[發明專利]基于鐵磁懸臂梁的低振動閾值監控二級能量采集器

有效

• 申請號: 201610947457.2
• 申請日: 2016-10-26
• 公開（公告）號: CN107994807B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 李昕欣;何啟盛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 31219 上海光華專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種基于鐵磁懸臂梁的低振動閾值監控二級能量采集器，包括固定架，及固定在固定架內的第一級低頻振子和第二級高頻振子；第一級低頻振子包括：第一端固定在固定架一側，第二端為自由端的第一懸臂梁；位于第一懸臂梁第二端第一表面的永磁體；位于第一懸臂梁第二端第二表面或永磁體上表面的質量塊；第二級高頻振子包括：第一端固定在固定架另一側，第二端為自由端的第二懸臂梁；位于第二懸臂梁第一表面的壓電薄膜；其中，第一、第二懸臂梁為鐵磁懸臂梁，且第一懸臂梁的第二端和第二懸臂梁的第二端之間設有預設距離。通過本發明所述的二級能量采集器，解決了現有技術中二級能量采集器功能單一、以及感應小振幅、低加速度振動效率低的問題。

技術領域

本發明屬于微機械傳感器領域，特別是涉及一種基于鐵磁懸臂梁的低振動閾值監控二級能量采集器。

背景技術

目前，隨著物聯網技術的發展，越來越多的電子設備被接入網絡中。而無線傳感節點具有布設方便(便攜性)、獨立工作等優點，被廣泛運用在可穿戴電子消費品、建筑物健康監控和智能城市等領域中，以獲取關鍵監控信息或者海量的數據。

無線傳感節點通常包含電源模塊、控制器模塊(MCU)、傳感模塊和無線通信模塊，這些模塊中控制器模塊和傳感模塊需要頻繁工作，才能降低遺漏監控信息的可能性，提高節點的可靠性，這就增加了電池的電能損耗。因此，電池壽命短、更換電池不便等問題是制約傳統無線傳感節點快速發展的重要原因。

隨著器件功耗的不斷降低，基于振動能量采集器的無源無線傳感節點能夠克服電池供電的許多問題，實現長期工作。這類傳感節點中的能量采集器通過壓電效應、電磁感應效應、靜電感應或摩擦起電效應，把機械能轉換成電能。但是，這類能量采集器普遍采用的線性懸臂梁結構，存在頻率響應不夠寬、低頻特性不夠好等問題。

為了克服能量采集器的低頻寬帶性能上的不足，能量采集器開始采用二級結構，其中第一級結構感應環境振動，通過接觸或非接觸的方法激發第二級結構振動，第二級結構具有發電功能。如中國專利中公開號為CN201310234498的專利，公開了一種二級振動式寬頻帶能量采集器，包括了兩個尖端磁耦合的懸臂梁，利用非線性效應和兩懸臂梁諧振頻率的疊加，拓寬了頻率響應范圍；同時，該結構具有振動幅度閾值驅動發電的功能，只有外界振動幅度到達閾值，器件才能被觸發，進入發電狀態，否則處于休眠狀態。其中，該閾值可以通過改變磁鐵間距來設定。但是，通常環境的振動加速度小于1g(g＝9.8m/s2)，即振動閾值小于1g，例如手臂擺動和橋梁振動。在這樣的應用中，二級能量采集器的磁鐵相互耦合作用力不能太強，而兩個磁鐵間磁力相互作用減弱之后，磁力的空間變化變平緩，這就造成第二級懸臂梁在觸發后諧振的效果不理想，發電效率較低。因此該結構不利于應用在小振幅、低閾值振動監控中，而且改變磁鐵間距會影響耦合作用力的極值，使得不同振動閾值的能量輸出變化較大。

鑒于此，有必要設計一種新的基于鐵磁懸臂梁的低振動閾值監控二級能量采集器用以解決此問題。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于鐵磁懸臂梁的低振動閾值監控二級能量采集器，用于解決現有技術中二級能量采集器功能單一、以及感應小振幅、低加速度振動效率低的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基于鐵磁懸臂梁的低振動閾值監控二級能量采集器，所述二級能量采集器包括固定架，以及固定在所述固定架內的第一級低頻振子和第二級高頻振子；

所述第一級低頻振子包括：

第一懸臂梁，所述第一懸臂梁的第一端固定在所述固定架的一側，所述第一懸臂梁的第二端為自由端；

永磁體，所述永磁體位于所述第一懸臂梁第二端的第一表面；

質量塊，所述質量塊位于所述第一懸臂梁第二端的第二表面或所述永磁體的上表面；

所述第二級高頻振子包括：