[發明專利]壓電-電磁復合式振動能量收集器及其制備方法

有效

• 申請號: 201711292705.5
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN107947633B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 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: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李明

本發明提供了一種壓電?電磁復合式振動能量收集器及其制備方法，該振動能量收集器包括相互堆疊的第一襯底、第二襯底和第三襯底；所述第一襯底、所述第三襯底經刻蝕分別形成第一、第二懸臂梁結構，其中所述第一襯底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方為第一懸臂梁結構，所述第三襯底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方為第二懸臂梁結構；所述第二襯底的上、下表面相對應的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，以組裝形成三組不同諧振頻率的拾振結構。通過該制備方法所制備的振動能量收集器具有高的能量收集效率、輸出功率和輸出功率密度(W/cm²)，還具有尺寸小、精度高、易于批量制造、制造成本低以及易于小型化的優點。

【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，尤其涉及一種基于壓電效應和電磁感應原理的復合式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。

根據不同的工作原理，振動能量收集器包括靜電式、壓電式及電磁式等幾種類型，其中，靜電式能量收集器需要額外輔助電源才能將動能轉換為電能，其結構和操作復雜，因此，基于壓電效應和法拉第電磁感應原理的壓電式和電磁式振動能量收集器受到人們的廣泛關注。壓電式和電磁式能量收集器各有優缺點：壓電式能量收集器輸出電壓高，但輸出電流低；電磁式能量收集器恰與之相反。因此，將壓電式和電磁式能量收集器相復合，充分發揮兩者的優勢，是提高能量收集器輸出功率的有效方式。目前，壓電-電磁復合型振動能量收集器通常為諧振型，即只有當收集器中拾振結構(如懸臂梁、薄膜等)的固有頻率接近環境中的振動頻率時，收集器才能高效地收集環境中的振動能量。但是，環境中的振動具有頻帶寬且多變的特點，另一方面，目前的壓電-電磁復合式振動能量收集器大多只存在單一的拾振結構(或諧振頻率)，它的能量收集效率較低。因此，有必要提出一種新的復合式諧振型振動能量收集器。

【發明內容】

基于上述問題，本發明提供了一種壓電-電磁復合式振動能量收集器，其包括：

相互堆疊的第一襯底、第二襯底和第三襯底；所述第一襯底、所述第三襯底經刻蝕分別形成第一、第二懸臂梁結構，其中所述第一襯底的下表面形成有第一凹槽、所述第一凹槽上方為第一懸臂梁結構，所述第三襯底的上表面形成有第二凹槽、所述第二凹槽下方為第二懸臂梁結構；

所述第二襯底的上、下表面相對應的位置形成有第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽和所述第四凹槽之間間隔第二襯底薄膜；所述第三凹槽中設置有永磁體；所述第一凹槽與所述第三凹槽相對堆疊，所述第二凹槽與所述第四凹槽相對堆疊；

所述第一懸臂梁結構的外側表面設置有第一壓電-電磁復合拾振結構，所述第二懸臂梁結構的外側表面設置有第二壓電-電磁復合拾振結構。

優選地，還包括設置在所述第一懸臂梁結構末端的第一質量塊，和/或還包括設置在所述第二懸臂梁結構末端的第二質量塊。

優選地，所述第一壓電-電磁復合拾振結構包括設置在所述第一懸臂梁表面的第一壓電層與第一電感線圈層；和/或所述第二壓電一電磁復合拾振結構包括設置在所述第二懸臂梁表面的第二壓電層與第二電感線圈層；所述第一壓電層、所述第二壓電層分別與所述第一電感線圈層、所述第二電感線圈層相絕緣隔離。

優選地，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽、所述第四凹槽的表面設置有絕緣層。

優選地，所述第一壓電層包括第一壓電材料層以及形成在該第一壓電材料層的上、下表面的上、下電極；和/或所述第二壓電層包括第二壓電材料層以及形成在該第二壓電材料層的上、下表面的上、下電極。