[發明專利]基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器

有效

• 申請號: 201310064404.2
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103107739A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 李平;高世橋;金磊;牛少華;劉海鵬;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

1.一種基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器，其特征在于：其包括：邊框（1）、2個以上的MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）、管殼（20）、蓋板（2）、第一玻璃基板（17）和第二玻璃基板（18）；

所述第一玻璃基板（17）固定于蓋板（2）的下表面，第一玻璃基板（17）上布置引線及焊盤；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電磁-壓電復合式俘能單元（11）固定于邊框（1）內，并且MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（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）、全部MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）、第一玻璃基板及第二玻璃基板，對邊框（1）、MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）、第一玻璃基板（17）及第二玻璃基板（18）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電磁-壓電復合式俘能單元（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；

所述第二玻璃基板（18）固定于在管殼（20）內，位于邊框（1）及MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的下方，第二玻璃基板（18）與MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）不接觸；第二玻璃基板（18）上布置引線及焊盤；

所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）包括：磁鐵（3）、第一線圈（4）、質量塊（5）、第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）、第一上電極層（7）、第二上電極層（8）、下電極層（9）、PZT（鋯鈦酸鉛）壓電材料層（10）、絕緣層（15）、第二線圈（16）；

所述質量塊（5）為正方體或長方體；

所述第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）和第四結構梁（14）以質量塊（5）為中心，對稱分布在質量塊（5）的兩側，質量塊（5）每側的兩根結構梁平行排布，并且每根結構梁的一端與邊框（1）固定連接，另一端與質量塊（5）固定連接；第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）和第四結構梁（14）的形狀和尺寸相同；質量塊（5）的上表面與第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）的上表面位于同一水平面；

所述質量塊（5）和第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）的作用是：①在確定了質量塊（5）、第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）以及磁鐵（3）的形狀和尺寸以后，即確定了所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的諧振頻率和響應頻帶；②質量塊（5）支撐磁鐵（3），當有外界振動信號時，質量塊（5）和磁鐵（3）進行振動；

所述第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）和質量塊（5）的上表面上是絕緣層（15）；第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）和第四結構梁（14）上的絕緣層（15）的上表面上是下電極層（9）；下電極層（9）通過引線與邊框（1）上焊盤連接；下電極層（9）的上表面上是PZT壓電材料層（10）；PZT壓電材料層（10）的上表面上是第一上電極層（7）和第二上電極層（8），第一上電極層（7）和第二上電極層（8）之間有一定間隙；

所述PZT壓電材料層（10）的作用是：當質量塊（5）和磁鐵（3）振動時，引起第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）和PZT壓電材料層（10）彎曲變形，導致PZT壓電材料層（10）中產生應力、應變，進而在PZT壓電材料層（10）的上表面和下表面產生電荷；

所述磁鐵（3）固定于質量塊（5）的上表面，其作用是：①提供磁場；②配合質量塊（5）、第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）調節所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的諧振頻率和響應頻帶；

所述第一線圈（4）位于磁鐵（3）的上方，并固定于第一玻璃基板（17）的下表面，當磁鐵（3）相對于第一線圈（4）振動時，第一線圈（4）中的磁通量發生變化，在第一線圈（4）中產生感應電動勢，輸出能量；第一線圈（4）和磁鐵（3）不接觸；

所述第二線圈（16）位于質量塊（5）的下方，并固定于第二玻璃基板（18）的上表面，當磁鐵（3）相對于第二線圈（16）振動時，第二線圈（16）中的磁通量發生變化時，在第二線圈（16）中產生感應電動勢，輸出能量；第二線圈（16）和質量塊（5）不接觸；

所述第一上電極層（7）和第二上電極層（8）的作用是收集PZT壓電材料層（10）上表面產生的電荷；

所述下電極層（9）的作用是收集PZT壓電材料層（10）下表面產生的電荷；

所述MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的作用是：①當有外界振動作用時，通過質量塊（5）和磁鐵（3）產生慣性力作用到第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）上，使第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）及PZT壓電材料層（10）發生彎曲變形，根據壓電效應，在PZT壓電材料層（10）上、下表面產生電荷，實現俘能作用；②在外界振動作用下，質量塊（5）和磁鐵（3）相對于第一線圈（4）和第二線圈（16）發生振動，第一線圈（4）和第二線圈（16）中的磁通量發生變化，進而產生電動勢，實現俘能作用；

在制備基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器的過程中，通過優化確定每個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）中的質量塊（5）、第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）以及磁鐵（3）的形狀和尺寸，使每個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）分別具有不同的諧振頻率，并且每個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的頻響之間有交集，將多個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）組合后，即可實現寬頻帶俘能效果；

當所述的基于MEMS的動磁鐵型電磁-壓電復合式寬頻俘能器工作在設計的較寬頻率范圍內時，不同頻率的振動總能激發一個MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）工作，達到振動俘能的效果，當工作頻率等于MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的諧振頻率時，俘能效果最佳；

當外界振動引起質量塊（5）和磁鐵（3）相對于第一線圈（4）和第二線圈（16）發生振動時，根據壓電效應和電磁感應定律，第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）上的PZT壓電材料層（10）以及第一線圈（4）、第二線圈（16）同時輸出電流、電壓，并且PZT壓電材料層（10）能輸出較大的電壓，而第一線圈（4）和第二線圈（16）則能產生較大的電流，即通過同一MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）可同時輸出高電壓和高電流，實現電磁-壓電復合式俘能作用；當PZT壓電材料層（10）的壓電系數越大、厚度越厚、第一結構梁（6）、第二結構梁（12）、第三結構梁（13）、第四結構梁（14）的彎曲變形越大時，輸出的電壓越大；當第一線圈（4）和第二線圈（16）的匝數越多、電阻越小、磁鐵（3）的剩余磁感應強度越強、第一線圈（4）與磁鐵（3）的間距越小、第二線圈（16）與質量塊（5）的間距越小時，輸出的電流越大；同時，當負載電阻和MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）的內阻相等時，MEMS電磁-壓電復合式俘能單元（11）輸出的功率最大。