[發明專利]一種基于層級負泊松比結構的壓電俘能器

有效

• 申請號: 202111560605.2
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114244186B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 高強;殷國棟;王一帆;張寧
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 郝雅潔

本發明涉及一種基于層級負泊松比結構的壓電俘能器，包括彈性基體，其一端為固定端，另一端為自由端，彈性基體的結構包括彈性基板段和負泊松比結構段，負泊松比結構段的兩側分別設有壓電陶瓷；負泊松比結構段由多個單胞結構周期性排列而成，單胞結構包括一個內凹六邊形結構和六個內凹四角形結構，內凹四角形結構的中心分別位于內凹六邊形結構的六個頂點；內凹六邊形結構和內凹四角形結構均為上下、左右對稱式結構；彈性基板段和負泊松比結構段連接為一體式或一體式成型。本申請在彈性基體中引入層級負泊松比結構，負泊松比效應更加顯著，在保證外形不變的前提下，增大了俘能器振動時的變形量，降低了俘能器的諧振頻率，提高了輸出功率。

技術領域

本發明涉及機械振動能量回收裝置技術領域，尤其是一種基于層級負泊松比結構的壓電俘能器。

背景技術

無線傳感器、微機電系統等微執行器廣泛應用于工業系統中，用于工業環境監控和檢測。這些微電子器件都依賴于電池供能，目前多為傳統電池供能，對于傳統電池，其具有能量有限、常需更換、污染環境和壽命短等缺點。環境能量俘獲技術可將環境中的機械動能、光能、熱能等直接轉換成微電子器件的供能能源，實現微電子器件的自供能。其中，基于正壓電效應的環境振動俘能方法具有結構簡單、不發熱、無電磁干擾等優點。壓電俘能器是基于正壓電效應的環境振動俘能方法常用的實施裝置。

現有技術中，壓電俘能器的結構類型主要有懸臂梁結構、圓形結構、拔型結構等。其中，懸臂梁結構由于結構簡單易于實現，是俘能器最常用的結構形式。俘能器能夠俘獲能量的前提是其諧振頻率與環境振動源頻率相匹配，而實際中的俘能器的諧振頻率往往高于環境振動源的頻率(200hz以下)，如果通過增長長度來降低諧振頻率，則長度過長不利于微型化，如果通過增加重量來降低諧振頻率，則振動源長期振動下可能會引起壓電陶瓷的斷裂，降低俘能器的使用壽命，另外，傳統的壓電俘能器由于振動時變形量較小，輸出的能量密度較低，不能夠滿足微電子器件的供能需求。因此，需要改進俘能器的結構，讓具有較低的諧振頻率和較高的輸出特性，實現微電子器件的自供能。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于層級負泊松比結構的壓電俘能器，目的是降低俘能器結構的諧振頻率，提高俘能器俘獲能量的水平。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于層級負泊松比結構的壓電俘能器，包括彈性基體，其一端為固定端，另一端為自由端，所述彈性基體的結構包括彈性基板段和負泊松比結構段，所述負泊松比結構段的兩側分別設有壓電陶瓷；

所述負泊松比結構段由多個單胞結構周期性排列而成，所述單胞結構包括一個內凹六邊形結構和六個內凹四角形結構，所述內凹四角形結構的中心分別位于所述內凹六邊形結構的六個頂點；

所述內凹六邊形結構和所述內凹四角形結構均為上下、左右對稱式結構；

所述彈性基板段和所述負泊松比結構段連接為一體式或一體式成型。

進一步技術方案為：

所述內凹六邊形結構由左右側的兩條長邊和上下側的各兩條短邊連接而成，且每側的兩條短邊連接形成一內凹頂點；

所述內凹四角形結構包括由八條等長側邊圍成的大內凹四角形、以及由所述大內凹四角形向內等距形成的與之全等的小內凹四角形；相鄰兩側邊的連接點為內凹頂點或外凸頂點，相鄰兩側邊之間的內凹夾角e為120°-150°。

所述負泊松比結構段由多個單胞結構周期性排列而成，排列方式為：

將初始單胞結構以間距b沿水平方向復制，即水平方向上相鄰兩個單胞結構共用一長邊及其上下兩端的內凹四角形結構；

將初始單胞結構沿豎直方向先移動(a+c)/2，然后水平方向移動b/2，再以間距b沿水平方向復制，即豎直方向上相鄰兩個單胞結構錯位b/2布置，且共用一條短邊及其左右兩端的內凹四角形結構；