[實用新型]壓電梁?集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器

有效

• 申請號: 201720864527.8
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN206878724U
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 霍睿;王志東;王偉科;李創業;景來釗
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 董雪

技術領域

本實用新型涉及微能源與自供能的微無線傳感器技術領域，尤其涉及一種壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器。

背景技術

自壓電轉換技術被應用到生活中來，壓電振動能量采集器因結構簡單、能量轉換效率高、并具備小型化、壽命長、無污染、易集成等優點受到了廣大學者的青睞，實現了壓電式能量采集器的從無到有。清華大學微電子學研究所的伍曉明等人將單晶硅作為懸臂梁的材料，在其表面上粘貼薄薄的壓電片材料，并在懸臂梁末端粘貼經濕法刻蝕制備的質量塊，形成硅基壓電懸臂梁能量采集器。在11nm的外界激勵下，測試得到諧振頻率為1673Hz，且輸出功率為0.11μW/cm2。2008年德國的Kuehne設計、制備和測試懸臂梁式壓電能量采集器，得其工作頻率為1kHz，且在0.2g的外界激勵下的其輸出功率為4.28μW。

這類單懸臂梁式采集器的諧振頻率比較高，常達上千甚至上萬赫茲，無法適應低頻振動環境；且其僅能有效轉換諧振點上分布的能量，而對其他頻率點上的能量無法轉換。鑒于此，一些學者開始嘗試降低采集器諧振頻率和拓寬其有效工作頻帶。阿爾伯塔大學的Rezaeisaray設計了一種多自由度的能量采集器，結合有限元分析與實驗數據分析得到其前三階模態分別是71.8Hz、84.5Hz與188.4Hz，能較好的匹配300Hz內的低頻振動環境。Erturk、王光慶、陸躍明等人提出一種基于復合L型壓電懸臂梁的頻帶拓寬方案，通過在傳統懸臂梁結構中增加一個與之垂直且在同平面內的懸臂梁，組成L型懸臂梁；控制其幾何參數使得整個器件的前兩階，甚至前三階模態頻率大小相差不大，且各頻率點上轉換電能的相互疊加，進而在前幾階模態頻率之間形成一個諧振帶，實現更多頻帶上分布的振動能量的有效轉化。

但是，上述技術方案雖然使壓電采集器的性能得到大幅度提升，但仍存在以下不足：

①微型采集器實驗結果與理論結果吻合度較差。微彎曲、微壓痕等實驗證明器件尺寸達到微米級后尺寸效應影響明顯，傳統動力學難以解釋其原因，建立更能準確描述采集器實際運動狀態的動力學模型就顯得尤為迫切。

②器件的諧振頻率較高，與周圍低頻振動環境無法有效匹配。環境振動能量主要分布在300Hz以內，較高的諧振頻率導致采集器無法在低頻振動環境得到有效的激勵，進而無法獲取足夠的能量

③工作頻帶較窄，能量轉換效率低。采集器僅在諧振頻率點上才能高效轉換能量，在其他頻率分布基本不能轉換能量。

實用新型內容

本實用新型的目的就是為了解決上述難題，提供了一種采用壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器，該結構兼顧低諧振頻率和寬工作頻帶需求，能夠更好的適應周圍的振動環境，進而轉換更多的能量，提高能量的轉換效率。

為實現上述目的，本實用新型的具體方案如下：

一種壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器，包括：懸臂梁和n個質量塊；所述懸臂梁的一端為固定端，另一端為自由端；在所述懸臂梁上按照設定間隔分別固定質量塊，所述質量塊將懸臂梁分成n段，每一段懸臂梁的末端部均固定有質量塊，其中，n為正整數。

進一步地，所述懸臂梁的上下表面分別附有PZT壓電材料涂層，PZT壓電材料涂層的上下表面分別粘貼銅電極。

進一步地，所述每一段懸臂梁的長度以及寬度根據實際應用情況進行調整。

進一步地，在外界激勵下，采集器發生振動，結構中懸臂梁發生彎曲變形，進而使得PZT材料也產生形變，從而將環境中的振動機械能轉換為電能，通過后續供電電路輸出電能。

進一步地，以w_i(x,t)(i＝1,2,…,n)表示各段懸臂梁在加速度激勵下的橫向振動位移，則各w_i(x,t)滿足微分方程：

ρ_iA_iw_i，tt+(E_iI_i+μA_il²)w_i，xxxx＝0 (i＝1,2,...,n)；