[發明專利]一種電磁式振動能量收集器及其制備方法

有效

• 申請號: 201711292702.1
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108054895B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 黃曉東;黃見秋;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K35/02
• 分類號: H02K35/02
• 代理公司: 32200 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 李明

本發明提出一種電磁式振動能量收集器及其制備方法，該電磁式振動能量收集器包括：相互堆疊的襯底和背板；所述襯底的下表面形成有凹槽，所述凹槽和所述背板形成腔體，所述腔體內設有永磁體；所述襯底的上表面設置有第一電感線圈層，所述背板的下表面設置有第二電感線圈層。通過本發明的制備方法制備的電磁式振動能量收集器具有較高的能量收集效率、高的輸出功率和輸出功率密度(W/cm²)；改善了能量收集器的可靠性和使用壽命；制備工藝簡單，成本低，成品率高，降低了器件的加工難度和成本，并易于實現器件的小型化。

【技術領域】

本發明涉及一種收集環境中振動能量的能量收集器及其制備方法，特別地涉及一種基于法拉第電磁感應原理的非諧振型振動能量收集器及其制備方法。

【背景技術】

能量收集器可拾取環境能量(如輻射、溫差、振動等)并轉化為電能為系統供電。與傳統的電化學電池比較，能量收集器具有經濟、環保且理論上無壽命限制等優點，因此符合能源的未來發展趨勢，非常適合于為物聯網、可穿戴設備等新興領域提供電能。太陽能、電磁輻射、溫差、振動等都是可拾取的環境能源，與其它環境能源相比，振動是一種分布廣泛的能量源，因此，振動能量收集器具有廣闊的發展和應用前景。

在各種類型的振動能量收集器中，基于法拉第電磁感應原理的電磁式振動能量收集器的發展最為成熟。一個典型的電磁式能量收集器主要由電感線圈和永磁體構成，其中，電感線圈或者永磁體設置在懸臂梁等可動結構上，在振動環境中，電感線圈和永磁體發生相對運動，進而在電感線圈中產生感應電流。為了提高能量收集效率，要求該類電磁式能量收集器工作在諧振狀態(即要求收集器中的拾振結構(如懸臂梁)的固有頻率接近環境中的振動頻率)，但是，環境中的振動具有頻帶寬且多變的特點，因此，實際中該能量收集器很難工作在諧振狀態，其能量收集效率較低。此外，該類電磁式能量收集器往往僅能收集單一方向的振動能量，當工作在振動方向隨機變化的環境時，它的能量收集效率很低。

在相關技術文獻中，提出了一種電磁式非諧振型振動能量收集器，在振動環境中，它的拾振結構(可動永磁體)可在設置有電感線圈的腔體內自由運動，無論振動頻率和振動方向如何變化，該能量收集器都具有較高的收集效率。但是，該能量收集器因為腔體設置了電感線圈結構，所以腔體表面非常不平整，這導致可動永磁體在腔體表面運動時會產生的很大摩擦，進而導致可動永磁體的動能通過摩擦生熱而浪費掉(而非轉化為電能)，這降低了能量收集器的收集效率；此外，當永磁體在腔體表面運動時，會對設置在腔體表面的絕緣層及下面的電感線圈造成磨損，因此，該能量收集器的可靠性和使用壽命均有待改善；此外，該能量收集器需要在凹槽這種三維結構表面進行電感線圈的加工，加工難度較大，制備工藝較為復雜，這降低了器件的成品率并增加了器件的制作成本。

基于這些問題，有必要提供一種新的電磁式振動能量收集器及其制備方法，有效改善電磁式振動能量收集器的能量收集效率以及器件的可靠性和使用壽命。

【發明內容】

為了解決上述問題，本發明提供了一種電磁式振動能量收集器，其包括：相互堆疊的襯底和背板；

所述襯底的下表面形成有凹槽，所述凹槽和所述背板形成腔體，所述腔體內設有永磁體；

所述襯底的上表面設置有第一電感線圈層，所述背板的下表面設置有第二電感線圈層。

優選地，所述第一電感線圈層與所述襯底之間、所述第二電感線圈層與所述背板之間設置有絕緣層。

優選地，所述凹槽的表面設置有絕緣層。

優選地，所述第一電感線圈層和/或所述第二電感線圈層為矩形螺旋面結構或圓形螺旋面結構。

優選地，所述永磁體為球體或者圓柱體。

本發明還提供了一種電磁式振動能量收集器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：選擇襯底，刻蝕所述襯底的下表面，形成凹槽結構；