[发明专利]基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种振动能量采集器拾振结构。

背景技术

便携式电子器件和无线传感网络在过去几十年得到了快速的发展，尤其在人体健康检测系统、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全应用系统和野外动物跟踪器件等方面得到了广泛的应用。通常上述器件依靠传统的化学电池提供能量，而传统的化学电池作为供能方式存在诸多弊端，如体积大、质量大、供能寿命有限、需要定期更换以及污染环境等。因此，为了获得长期甚至无限生命周期的自主供电系统，国内外研究者从周围环境中收集能量以便给电子器件供电，目的是取代传统电池为微机电系统（MEMS）和低功耗的无线传感网络供电。

机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，广泛存在于普通家庭电器(冰箱、微波炉等)、工业机械设备(车床、移动式升降台等)、交通运输(高铁、飞行器等)、工程建筑以及生物体活动中等。振动式发电机可将其提取并转换为可直接使用的电能。压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。

由于通常环境中振动源的本征频率较低（1KHz以下甚至低于100Hz），且往往分布在一个较宽的频带内。解决压电能量采集器的固有频率与环境振动频率的匹配问题以及增加能量采集装置的频带大小是实现压电能量采集器商业化的关键问题之一，同时也是国内外科研工作者研究的热点所在。近年来，研究者通过不断改变选用材料和能量采集器的结构来降低系统工作频率、拓宽工作频带。

华中科技大学的薛欢等于 2008 年提出了悬臂梁阵列结构，悬臂梁大小各不相同，其一阶共振频率也参差不一，研究人员特意通过调整结构参数使它们的一阶共振频率非常靠近，当它们受激励产生电信号时，频响发生重叠，从而有效增加了器件的带宽，也增大了输出功率。虽然这种方法使得频率有所拓宽但是固有频率在90-110Hz范围内，与环境振动源相比仍然较高。韩国科学技术院的Min-Ho Seo等于 2012 年提出应用弹性材料降低频率的方法，并设计了通过弹性梁来降低高模态谐振频率的多谐振能量采集器。该采集器应用了弹性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS），该材料杨氏模量小，弹性好。通过将附有质量块的单悬臂梁粘结固定在PDMS主梁上，主梁振动带动悬臂梁的振动，使得二阶模态谐振频率降低、频带拓宽。但是这种结构有效频带间距大，高阶模态输出功率小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于柔性主梁的低频、宽带振动能量采集器拾振结构，使得采集器能够在低频环境下获得较大的功率输出，并解决传统压电器件工作频带较窄的问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，包括柔性主梁、压电悬臂梁和质量块。柔性主梁为矩形框状结构，中部开有矩形孔；压电悬臂梁一端粘结固定在柔性主梁的上表面，另一端在矩形孔上方悬浮；质量块粘附在压电悬臂梁的悬浮端；若干压电悬臂梁分别在矩形孔两侧呈叉指状平行于矩形孔短边等间距排列。

所述的压电悬臂梁包括基板和压电层，压电层用导电银胶固定在基板上的后端表面，基板前端粘附质量块。

柔性主梁采用低杨氏模量（0.001-70GPa）、高结构弹性的高分子材料，本发明优选选自PDMS、天然橡胶和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中的一种。

基板选用弹性模量（70-170GPa）小且强度大，能承受较大形变的材料，本发明优选选自铝、磷青铜和单晶硅中的一种。

压电层选用压电性强、介电常数高的压电材料，本发明优选选自 PVDF、PZT和ZnO中的一种。

质量块选用密度较大、廉价、易加工的金属材料，本发明优选选自铁和镍中的一种。

作为另一种优选的方案，压电悬臂梁的个数大于三个。

本发明的工作原理为：柔性主梁两端固定，当把本发明置于振动环境时，在外界振动的激励下，柔性主梁的固定端振动并带动整个柔性主梁振动，进而使粘结固定在柔性主梁上表面的压电悬臂梁一起振动，压电悬臂梁通过在振动中发生形变将机械振动能转化为电能。

与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果：

采用柔性主梁。柔性主梁的杨氏模量小、结构弹性高。本发明与现有的压电能量采集器相比，采用柔性主梁为基底更容易感受振动，并将振动传递给压电悬臂梁，从而降低了各个带有质量块的压电悬臂梁的固有频率，可以在100Hz以下的超低频率范围内实现宽带振动能量采集。