[实用新型]一种多级耦合结构的振动能量收集器

说明书

本实用新型公开了一种多级耦合结构的振动能量收集器，包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合。本实用新型通过采用悬臂梁多级耦合的连接方式，并使得不同级之间的弹性系数不同，从而拓宽能量收集器的频带范围。

技术领域

本实用新型涉及能量收集领域，具体涉及一种多级耦合结构的振动能量收集器。

背景技术

随着科技的发展，人们生活水平的提高以及国家的大力支持，物联网取得了极大的发展，也成为各高校、研究机构及公司研究的热点。其中，无线传感网络（WSN）为物联网的关键，为物联网提供物质的信息。无线传感网络的传感器节点具有数量大、体积小的特点，需要小型的、持久供能的能量供给模块。而基于环境能量收集（Energy Harvesting）的MEMS微能源从理论上讲，可以为无线传感器节点提供取之不尽的能量，因此无论是学术界还是工业界，都对基于微纳能量收集的自供电技术产生了极大的兴趣。

此外，振动能量是自然界中最普遍存在的一种能量，收集的方式包括压电式、电磁式静电式等。压电式能量收集器一般采用悬臂梁结构，与其他方式的收集方式相比，具有相当简单的结构，能量密度高，可采用微机械（MEMS）加工工艺制作等优点，成为近年能量收集器领域的热点。

目前大部分基于压电效应的振动能量收集器都存在着一些缺点:(1)目前现有的压电能量收集器的输出电压/功率过低，难以满足能量存储及驱动器件的要求;(2)工作带宽较窄，只能在共振频率附近很小范围内才有较大输出。基于此，一些专利也提出了一些解决办法。如中国专利CN103647475A（公开日：2014.03.19）采用尖端与基底碰撞发生变形，从而带动压电片发生变形，进而产生电荷的方式进行能量收集。该收集器的尖端需与基底发生碰撞，尖端强度本就较小，多次碰撞会导致损坏。中国专利CN105262371A（公开日：2016-01-20）采用不同参数结构的收集单元阵列来拓宽频带范围。该方式的能量收集器的各个收集单元谐振频率不同，因此无论工作在哪个频率上，阵列中其他能量收集单元由于振动的频率不是其谐振频率而处于停滞工作状态，所以该能量收集器的总体工作效率较低。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种多级耦合结构的振动能量收集器，采用悬臂梁多级耦合的连接方式，并使得不同级之间的弹性系数不同，从而拓宽能量收集器的频带范围。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多级耦合结构的振动能量收集器，包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合。

进一步地，每个悬梁结构上的悬梁臂通过横梁相耦合，所述横梁连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块。

作为其中一个实施方式，每个悬梁结构上的悬梁臂通过横梁相耦合，所述横梁的还连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块；每个悬臂梁结构的悬臂梁连接于同一质量块，该质量块还连接于所述横梁。

作为另一种实施方式，其中一个悬臂结构的悬臂梁为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂结构的呈三角形结构的悬臂梁位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁的自由端连接于一质量块，而另一三角形结构的悬臂梁的固定端的固定端连接于该质量块，自由端则连接有另一质量块。

作为另一种实施方式，悬臂梁呈三角形结构，其中一个悬臂梁的自由端连接于方框形状的质量块，所述方框形状的质量块内连接于另一三角形结构的悬臂梁的固定端，该悬臂梁的自由端连接有质量块。