[发明专利]一种超声能量收集器

说明书

本发明公开了一种超声能量收集器，包括：固定框架、质量块和叉指电容器；所述的质量块设置于固定框架的中心位置，所述的固定框架和质量块之间连接若干叉指电容器，当中心圆盘收到来自多维方向的超声激励时，叉指电容器可以分别改变电极板的距离或重叠面积，继而改变电容，从而产生电荷变化，因此可以实现多维能量收集。本发明采用的是超声激励，具有主动调频，不受外界环境影响，且对人体无害，能量收集效率较高；本发明兼具了多方向的能量收集，谐振频带宽，能量收集效率高以及输出高的特点。

技术领域

本发明公开了一种超声能量收集器，涉及能量收集器技术领域。

背景技术

在环境能量收集领域中，能量收集效率是一个很重要的评估因素，而衡量收集效率的总体来说就是多方向，宽频带以及高输出。如一种多方向宽频带压电能量收集器专利号CN202011035650.1，该收集器能在平面内二维收集环境中具有一定频带宽度的振动源能量，同时提高了能量收集效率，扩宽了能量收集的适用范围，增强了实用性。又如一种压电能量收集器专利号ZL 201721765738.2，该能量收集器采用了一定弧度的圆弧型结构设计。当环境震动作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器从而产生电势。该收集器可以收集顶部以及侧边的振动能量。又如一种多自由度圆弧型压电能量收集器专利号CN201810408685.1，该多自由度圆弧型压电能量收集器一阶谐振频率较低，频率间距较短，能够三维方向上吸收能量，且具有易于集成化、微型化等优点。然而振动能收集技术存在不能进行全向收集，谐振频带较窄，输出比较低的问题，尤其是不能主动调频。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种超声能量收集器，可多方向收集；且频带宽、效率高、器件稳定性强。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种超声能量收集器，包括：固定框架、质量块和叉指电容器；所述的质量块设置于固定框架的中心位置，所述的固定框架和质量块之间连接若干叉指电容器，所述的叉指电容器包含：第一悬臂梁、第二悬臂梁和电极，所述的第一悬臂梁的一端连接于质量块上，第二悬臂梁的一端连接于固定框架，第一悬臂梁和第二悬臂梁上连接电极，且悬臂梁上的电极以叉指形状排列，当质量块收到来自多维方向超声激励时，叉指电容器分别改变电极的距离或重叠面积，继而改变电容，从而产生电荷变化，收集多维能量。

进一步的，所述的多维方向包括：质量块的X、Y、Z以及旋转方向。

进一步的，第一悬臂梁和第二悬臂梁相平行设置。

进一步的，所述的固定框架呈正方形设置，所述的质量块为圆盘形结构，所述的叉指电容器设置有四组，每组叉指电容器分别连接于固定框架的一个边框上。

进一步的，所述的第一悬臂梁与固定框架的边框中心线均经过质量块的中心。

进一步的，所述的第二悬臂梁设置有两个，两个第二悬臂梁对称设置在第一悬臂梁的两侧，所述的第一悬臂梁的两侧分别对称设置4根电极，两个所述的第二悬臂梁的一侧设置4个电极，第一悬臂梁与第二悬臂梁上的电极以叉指形状排列。

进一步的，所述固定框架、质量块、第一悬臂梁和第二悬臂梁采用低阻硅材料制备，所述电极采用铜材料制备，本发明中固定框架材质采用低阻硅，导电性能较好，便于测量电容；且本发明中可以采用改变中心圆盘质量块和电极的尺寸从而实现宽频带收集，超声能量利用率和转化效率显著提高。

工作原理：

当入射超声波对能量收集器进行X方向激励时，中心圆盘质量块收到激励产生机械位移，从而带动与中心圆盘质量块相连的4个第一悬臂梁的运动，与X方向平行的2组叉指电容器的电极板重叠面积发生变化，与X方向垂直的2组叉指电容器的极板距离发生变化，这两者都可以改变电容，从而产生电荷。