[发明专利]阵列式复合能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的能量采集器件，尤其是一种阵列式复合能量采集器。

背景技术

近年来，随着智能家居生活的发展、生态环境问题的监测以及灾害预警系统的构建，无线传感网络、嵌入式系统、无线射频识别和各类植入式MEMS传感器等各种高新技术得以迅猛发展。但是，随着研究的不断深入，如何为这些数量庞大且广泛应用于各种环境中的电子器件供电，成为进一步推进其应用的关键问题。由于传统电池工业发展的速度远远落后于集成电路的发展，因此传统的供电方式如电池和有线电源都无法满足要求。一方面，电池寿命短，存储能量有限，并且相对传感器而言体积和质量大；对于成千上万个随机散布在自然环境中的无线传感器节点而言，定期更换电池几乎不可能实现。另一方面，无线传感器节点以及各种医学植入和结构嵌入型微传感器又要求系统脱离电源线和充电器的束缚。必须寻找一种新的电源，使之可以克服在各种微型无线传感产品和嵌入式器件中使用传统电池和有线电源带来的诸多缺点。

能量采集器可以把周围环境存在的能量（包括热能、风能、声能、水能、太阳能、电磁波、光、机械振动能和人类活动能等）的一种或者多种收集起来转换成电能，然后直接给电子器件供电或者存储在电容器、超级电容器或可充电的电池等储能器件中。只要外界存在能量来源，就可以采用这种方法持续补充能量。目前可以用于能量采集的能量源从本质上说主要有三种：电磁辐射能（包括太阳能和射频辐射能）、热能和机械能。振动机械能是一种最容易从周围环境中获得的能量源，可以有多种形式，包括“振动”、“摇动”、“旋转”等等，广泛地存在于家用电器、工业工厂设备、各种可动物体以及人体运动等。因此，振动能量采集器成为可自我维持的新型电源技术研究领域的一个重要方向。目前，基于振动的能量采集方法一般有四种：电磁式、静电式、压电式以及复合式能量采集器。而其中的复合式能量采集器既可以发挥传统采集方式原有的优势，又能取长补短，进一步优化采集器的转化效率以及输出性能。

 另一方面，传统能量采集器一般采用线性共振形式，只能采集特定频率的环境振动，且其带宽通常较窄，输出电压比较低。但在通常情况下，周围环境振动表现为低频、低加速度以及宽频振动。所以，提高能量采集器的输出电压和增大采集频带宽度是有待解决的关键问题。

发明内容

为克服现有的能量采集器输出电压较低，频带较窄等方面的不足，本发明提供一种阵列式复合能量采集器，该采集器不仅能够增大应用频宽，扩大使用范围，而且兼有压电式和电磁式两种采集方式，提高了能量转换效率和能量密度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该能量采集器为悬臂梁振子阵列，它包括五个悬臂梁振子，从左到右依次平行固定于外围结构上，且长度逐渐增加。单个悬臂梁振子包括上层压电悬臂梁、磁性质量块、下层压电悬臂梁和感应线圈，上层压电悬臂梁一端通过键合方式与外围结构固定连接，另一端悬空；下层压电悬臂梁一端通过键合方式与外围结构固定连接，另一端悬空；上层压电悬臂梁与下层压电悬臂梁长度相同，磁性质量块固定于上下压电悬臂梁之间的悬空端；感应线圈绕于磁性质量块周围。

进一步的，压电悬臂梁为压电双晶片结构，即两个压电片贴于支撑层上下表面；压电片为压电陶瓷薄膜，其表面覆盖金属电极层；中间支撑层为柔性的碳素纤维，其长度、宽度与压电片一致；阵列中压电悬臂梁的两个压电片电压输出为并联相连。

进一步的，感应线圈为导电螺旋电感线圈，通过电镀工艺制作于磁性质量块周围。

进一步的，磁性质量块为包含磁性纳米颗粒的长方体质量块。

本发明的有益效果是：整合了压电、电磁能量采集双重理论，可以捕获多种模态的环境振动能量，并且通过阵列式结构拓宽了采集频带宽度，大大提高了能量转换效率；解决了目前能量采集器在低频环境下采集效率低下的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视示意图；

图3是单个悬臂梁结构示意图；

图4是单层压电悬臂梁结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。