[發明專利]磁電/電磁復合式低頻寬帶振動能量采集器

有效

• 申請號: 201310592854.9
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN103560640A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 邱景;文玉梅;李平;陳恒佳
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02K35/00
• 分類號: H02K35/00;H02N2/18
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 侯懋琪;侯春樂

技術領域

????本發明涉及一種微機電系統用換能裝置，尤其涉及一種磁電/電磁復合式低頻寬帶振動能量采集器。

背景技術

微機電系統由于其功耗低、體積小、功能強、可批量生產的特點正在飛速發展，但是與器件體積的微型化問題相比，供電問題成為制約其發展的瓶頸。目前給微機電系統供電的主要手段是電池和供電線，電池存在壽命短、存儲容量有限、環境危害大等問題；供電線存在固件成本較高、更換難度較大以及環境適應性較低等問題。

由于環境中振動能量無處不在且大都處于低頻（100Hz以內），振動能量采集器成為可自我維持電源研究的一大熱點，現有的振動能量采集器的工作方式主要有電磁式、靜電式和壓電式三種；靜電式振動能量采集器若不采用駐極體作電介質，在工作時需要外加電壓驅動，且最重要的是電源管理電路較為復雜，有時采集到的能量還無法滿足電源管理電路自身能耗的需求（典型的靜電式振動能量采集器如中國發明專利：CN101941671A、CN102522915A、CN1547312A和美國專利US7112911B2）。壓電式和電磁式振動能量采集器的優勢是工作時不需要外加電源，但他們又存在各自的缺陷：電磁式能量采集器的輸出特點是感應電流較大，但感應電壓很小，難于驅動外圍電路，雖然使用變壓器或提高線圈圈數以及提高磁場強度等方式可以提高感應電壓，但都會增大器件尺寸，不利于微型化（如中國專利：CN101515746A、CN102694452A、CN1652440A、CN101110545A等）；而壓電式能量采集器的相對尺寸最小便于MEMS加工，輸出特點是感應電壓較大，但感應電流較小，驅動能力仍然不強，例如中國發明專利：CN102983781A、CN103023378A、美國專利US7345407B2、US7414351B2。綜上無論使用哪種單一的振動能量采集方式都不能良好的滿足當前無線傳感產品和微機電系統的供能。

發明內容

針對背景技術中的問題，本發明提出了一種磁電/電磁復合式低頻寬帶振動能量采集器，其結構為：所述磁電/電磁復合式低頻寬帶振動能量采集器由L形支架、磁路機構、換能機構、兩條懸臂梁和豎直梁組成；豎直梁與L形支架的水平段連接，且豎直梁與L形支架的豎直段位于水平段的同側；第一懸臂梁的一端與豎直段連接，第一懸臂梁的另一端與磁路機構連接；第二懸臂梁的一端與豎直梁連接，第二懸臂梁的另一端與換能機構連接；

所述磁路機構上成對設置有多塊磁鐵，每兩塊磁鐵之間形成一條沿水平方向延伸的閉合磁路，多條閉合磁路沿豎直方向分布，當第一懸臂梁和第二懸臂梁發生振動時，換能機構切割閉合磁路；兩條懸臂梁的諧振頻率不同。

本發明的工作原理是：將L形支架固定在外部激勵裝置上，當外部激勵裝置出現振動時，振動能量就會傳遞到磁電/電磁復合式低頻寬帶振動能量采集器上，從而引起第一懸臂梁和第二懸臂梁發生彈性振動，在振動過程中，換能機構就能切割由磁路機構提供的閉合磁路，磁電/電磁復合式換能器就會產生電輸出；另外，這種雙懸臂梁的振動模式可以使裝置的振動特性呈非線性化，現有理論已經證明，非線性振動對帶寬具有拓寬作用，從而起到提高裝置工作帶寬的作用，且提高了裝置對外部振動的敏感性。

優選地，所述磁路機構由支撐板、四個支耳和四塊磁鐵組成；支撐板一側與第一懸臂梁連接，四個支耳設置于支撐板的另一側上；所述四個支耳中，其中兩個支耳的水平高度相同，另外兩個支耳的水平高度相同；四塊磁鐵分別設置于四個支耳的內側面上；水平高度相同的兩個磁鐵形成閉合磁路。

優選地，所述換能機構由線圈筒、層狀復合換能器和橡膠塊組成；層狀復合換能器設置于線圈筒的內孔中，線圈筒內壁和層狀復合換能器之間通過橡膠塊固定。線圈筒和層狀復合換能器均為現有技術中常見的電磁感應裝置，本發明中將二者結合在一起，使二者可以復用同一套振動機構，提高裝置的整合度，使結構利用率得到提升。

優選地，所述層狀復合換能器由高磁導率材料層、壓磁材料層以及壓電材料層復合而成；壓電材料層的上、下面分別粘結壓磁材料層；壓磁材料層外面再粘結高磁導率材料層。其原理是：由于磁場的變化導致磁電換能器中的壓磁材料層發生相應形變，該形變傳遞到磁電換能器中的壓電材料層，由于壓電材料的壓電效應產生電輸出，最終實現機-磁-電的轉換；由于高磁導率材料的匯聚磁場作用，這種采用高磁導率材料、壓磁材料以及壓電材料復合而成的磁電換能器具有比傳統壓磁/壓電復合換能器更強的磁電轉換性能。

為了進一步提高能量采集的效率，優選地，所述換能機構的數量為兩個，兩個換能機構沿豎直方向分布。