[發明專利]壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點

無效

• 申請號: 201010166952.2
• 申請日: 2010-04-28
• 公開（公告）號: CN102237761A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: 邊義祥;楊成華
• 申請（專利權）人: 揚州博達電氣設備有限公司
• 主分類號: H02K15/00
• 分類號: H02K15/00;H02N2/18;G08C17/02;H01L41/113
• 代理公司: 揚州蘇中專利事務所(普通合伙) 32222
• 代理人: 張榮亮

技術領域

本發明涉及一種壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，是一種能量自給的無線傳感器網絡節點，整個節點采用組合式壓電發電機供電，無需更換電池或對電池充電，實現全天候、免維護工作。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless?Sensor?Networks)是由大量節點組成的面向任務的分布式網絡，綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信、分布式信息處理等多領域技術，通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監測，由嵌入式微處理器對信息進行加工處理，并通過無線通信網絡將信息傳送至遠程用戶，在國防安全、工農業領域各種控制、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等領域都有重要的科研價值和實用價值，具有十分廣闊的應用前景。

現有的無線傳感器網絡節點一般采用電池供電，有自己的缺點：傳統的電池因其體積大、使用壽命短而逐漸不能滿足使用要求；當電池電量不足、泄漏或接觸不良時，無線傳感器網絡節點的通信靈敏度、通信距離都大大降低，嚴重時甚至通信失靈，因此需要經常更換電池，或對電池充電，增加了使用成本；同時，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當會造嚴重的環境污染。電池漸漸的不能完全滿足無線傳感器網絡節點的使用要求。

為解決這一制約問題，科學研究人員引入了“能量采集”這一概念。通常意義上所講的“能量采集”實際上特指將其他形式的能量采集、轉換為電能。即將器件所處環境中的能源轉換為電能存儲在電池、電容等儲能裝置中以滿足器件的需求。

環境中能量采集的來源包括太陽能，振動能，噪聲，溫度梯度等多種能源。其中，振動機械能是一種較普遍的能源形式，廣泛存在于樓宇、橋梁、車輛、船舶、飛行器、機電設備等各種生產和生活設備，也存在于人體的肢體運動、血液流動、心臟跳動等生命過程中，且有著較高的能量密度(250-330μW/cm³)。因此對振動機械能進行采集有著非常廣泛的應用。

對振動能量的采集和轉換主要存在三種方式：壓電式，靜電式和電磁式。壓電式能量采集方式的能量密度大，結構簡單便于微型化。壓電發電的工作原理是基于正壓電效應，將環境或人體的振動機械能轉換成為電能。根據壓電發電裝置的結構不同，有碰撞式壓電發電和彎曲式壓電發電兩種發電方式。碰撞式發電是利用壓電元件受到碰撞時，應力發生變化，產生電能。而彎曲式壓電發電是利用壓電元件彎曲的時候，應力發生變化，產生電能。

彎曲式壓電發電裝置中，壓電材料一般都是制成壓電懸臂梁結構。比如中國專利CN?100414808C提出了一種壓電俘能器，自由端懸掛集中質量塊的懸臂梁兩面粘貼壓電材料，懸臂梁振動時由壓電材料輸出電能并存儲起來，但產生的電能較小，主要用于微電子器件的供電。中國專利CN101017989A也公開了一種為微型無線傳感網絡節點供電的壓電懸臂梁發電系統，其中壓電材料仍然粘貼在懸臂梁的上下兩面。中國專利CN101262189A公開了一種利用懸臂梁的壓電發電裝置，其中壓電材料還是粘貼在金屬懸臂梁的上下兩面。美國專利WO?2007121092也描述了主要用于微機電系統(MEMS)供電的的懸臂梁結構的壓電能量回收裝置。上述的發明專利都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產生電能，由于系統的結構限制，只能把外界的某一頻率的機械振動轉換成電能，發電效率低，頻率范圍窄，只能用于微型電子系統的供電。中國專利CN?101272109A公開了一種利用兩組叉指型的多個壓電懸臂梁，進行寬頻發電裝置；其中的壓電懸臂梁是由壓電元件直接制成，或是由壓電元件粘接制成的。中國專利CN101017989A公開了一種基于壓電振動發電的自供電微型無線傳感網絡節點，利用壓電懸臂梁，將環境的振動機械能轉換成電能，為無線傳感網絡供電。

在上述的壓電發電裝置中，壓電懸臂梁由兩種結構形式，一種是直接用元件粘貼在一起，形成壓電雙晶片懸臂梁結構；另一種是把壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成三明治結構壓電懸臂梁。

在現有的壓電發電專利中，無論那一種形式的壓電懸臂梁結構，都是由整塊的壓電元件相互粘貼，或由整塊的壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成壓電懸臂梁。在壓電發電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環境或人體提供的機械振動，振動頻率一般很低。這樣，在使用過程中，很難使壓電懸臂梁達到諧振工作狀態，產生的電能比較少，無法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁，其中的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個壓電發電裝置的使用壽命。

發明內容