[發明專利]基于駐極體的MEMS電場能量收集器

有效

• 申請號: 201410281164.6
• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104022688A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 黃景傲;伍曉明;邊濰
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

技術領域

本發明屬于能量收集利用技術領域，尤其涉及一種基于駐極體的MEMS電場能量收集器。

背景技術

高壓輸電線路的運行狀態直接決定電網運行的安全和效益，對其運行狀態的實時監測一般通過安裝故障檢測節點的方法。故障檢測節點通常懸掛于架空的高壓線上，采用常規方式對檢測節點供電會存在很大的困難。目前已有如下的方案包括：1)電池，使用電池供電不受周圍環境影響，但是電池壽命有限，需要頻換更換；2)太陽能電池，太陽能電池是一種很好的辦法，但受環境影響較大，使用范圍相當有限；3)高壓電流感應電源，該方法依靠高壓線路中交流電的磁路經過線圈來感應獲得能量，原理類似于變壓器；不足之處在于高壓線路中的電流強度隨用戶用電情況會發生較大的變化，導致能源供應非常不穩定，甚至會存在斷電的可能。

基于以上認識和分析，傳感器檢測節點的電源供應需滿足輸出穩定，不受環境影響，不用人工干預等要求，最好能從承載巨大能量的高壓線自身獲取電能。在這個情況下，我們結合MEMS(Micro-Electro-Mechanical?System，微機電系統)技術，提出基于駐極體的MEMS電場能量收集器。

能量搜集器被視為解決無線傳感器網絡節點供電問題的最佳方案，其自身能搜集利用周圍環境中的各種能源，如熱能、機械能、動能、場能、化學能等等，并將這些能源轉化為電能，實現對外供電。隨著MEMS技術的不斷發展，傳感器件單元工作所需的能量越來越小，也為各類傳感器和能量收集器的加工制造提供可能，因此在解決節點供電問題上具有很大的前景和實際價值。環境中的電場是無處不在的，全世界都基本被工頻輸電網覆蓋，或高壓或低壓或二者皆有。尤其是高壓輸電線周圍，電磁場資源更為豐富；高壓輸電線的電壓是極其穩定的，且高壓對應的周圍電場也很強，蘊藏著充足的場能。如何利用場能成為解決該問題的關鍵。

發明內容

本發明提出的一種基于駐極體的MEMS電場能量收集器，主要由絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體所組成。

所述絕緣基板水平放置于傳感器底部，壓電絲放置在絕緣基板的平行上方。

所述支撐面由絕緣材料做成，垂直固定在絕緣基板上，且和壓電絲保持一定距離。

所述駐極體粘附于支撐面上，用駐極體膠帶或液態駐極體勻膠粘附。

所述壓電絲與外部電路相連。

所述收集器的工作方式如下：

支撐面上的駐極體經過駐極之后，內部電荷會產生相應的感應電荷，從而在周圍產生靜電場；放置于中間的壓電絲在靜電場作用下，發生一個固定的偏轉，即所謂的偏置；在靜電場偏置下的壓電絲對外加電場的敏感性大大增強，當壓電絲在外部電場激勵下振動時，根據壓電絲材料的壓電效應，壓電材料受拉伸或壓縮發生應力應變導致內部電荷流動形成電信號，實現機械能向電能的轉換，并通過壓電絲連接的外部電路完成對電場能量的收集功能。

本發明與已有技術相比的優點：

1)巧妙利用了高壓線本身所傳輸的巨大能量；且高壓線電壓不變，其周圍的電場分布是一個穩定的交變電場，因此收集器能穩定工作，為檢測節點持續可靠提供電源。

2)用駐極體形成了一個內部靜電場，為壓電絲提供了初始偏置，使得壓電絲收到很小的擾動就會振動起來，增強了該系統的靈敏性和輸出能量，尤其是針對低頻且強度較弱的電場。

3)含金屬芯的壓電纖維在靜電場中振動時，根據壓電效應會產生電荷，將機械能轉化為電能；巧妙實現靜電場和振動結合，并可優化達到最大輸出。

4)使用MEMS技術十分有利于系統集成和批量生產，傳感器體積小，同時降低了成本。

附圖說明

圖1為基于駐極體的MEMS電場能量收集器的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明。

本發明提出的一種基于駐極體的MEMS電場能量收集器，如圖1所示，主要由絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體所組成。

絕緣基板水平放置于傳感器底部，壓電絲放置在絕緣基板的平行上方。

支撐面由絕緣材料做成，垂直固定在絕緣基板上，且和壓電絲保持一定距離。

駐極體粘附于支撐面上，用駐極體膠帶或液態駐極體勻膠粘附。

壓電絲與外部電路相連。

本能量收集器的工作方式如下：