CN202210762U - 一种交错压电双晶片梁型俘能*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能***，包括外部支座和位于外部支座内部的压电双晶片梁，其特征在于：相邻的两个压电双晶片梁分别布置在外部支座的两侧。本实用新型与现有的压电俘能器相比具有以下优点：该俘能***与传统同侧俘能***相比，即使取材完全一致，其实际输出功率密度比传统俘能***的在各激励频率下都有大幅的提高，尤其在俘能器最值得关注的共振区附近，其实际输出功率密度提高了近一倍。

Description

一种交错压电双晶片梁型俘能***

技术领域

本实用新型涉及一种俘能***，具体涉及一种通过吸收环境中的振动能量通过压电材料转化为电能来对微电子器件进行供电的具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能***。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，而构成物联网最关键的元素是安置在各种物件中的传感器设备。传统的为这些传感器供电的方式是有线供电或电化学电池供电。有线供电虽然能保证器件所需能量的正常供给，但由于传感网络中的传感单元的数量众多，使得布线困难。传统电化学电池的供电量会随着时间的推移而逐渐减弱，因此只能在较短时间内保证微器件的正常工作，其传统的电池供能方式已逐渐不能满足其发展需求，通过吸取环境中的振动和噪声能来为该类器件进行供电的方法越来越受到关注。其中，压电俘能器由于其较高且较稳定的能量输出和能量吸收效率成为最受推崇的俘能器件。

压电双晶片梁型结构由于其共振频率相对其他更加接近环境振动的频率，因此是压电俘能器设计中的最常用的结构之一。然而，传统俘能器设计中的压电双晶片梁都采用的是同侧分布或者是横向分布，或没有给出较具体的空间分布方案。压电俘能器的使用对象是体积很小的各类微电子器件和传感设备，因此在满足输出需求的前提下，其所占用的空间应尽可能小。因此，Roundy等学者都以输出能量密度作为压电俘能器的重要性能指标。输出能量密度是单位体积的压电俘能器所输出的功率，然而压电俘能结构不是静止的器件，其工作时是需要占用一定空间的。如果这个工作空间设置的过小，相邻的两个压电体间就有可能发生碰撞，使得俘能***发生故障，输出功率降低，甚至完全报废。

典型压电俘能***的压电双晶片的一侧嵌入外部支座壁中，另一端处于自由状态，形成压电双晶片梁结构。俘能器***的设计中压电双晶片梁都采用的是同侧分布或者是横向分布，而为了保证各压电器件之间的能够正常工作而不相互发生碰撞，压电元件之间就必须保证有一定的空间，对于传统俘能***而言，其安全空间需求量较大，降低了单位空间内的俘能效率，即降低了其实际功率密度。然而实际功率密度对于压电俘能***这种微电子器件的能量源是相当重要的指标，因此急需一种有较高的实际功率密度的俘能***。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能***。

合理的评判一个压电***的输出性能的指标应为实际输出功率密度，即俘能***的体积应同时包括压电体本身和安全工作间隙。本专利基于这一理念，提出了一种具有较高实际输出功率密度的交叉分布压电双晶片梁型俘能***。数值模拟结果表明，通过对压电双晶片梁进行交叉分布能大幅度的提高俘能***的实际功率密度。

本实用新型是这样实现的：

一种具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能***，包括外部支座和压电双晶片梁；外部支座的作用是将环境振动源中的振动能量引入到俘能***中，让整个俘能装置作垂直于水平面的竖直振动，同时也起到增强***振动稳定性和封装的作用。

压电双晶片梁是俘能***中的主要俘能元件，将机械振动能转化为电能。压电双晶片梁由上下两层从厚度方向极化的一对有相同几何尺寸的压电片，以及中间用以加强整体结构的金属层组成。压电片的上下表面镀有电极，电极通常选用导电性能较好的银材质。

在使用过程中，浮能***中的俘能结构由多个压电双晶片梁串联而成，其与传统俘能器阵的重要区别在于，俘能结构中相邻的两个压电双晶片梁分别布置在外部支座的左右两侧，而不是像传统俘能***中分布在同一侧。

即第m个压电双晶片梁的一端嵌入外部支座的左侧壁，第m+1个压电双晶片梁的一端嵌入外部支座的右侧壁。

压电双晶片梁可通过导线串联在一起，并与负载阻抗串联。也可以采用其他的电路连接方式，如压电双晶片梁并联后再与负载阻抗串联，或者在单个压电双晶片梁与单个负载阻抗串联后再与其他单个压电双晶片梁与单个负载阻抗的串联电路并联，以及其他的电路连接方式。

压电俘能器的供能对象是体积很小的各类微电子器件和传感设备，因此在要求其提供尽可能大输出功率的同时，要尽量节省空间占用。因此Roundy等学者都以输出能量密度作为压电俘能器的重要性能指标。传统的压电俘能器的功率密度定义为：

$\mathrm{\γ}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}}{V_D}---\left(1\right)$

其中，P_OUT为俘能器的输出功率，V_D为压电器件本体的体积。然而针对压电俘能***，其中的各个部件不都是静止的器件，其工作时是需要占用一定空间的。如果这个工作空间设置的过小，相邻的两个压电体间就有可能发生碰撞，使得俘能***发生故障，输出功率降低，甚至完全报废。因此合理评判一个压电***的输出性能的指标应为实际输出功率密度γ_R，即俘能***的体积应同时包括压电体本身V_D和安全工作间隙V_S。

${\mathrm{\γ}}_R=\frac{P_{\mathrm{OUT}}}{V_D+V_S}---\left(2\right)$

由n个由同侧压电双晶片梁串联，外负载为简单阻抗Z_L的压电俘能***，其中相邻的第m和m+1个压电双晶片梁如图1所示。其各自压电层和金属层的厚度分别为

两个压电双晶片梁之间的安全垂直间隙为

各自右端据外壁的安全间隙为

和

端部最大绕度绝对值为

和

假设***中各压电双晶片梁的几何形状只在厚度上有区别，并设则该***的安全工作间隙为

$V_S=\mathrm{\α}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}2b(L+L_S)w_L^{\left(k\right)}---\left(3\right)$

其中，L、b为压电双晶片梁的长度和宽度。α＞1为安全间隙系数，可根据实际布线等空间需要进行选取。则实际输出功率密度为

${\mathrm{\γ}}_R=\frac{P_{\mathrm{OUT}}}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}2\mathrm{bL}(h_c^{\left(k\right)}+h_p^{\left(k\right)})+\mathrm{\α}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}2b(L+L_S)w_L^{\left(k\right)}}---\left(4\right)$

本实用新型与现有的压电俘能器相比具有以下优点：该俘能***与传统同侧俘能***相比，即使取材完全一致，其实际输出功率密度比传统俘能***的在各激励频率下都有大幅的提高，尤其在俘能器最值得关注的共振区附近，其实际输出功率密度提高了近一倍。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型外负载电路示意图；

图3为本实用新型压电双晶片梁结构示意图；

图4为本实用新型实际输出功率密度与激励频率之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

如附图1所示，本实用新型所述具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能***中各俘能元件压电双晶片梁按照交错方式置于外部支座4的侧壁上，外部支座随着外环境振动源5以Asin2πft作垂直振动，各压电双晶片梁6通过导线以如附图2的串联方式与负载阻抗7作电学连接。如附图3所示为压电双晶片梁的结构，包括上下两个压电片1，在上下两个压电片1之间设有金属层2以增强压电双晶片梁振动疲劳耐久性，在压电片的上、下表面镀有金属银做电极3。

选取压电片的材料PZT-5H为例，其密度ρ₀＝7500kg/m³，材料参数如下：

s₁₁＝16.5×10^-12m²/N，d₃₁＝-274×10^-12C/N，

ε₃₃＝3400ε₀，ε₀＝8.854×10^-12farads/m

中间金属层为铝合金，其杨氏模量E＝70GPa，密度ρ＝2700kg/m³。A为压电固定端的振动幅值，角频率ω₀＝2πf，f为环境振动源激励频率。取激励的加速度幅值

。在计算中选取压电片的宽度b＝10mm，压电片长度l＝70mm，中间金属层厚度与压电片的厚度比为0.8。对于强迫振动，为了考虑阻尼效应，用s₁₁(1-iQ^-1)替代s₁₁，Q为材料的品质因子，计算中取Q＝50。在计算中取外负载电阻抗为Z_L＝iZ₀，取横向安全间隙L_S＝0.1L，安全间隙系数α＝11。

图4所示为不同激励频率下压电双晶片梁串联而成的传统俘能***与本实用新型俘能***的实际输出功率密度比较图。其各自的俘能结构都由5个压电片厚度hp分别为3.05，3.10，3.15，3.20，3.25mm的压电双晶片梁组成，即n＝5。显然，虽然取材完全一致，但是交叉分布压电双晶片梁型俘能***比传统俘能***的实际输出功率密度在各激励频率下都有大幅的提高，尤其在俘能器最值得关注的共振区附近，其实际输出功率密度提高了近一倍。另外，这种压电俘能***在结构分布上的优势与俘能单元上的电连接形式无关，因此在其它电连接形式，如并联形式和混联形式的压电俘能***中该方法同样有效。

Claims (5)

1.一种交错压电双晶片梁型俘能***，包括外部支座和位于外部支座内部的压电双晶片梁，其特征在于：相邻的两个压电双晶片梁分别布置在外部支座的两侧。

2.根据权利要求1所述俘能***，其特征在于：所述压电双晶片梁由上下两层从厚度方向极化的一对有相同几何尺寸的压电片，以及中间用以加强整体结构的金属层组成。

3.根据权利要求2所述俘能***，其特征在于：所述压电片的上下表面镀有电极。

4.根据权利要求3所述俘能***，其特征在于：所述电极选用银材质。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述俘能***，其特征在于：所述压电双晶片梁通过导线串联在一起，并与负载阻抗串联。

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