[發明專利]基于柔性主梁的振動能量采集器拾振結構

有效

• 申請號: 201310674709.5
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103633879A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 李朋偉;王艷芬;李剛;胡杰;劉穎;桑勝波;張文棟
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及的是一種微機電系統技術領域的裝置，具體是一種振動能量采集器拾振結構。

背景技術

便攜式電子器件和無線傳感網絡在過去幾十年得到了快速的發展，尤其在人體健康檢測系統、環境控制系統、嵌入式系統、軍事安全應用系統和野外動物跟蹤器件等方面得到了廣泛的應用。通常上述器件依靠傳統的化學電池提供能量，而傳統的化學電池作為供能方式存在諸多弊端，如體積大、質量大、供能壽命有限、需要定期更換以及污染環境等。因此，為了獲得長期甚至無限生命周期的自主供電系統，國內外研究者從周圍環境中收集能量以便給電子器件供電，目的是取代傳統電池為微機電系統（MEMS）和低功耗的無線傳感網絡供電。

機械振動能是環境中普遍存在的一種能量形式，廣泛存在于普通家庭電器(冰箱、微波爐等)、工業機械設備(車床、移動式升降臺等)、交通運輸(高鐵、飛行器等)、工程建筑以及生物體活動中等。振動式發電機可將其提取并轉換為可直接使用的電能。壓電振動能量收集裝置以其結構簡單、清潔環保及易于微型化等諸多優點而得到了極大重視。

由于通常環境中振動源的本征頻率較低（1KHz以下甚至低于100Hz），且往往分布在一個較寬的頻帶內。解決壓電能量采集器的固有頻率與環境振動頻率的匹配問題以及增加能量采集裝置的頻帶大小是實現壓電能量采集器商業化的關鍵問題之一，同時也是國內外科研工作者研究的熱點所在。近年來，研究者通過不斷改變選用材料和能量采集器的結構來降低系統工作頻率、拓寬工作頻帶。

華中科技大學的薛歡等于?2008?年提出了懸臂梁陣列結構，懸臂梁大小各不相同，其一階共振頻率也參差不一，研究人員特意通過調整結構參數使它們的一階共振頻率非?？拷斔鼈兪芗町a生電信號時，頻響發生重疊，從而有效增加了器件的帶寬，也增大了輸出功率。雖然這種方法使得頻率有所拓寬但是固有頻率在90-110Hz范圍內，與環境振動源相比仍然較高。韓國科學技術院的Min-Ho?Seo等于?2012?年提出應用彈性材料降低頻率的方法，并設計了通過彈性梁來降低高模態諧振頻率的多諧振能量采集器。該采集器應用了彈性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS），該材料楊氏模量小，彈性好。通過將附有質量塊的單懸臂梁粘結固定在PDMS主梁上，主梁振動帶動懸臂梁的振動，使得二階模態諧振頻率降低、頻帶拓寬。但是這種結構有效頻帶間距大，高階模態輸出功率小。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于柔性主梁的低頻、寬帶振動能量采集器拾振結構，使得采集器能夠在低頻環境下獲得較大的功率輸出，并解決傳統壓電器件工作頻帶較窄的問題。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種基于柔性主梁的振動能量采集器拾振結構，包括柔性主梁、壓電懸臂梁和質量塊。柔性主梁為矩形框狀結構，中部開有矩形孔；壓電懸臂梁一端粘結固定在柔性主梁的上表面，另一端在矩形孔上方懸??；質量塊粘附在壓電懸臂梁的懸浮端；若干壓電懸臂梁分別在矩形孔兩側呈叉指狀平行于矩形孔短邊等間距排列。

所述的壓電懸臂梁包括基板和壓電層，壓電層用導電銀膠固定在基板上的后端表面，基板前端粘附質量塊。

柔性主梁采用低楊氏模量（0.001-70GPa）、高結構彈性的高分子材料，本發明優選選自PDMS、天然橡膠和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中的一種。

基板選用彈性模量（70-170GPa）小且強度大，能承受較大形變的材料，本發明優選選自鋁、磷青銅和單晶硅中的一種。

壓電層選用壓電性強、介電常數高的壓電材料，本發明優選選自?PVDF、PZT和ZnO中的一種。

質量塊選用密度較大、廉價、易加工的金屬材料，本發明優選選自鐵和鎳中的一種。

作為另一種優選的方案，壓電懸臂梁的個數大于三個。

本發明的工作原理為：柔性主梁兩端固定，當把本發明置于振動環境時，在外界振動的激勵下，柔性主梁的固定端振動并帶動整個柔性主梁振動，進而使粘結固定在柔性主梁上表面的壓電懸臂梁一起振動，壓電懸臂梁通過在振動中發生形變將機械振動能轉化為電能。

與現有技術相比，?本發明具有以下有益效果：

采用柔性主梁。柔性主梁的楊氏模量小、結構彈性高。本發明與現有的壓電能量采集器相比，采用柔性主梁為基底更容易感受振動，并將振動傳遞給壓電懸臂梁，從而降低了各個帶有質量塊的壓電懸臂梁的固有頻率，可以在100Hz以下的超低頻率范圍內實現寬帶振動能量采集。