[实用新型]基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器。

背景技术

无线传感器网络被人们视为是在多种应用环境中连续收集数据的一种重要方法，当传感器节点分布广泛、数量巨大时，其难点之一是如何为传感器节点供电。许多应用要求传感器节点小于1角硬币，利用钮扣型电池供电，但电池有限的能量限制了无线传感器网络的稳定性、使用寿命和应用范围。目前，解决该问题的方法包括了节能算法和协议，以及环境能量采集。无线传感器网络各层次的节能协议只能在一定程度上延长传感器网络的寿命，无法从根本上解决能量有限的问题。而通过发掘能量捕获的潜力――把周围环境中的能量转化为传感器可以使用的电能，能够有效解决传感器节点的供电问题。由于振动能量在自然环境中存在最为广泛，受环境的约束也最小，而压电式能量收集器具有体积小、能量密度高、寿命长，不需要外加电压源、与微机械制造工艺相兼容等诸多优点，从而使基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器得到广泛的应用。

无线传感器网络节点正常工作所需的供电电压在1.8-3.3V的范围（视具体的芯片而定），待机状态下的工作电流约为几微安，工作时的电流约为几毫安。微型压电式能量收集器由于结构尺寸较小，其固有振动频率基本处于几千赫兹的范围，但自然环境中存在的振动频率主要集中在低于几百赫兹的范围，因此，微型压电式能量收集器无法与外界振动形成共振，导致输出功率一般只有微瓦量级，不能提供无线传感器网络节点正常工作所需的功率，这是阻碍其发展的主要原因之一。如何从结构上进行改进，降低微型压电式能量收集器的固有振动频率，使其与自然界环境振动频率相当从而产生共振，提高系统的输出功率，成为微型压电式能量收集器的重要研究方向之一。

发明内容

为了解决目前的现有的能量收集器无法与外界振动形成共振导致输出功率一般只有微瓦量级、不能提供无线传感器网络节点正常工作所需的功率的问题，本实用新型提出了一种能够与环境中存在的低频振动驱动源产生共振的能量收集器、提高其输出功率、满足无线传感器网络节点正常工作所需的供电电压的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器。

本实用新型所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：包括基座、悬梁臂、质量块以及能量储存电路，所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相邻的直臂梁之间通过连接件连接形成整条仅剩一个头端和一个末端的悬臂梁，所述的头端固定在所述的基座上、末端安装质量块；两根相连的直臂梁之间有且仅有一个连接件，并且所有的直臂梁和连接件共平面；

所述的能量储存电路包括第一桥式整流二极管D₁、第二桥式整流二极管D₂、第三桥式整流二极管D₃、第四桥式整流二极管D₄、同时兼顾滤波的功能的存储电解电容C、负载电阻R_L，所述的第一桥式整流二极管D₁的P端和第四桥式整流二极管D₄的N端的接点与外接悬臂梁的上电极的第一端口相连；所述的第二桥式整流二极管D₂的P端和第三桥式整流二极管D₃的N端的接点与外接悬臂梁的下电极的第二端口相连；第一桥式整流二极管D₁的N端和所述的第二桥式整流二极管D₂的N端的接点与存储电解电容C的正极相连；第三桥式整流二极管D₃的P端和第四桥式整流二极管D₄的P端的接点与存储电解电容C的负极相连；所述的负载电阻R_L并接在存储电解电容C的两端，所述的存储电解电容C的正极作为输出电压的正端、负极作为输出电压的负端。

所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，其中第一根直臂梁的末端与第二根的直臂梁的末端相连、第二根的直臂梁的前端与第三根的直臂梁的前端相连，以此类推直至最后一根直臂梁的前端与上一根相邻的直臂梁的前端相连，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座上、最后一根直臂梁的末端安装质量块。

所述的直臂梁的横截面为矩形。

所述的悬臂梁为矩形结构。