[發明專利]基于MEMS技術的壓電-電磁復合式寬頻俘能器

有效

• 申請號: 201310063244.X
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103199738A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 高世橋;李平;金磊;劉海鵬;牛少華;姚峰林
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/02;B81B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于MEMS（Micro-electro-mechanical?Systems，微機電系統）技術的壓電-電磁復合式寬頻俘能器，屬于微機電系統領域。

背景技術

近年來，隨著低功耗器件，特別是適用于無線傳感網絡和微慣性系統中的低功耗MEMS傳感器和ASIC（Application?Specific?Integrated?Circuit，專用集成電路）芯片的發展，使得從工作環境中直接俘獲能量以供給器件工作成為可能。

傳統方式中主要利用化學電池給器件供電，但這種供能方式存在比較突出的問題：（1）化學電池的壽命有限，間隔一段時間需要更換或充電，對于在偏遠地區或在特殊環境中工作（如密閉空間中）的器件來說，更換電池、給電池充電成本太高或不可行；（2）化學電池對環境的污染較大，同時，處理廢棄電池將導致成本進一步增加；（3）化學電池的體積較大，無法在工作空間較小的系統中使用；（4）化學電池無法實現與MEMS器件集成，因而進一步限制了其在MEMS領域中的應用。考慮到MEMS器件的工作環境及對供能方式的要求，如能長時間工作、占用工作空間小及可與MEMS工藝兼容等，研究開發可替代化學電池的供能方式已成為近年來的研究熱點。

目前國內外已研究出多種替代化學電池的微能源，主要有振動型俘能器、太陽能電池、溫差電池等供能方式，但其中的太陽能電池與溫差電池對工作環境中的光、溫度等有較苛刻的要求，且不能在密閉環境中工作，這些因素在很大程度上限制了它們的應用。而振動型俘能器則是將振動能轉化為電能的一種俘獲能量器件，幾乎所有的器件、系統都工作在一定的振動環境中，因此，振動型俘能器的應用范圍非常廣闊。目前，研究開發出的振動型俘能器主要包括基于MEMS技術的振動型俘能器和基于傳統加工技術的微小型振動俘能器，其中，由于MEMS俘能器的體積小，且能實現與其他MEMS傳感器的集成，因此，可應用于無線傳感網絡和微慣性系統中為MEMS器件供能。

目前已研究出的MEMS振動型俘能器主要包括三種類型，分別是基于壓電效應的壓電式俘能器、基于電磁感應定律的電磁式俘能器及基于電容原理的靜電式俘能器。由于具有體積小、能長時間工作、可實現無源供能，且可與MEMS工藝相集成等優點，MEMS振動型俘能器已成為了近年來MEMS領域及微能源領域的研究熱點。但目前已研究出的MEMS俘能器還存在一些限制其應用的因素，比如帶寬較窄（通常為幾Hz到幾十Hz），同時，三種類型的俘能器都有其各自不同的特點，如壓電式俘能器的輸出電壓較大，但由于內阻較大導致輸出電流較小，通常只有幾微安到幾十微安；電磁式俘能器的輸出電流較大，但輸出電壓只有幾十到幾百毫伏，無法滿足常用器件的供電要求；靜電式俘能器則需要一定的初始電壓才能正常工作，因而無法實現無源供能。此外，由于工作環境中的振動頻率通常分布在一定的頻帶范圍內，因此，需要拓寬MEMS俘能器的工作帶寬，以覆蓋整個工作環境的振動頻率，提高俘能效率。所以，針對目前傳統供能方式及已研究出的MEMS俘能器所存在的問題，研究開發一種同時具有寬頻帶、較大輸出電壓和較大輸出電流的MEMS振動型俘能器成為必要。

發明內容

本發明的目的是為了解決已有MEMS振動型俘能器存在的不足，提出一種基于MEMS技術的壓電-電磁復合式寬頻俘能器，其具有寬頻帶俘能效果并同時能輸出較大電壓和較大電流。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種基于MEMS技術的壓電-電磁復合式寬頻俘能器，包括：邊框（1）、2個以上的MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11）、管殼（20）和蓋板（2）。

所述蓋板（2）蓋在管殼（20）的上面，邊框（1）固定于管殼（20）的內部，所述2個以上的MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11）固定于邊框（1）內，并且MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11）與管殼（20）的底面不接觸。管殼（20）和蓋板（2）的作用是封裝邊框（1）及全部MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11），對邊框（1）及MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11）起保護作用。

所述邊框（1）為長方形或正方形邊框，其作用是：①固定并支撐全部MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11）；②布置引線及焊盤。所述焊盤的作用是實現與外接負載的電氣連接。

所述2個以上的MEMS壓電-電磁復合式俘能單元（11）位于同一平面并且等間距排布于邊框（1）的內部。