电产品，如无线传感器内部供电、飞行器及卫星元器件等，也可用于运动发电，如人行走时放置在鞋底上的压电装置，铺设在公路路面上的压电装置等。
Claims (2)
1.一种基于碰撞的压电-静电复合式俘能器，其特征在于，包括箱盖(1)、箱体(2)、压电层(3)、悬臂梁(4)、质量块(5)及四组静电俘能模块；箱盖(1)为一带有两端突起的长方体板，箱体(2)为形状与箱盖(1)相对应，悬臂梁(4)安装在箱体(2)上，悬臂梁(4)的自由端粘贴有质量块(5)，压电层(3)粘贴在悬臂梁(4)的自由端；箱体(2)两侧分别有一个长方体板，长方体板中用于安装两组静电俘能模块；
每组静电俘能模块都由折梁(6)、基板(8)、下电极板(9)、驻极体(10)、下电极块(11)、上电极板(12)、上电极块(13)和滑块(14)组成；基板(8)安装在折梁(6)端部；下电极板(9)安装在基板(8)上方；下电极块(11)安装在下电极板(9)上方，每隔1mm安装一个下电极块(11)，每个下电极板(9)上安装六个下电极块(11)；在每个下电极块(11)上方分别安装一个驻极体(10)，长和宽尺寸与下电极块(11)相等；在驻极体(10)相对的箱体(2)的一面上安装上电极板(12)，尺寸与下电极板(9)相等；在上电极板(12)下方安装上电极块(13)，尺寸及安装方式与下电极块(11)相同；基板(8)两侧的滑块(14)是与基板一体成型的；在箱体(2)上开有导轨(7)，滑块(14)能够在导轨(7)上滑动；
压电层(3)的长度方向与悬臂梁(4)的长度方向一致，从悬臂梁(4)的固定端向自由端延伸，压电层(3)的长度小于悬臂梁(4)的长度，压电层(3)的宽度与悬臂梁(4)的宽度一样，压电层(3)长度方向的两侧面与悬臂梁(4)长度方向的两侧面齐平；
滑块(14)与基板(8)是一体成型的；
悬臂梁(4)和质量块(5)所选材料一致，采用普通钢材，悬臂梁(4)上铺设粘贴的压电层(3)材料是PVDF压电薄膜；
利用悬臂梁(4)上的质量块(5)与折梁(6)的碰撞，将竖直方向的位移转换为水平方向的位移；
采用滑块(14)加导轨(7)的方式限制折梁(6)两端的位移；
箱体(2)和箱盖(1)上分别开有槽，作为滑块(14)的导轨。
2.根据权利要求1所述的一种基于碰撞的压电-静电复合式俘能器，其特征在于，每个静电模块中采用六个下电极块(11)和六个上电极块(13)，下电极块(11)和六个上电极块(13)分别在下电极板(9)和上电极板(12)中呈阵列分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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