[发明专利]一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器

说明书

本发明提供了一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其中，内圈永磁体质量块设置于内圈可动平台处，内圈可动平台通过内圈非线性弹簧固定在外圈振子内缘；外圈质量块设置于外圈可动平台处，外圈可动平台通过外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘。支撑块上开有贯通的通孔。平面线圈设置于支撑块下表面。内圈永磁体质量块上下运动，改变通过平面线圈的磁通大小，从而实现振动能量到电能的转换。本发明通过独立改变内圈振子与外圈振子参数，可以实现两个非线性模态之间间距与单个非线性模态带宽特性的调整，可以显著增加振动能量采集器工作带宽，且器件易于集成化制造。

技术领域

本发明涉及微尺度环境振动能量采集器技术领域，具体地，涉及一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器。

背景技术

振动能量采集器将环境中的振动能通过不同的机制(电磁式、静电式、压电式与摩擦发电式)转换为电能以驱动电子器件工作。其中电磁式振动能量采集器以其低输出阻抗，高输出电流，可在恶劣环境中稳定工作得到了较多的关注，在可植入式医疗健康监测设备，无线传感器网络节点，无人值守传感器的供电中有着广泛的应用前景。

目前微型化振动能量采集器存在工作带宽较窄，输出功率较低的问题，极大的限制了其工程化应用。现有研究或者利用多模态机制，或者利用非线性机制拓宽振动能量采集器的工作带宽，大多局限于使用单一机制实现宽频能量采集。已有研究中的多模态结构通过在特定频带范围内产生多个线性模态，拓宽工作频带，但是无法克服模态之间能量输出几乎为零的“低谷”，因此难以利用多模态有效采集振动能量的频率范围。已有研究中的非线性结构，如基于磁力非线性和止挡块非线性机制，主要对振荡结构的第一阶振动模态进行频带拓宽，但在级联工况下，各级非线性结构之间存在窜扰现象，因此难以对级联状态下的非线性结构进行独立调整，进而达到拓宽工作带宽的效果，且现有研究需要基于复杂三维结构引入非线性，难以集成制造。如何综合应用多模态和非线性机制拓宽能量采集器带宽，并实现集成制造，已成为亟待解决的关键问题。经过对现有技术文献的检索发现，K.Tao等人在《Journal of Microelectromechanical Systems》(微机电系统杂志)，撰文“Investigation of Multimodal Electret-Based MEMS Energy Harvester withImpact-Induced Nonlinearity”(基于止挡块非线性效应的多模态微型振动能量采集器)，提出了一种整合基于止挡块非线性效应与多模态结构的宽频振动能能量采集器。作者一方面利用二自由度多模态结构，产生两个间距较近，功率输出接近的模态；另一方面将基于止挡块的非线性效应引入内部共振系统，实现其中一个模态的工作频带的拓宽。最终实现非线性响应与线性响应的组合，和传统使用单一拓频方法的研究相比，极大的拓宽了振动能量采集器的工作范围。以上设计方案虽然整合利用非线性与多模态结构特点，实现了工作频带的拓宽，但是仍然存在以下不足：

首先，基于止挡块或磁力非线性机制难以实现级联工况下各级非线性的独立调整，因此难以消除模态之间功率输出近似为零的“低谷”，极大的限制了能量采集器在复杂的频率环境下稳定采集能量的性能。

其次，需要复杂的三维结构引入基于止挡块与磁力的非线性效应，因此相关研究只能将非线性效应引入其中一阶模态，无法同时将非线性响应引入多个模态，极大的限制了能量采集器工作频带的进一步拓宽。

另一方面，用于引入非线性复杂的三维结构，也限制了利用半导体工艺缩小器件体积的可行性。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，兼顾了微尺度下调节多个非线性模态间距与调节单个非线性模态频带宽度的要求，能够充分利用多模态结构与非线性机制在拓宽器件工作频率范围方面的作用，从而提高振动能量的收集与转换效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：