CN101399484B - 基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新能源技术领域的定圈式微机械电磁式振动能量采集器，包括：低频拾振台、高频谐振台、垫片和感应线圈，低频拾振台包括：顶盖、上层平面弹簧和起振永磁体和/或软磁体。上层平面弹簧固定在顶盖凹坑的边沿上，上层平面弹簧包括上层中央平台及其周围的上层悬臂梁，起振永磁体和/或软磁体固定在上层中央平台上；高频谐振台包括：边框、下层平面弹簧、谐振永磁体，下层平面弹簧固定在边框上，下层平面弹簧包括下层中央平台及其四周的下层悬臂梁、谐振永磁体固定在下层中央平台上；垫片位于高频谐振台和感应线圈之间；感应线圈绕组固定在绝缘衬底上，在垫片下方固定不动。本发明转换效率高、易于实现批量化集成制造。

Description

基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的采集器，特别是一种基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器。

背景技术

随着微电子技术的日趋成熟，汽车传感、嵌入式系统、RFID(无线射频识别)和无线传感网络等高新技术正在迅速发展。这些技术要求供电部件具有体积小、重量轻、寿命长等特点。目前主要的供电方式是电池和有线电源。电池寿命短，存储能量有限，相对上述器件而言体积和质量大，当工作寿命在几年以上时，基于电池的供电方式难以满足传感器节点的供电需求。无线通信以及各种生物植入和结构嵌入型微传感器又要求系统脱离电源线的束缚，以汽车胎压监测系统为例，通常要求将微能源和压力传感器及信号发送装置一起植入轮胎内部，传统的供电方式显然已无法满足上述新兴技术对电源的特殊要求。必须寻找一种新的电源，使之克服在上述问题。因此，可自我维持微电源的研究成为微能源研究领域的一个重要方向。

振动能量采集器作为一种新型的微电源，可以把系统周围广泛存在的机械振动能转换成电能，从而全天候地为各种低功耗的电子器件供电。目前完全集成制造的微机械电磁振动能量采集器输出功率和电压低，难以满足低功耗器件应用的需求。究其原因，根据理论分析，采集器通常应工作在谐振状态(拾振台的固有频率与环境振动频率相等)，此时受迫振动振幅最大，而输出功率与受迫振动的频率立方及振幅平方成正比。目前自然环境中存在的振动源频率通常都在10～100Hz左右，如果在设计中按照谐振要求将器件工作点(拾振台固有频率)设置在此较低的频率下，当线圈及永磁体尺寸受限时，输出功率和电压都难以满足要求，由于输出功率正比于与频率的立方，如果将工作点从几十Hz提升至几百Hz，则输出功率将提高三个数量级。但改变工作点则难以满足谐振工作条件。因此设计器件时，如果满足谐振条件，则工作点频率过低、若提高工作点频率，则又不满足谐振条件，器件性能受到很大限制。

经对现有技术文献的检索发现，Kulah等在《IEEE SENSORS JOURNAL》(国际电子电工学会传感器学报)，Vol8，No.3，2008，261～268撰文“EnergyScavenging From Low-Frequency Vibrations by Using FrequencyUp-Conversion for Wireless Sensor Applications(利用升频转换从低频振动中收集能量用于无线传感器”)，该文提出采用升频结构来解决上述问题，其基本思路是，利用外界环境低频振动作用下的永磁体吸引位于其下方带有线圈的悬臂梁顶端的软磁体，诱发含有线圈的悬臂梁发生高频振动并切割悬臂梁前方的另一块永磁体所产生的磁力线而产生功率输出，从而将低频环境振动转换为线圈切割磁力线时的高频振动。初步结果表明，在同样的外界振动条件下，采用此方案可以将输出功率提高两个数量级。该设计虽然能够实现升频转换，但由于线圈制作在可动平台上，导致器件制作工艺过于复杂，难以制作多层线圈。由于永磁体要穿过线圈所在平面，因此永磁体占用了大部分面积，在器件面积一定时，限制了线圈绕组的尺寸，包括绕组匝数和绕组长度，因此线圈所能产生的感应电动势也受到限制。同时，由于永磁体占据了大部分面积，悬臂梁的尺寸和形状受到了严格限制，在设计器件结构时，难以通过调整悬臂梁的形状和尺寸来改变悬臂梁的刚度，难以通过改变阻尼孔的大小调整结构内部的阻尼力，进而改变振幅和固有频率，只能在有限的几个频率点上实现升频转换，难以满足几赫兹至几百赫兹这一较宽频谱内的任意频段上利用升频转换高效采集能量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，使其满足对低频振动能量采集效率高、频率适应性好、易于集成制造等方面的综合要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：低频拾振台、高频谐振台、垫片和感应线圈。高频谐振台位于感应线圈上方，高频谐振台位于低频拾振台下方，垫片位于高频谐振台和感应线圈之间。

所述的低频拾振台包括：顶盖、上层平面弹簧和起振永磁体和/或软磁体。顶盖中央有凹坑，上层平面弹簧固定在顶盖凹坑的边沿上，上层平面弹簧包括上层中央平台及其四周的上层悬臂梁，起振永磁体和/或软磁体固定在上层中央平台上，在高频谐振台的正上方。

所述的顶盖上凹坑深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米。

所述上层平面弹簧厚度为10微米-30微米。

所述上层悬臂梁形状为方螺旋型，宽度为50微米-200微米，均布于上层中央平台四周。

所述上层中央平台为方形或圆形，边长3毫米-5毫米。平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔。

所述起振永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于起振永磁体顶面和底面。

所述软磁体形状为立方体或圆柱体。

所述的高频谐振台包括：边框、下层平面弹簧、谐振永磁体，边框中央有通孔，下层平面弹簧固定在边框上，下层平面弹簧包括下层中央平台及其四周的下层悬臂梁、谐振永磁体固定在下层中央平台上，在感应线圈的正上方，谐振永磁体能相对于垫片上下直线运动和/或倾斜摆动。

所述的边框上的通孔深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米。

所述下层平面弹簧厚度为10微米-30微米。

所述下层悬臂梁宽度为100微米-500微米，形状为蛙足型，均布于下层中央平台周围。

所述下层中央平台为方形或圆形，位于上层中央平台正下方，边长1毫米-2毫米，平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔。

所述谐振永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于谐振永磁体顶面和底面，极性与起振永磁体相反。

所述垫片为环形，内缘边长为4毫米至6毫米、厚度为200微米-400微米，谐振永磁体能在此范围内相对于感应线圈上下直线运动和/或倾斜摆动、感应线圈相对于垫片不动。

所述的感应线圈由感应线圈绕组和绝缘衬底构成，位于谐振永磁体的正下方。感应线圈绕组固定在绝缘衬底上，由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10微米-30微米范围内。线圈之间有氧化铝或聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯等绝缘材料。

本发明主要用于高效采集自然界环境中广泛存在的各种200赫兹频率以下的低频振动能。低频拾振台内的悬臂梁比高频谐振台内的悬臂梁软、低频拾振台固有频率低于200赫兹，高频谐振台固有频率高于200赫兹。在受到低于200赫兹的外界低频振动作用时，固有频率较低的低频拾振台会发生谐振，带动起振永磁体和/或软磁体上下运动。当低频拾振台带动带动起振永磁体和/或软磁体向下运动时，起振永磁体和/或软磁体和高频谐振台上的谐振永磁体的距离不断缩小，由于起振永磁体和谐振永磁体极性相反，因此无论是起振永磁体还是软磁体、它们和谐振永磁体之间的磁场力都会随距离的缩小不断增大，会克服下层悬臂梁内部的弹性变形力吸引谐振永磁体向上运动，而下层悬臂梁内部的弹性变形力会随着高频谐振台向上运动而不断增大；当低频拾振台带动起振永磁体和/或软磁体向上运动时，起振永磁体和/或软磁体和谐振永磁体的距离不断增大，起振永磁体和/或软磁体和谐振永磁体之间的磁场力不断减小，当磁场力小于下层悬臂梁内部的弹性变形力时，高频谐振台在下层悬臂梁内部弹性变形力的作用下向下运动，从而导致高频谐振台产生上下振动。由于高频谐振台的固有频率高于200赫兹，因此高频谐振台的振动频率远高于低频拾振台的振动频率，从而将外界环境中的低频振动转化为高频谐振台与固定在高频谐振台下方的感应线圈之间的高频相对运动。

高频谐振台上的谐振永磁体产生的磁力线穿过感应线圈绕组，当谐振永磁体相对于感应线圈绕组发生相对振动、包括谐振永磁体相对于感应线圈绕组的直线运动和摆动时，通过感应线圈绕组的磁通量会发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈中会产生感应电流和感应电动势。

由于感应线圈在高频谐振台下方是固定的，相对于垫片是固定的，而不是在可动平台上，因此在设计线圈时在器件面积内无须设计可动平台的悬臂梁，可以将面积完全用于布置线圈，因此在器件面积一定时，可以获得面积更大、匝数更多的线圈绕组，在相同的振动下产生更大的感应电动势。另一方面，由于感应线圈绕组固定在衬底上，易于制作两层以上的多层线圈，因此可以在线圈面积一定时进一步增加匝数，在相同的振动下进一步增加感应电动势。

由于是通过改变磁通量来产生感应电动势而不是通过切割磁力线来产生感应电动势，谐振永磁体只位于感应线圈绕组的一侧而不穿过感应线圈绕组所在平面；在同等器件面积下，可以在高频谐振台下方布置面积较大、匝数较多的感应线圈绕组，在相同的振动下产生更大的感应电动势。可以在中央平台上设置阻尼孔，改变阻尼孔的位置和边长，可以调整低频拾振台和高频谐拾振台发生振动时受到的空气阻尼力的大小。改变悬臂梁的形状和尺寸，例如将悬臂梁设计成方螺旋形或蛙足形、改变悬臂梁的宽度和/或厚度，就可以改变悬臂梁的刚度；从而调整低频拾振台和高频谐拾振台的振幅和固有频率。根据器件工作点灵活选择中央平台上阻尼孔位置、大小以及悬臂梁的形状与尺寸参数，以满足不同工况对振动频率的要求。

改变低频拾振台上起振永磁体和/或软磁体和高频谐振台上谐振永磁体的尺寸，可以改变振动时低频拾振台和高频谐振台之间的磁场力，也会改变振动时通过感应线圈绕组中磁通量的变化量。在设计器件结构时，需要考虑上述影响因素，合理确定永磁体和/或软磁体的尺寸和位置。

边框、垫片的厚度是根据低频拾振台和高频谐振台的振幅确定的。对于尺寸参数给定的低频拾振台和高频谐振台，理论计算可以求出结构发生共振时低频拾振台与高频谐振台的最大位移。边框的厚度应大于低频拾振台最大位移和高频谐振台最大位移之和，以确保低频拾振台的起振永磁体和/或软磁体与高频谐振台上的谐振永磁体不会在所设计的工况下因为互相吸合而妨碍低频拾振台和高频谐振台的振动。但如果边框厚度太大，由于低频拾振台和高频谐振台距离太远，起振永磁体和/软磁体与谐振永磁体之间的磁场力过小，则难以实现低频—高频转换。垫片的厚度应大于高频谐振台最大位移，以确保高频谐振台上的谐振永磁体不会在所设计的工况下因为与感应线圈接触而妨碍高频谐振台的振动。但如果垫片厚度太大，高频谐振台上谐振永磁体相对于感应线圈绕组发生相对振动时引起的磁通量变化也很小，难以产生足够的感生电动势，因此需要综合考虑升频转换和产生感生电动势的要求来确定合理的框架及垫片厚度。

低频拾振台中的顶盖和感应线圈的衬底把采集器的内部结构和外界环境隔离开来，起保护作用。顶盖中凹坑的深度是根据低频拾振台最大振幅确定的，垫片的厚度是根据高频谐振台最大振幅确定的，当外界的振动作用过大时，起振永磁体和/或软磁体在振动过程中会因为被顶盖挡住而不会产生过大的振幅，从而防止由于起振永磁体和/或软磁体的振幅过大而导致低频拾振台发生破坏或者与高频谐振台上的谐振永磁体吸合。同理，谐振永磁体所在的高频谐振台在振动过程中会因为被感应线圈挡住而不会产生过大的振幅而导致破坏或者与起振永磁体和/或软磁体吸合。因此，顶盖和感应线圈相对于低频拾振台和高频谐振台可以起到限位保护作用。

当本发明的采集器结构受到所处环境中的低频振动作用时，由于低频拾振台和高频谐振台的升频转换作用，谐振永磁体和感应线圈绕组会相对发生高频受迫运动，这会使线圈所在区域的磁场发生改变，进而引起线圈中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈中会产生感应电流和感应电动势。理论计算表明，采集器输出功率与受迫振动的频率立方成正比，由于通过本发明所提出的结构，可以在外界低频振动作用下使谐振永磁体和感应线圈绕组相对发生高频受迫运动，因此与没有采用升频转换结构相比，能够通过提高振动频率明显提高能量采集器的输出电压和输出功率。

本发明的有益效果是：本发明将感应线圈固定在谐振永磁体的下方，在同等器件面积下，可以布置面积较大、匝数较多、层数较多的感应线圈绕组，在升频转换后相同的振动下产生更大的感应电动势；将起振永磁体和/或软磁体与谐振永磁体所在的结构都设计成四周环绕悬臂梁的中央平台，也易于调整悬臂梁的形状和尺寸参数、可以在上下层中央平台上设置阻尼孔，灵活调整阻尼孔位置、大小，以满足不同工况对振动频率的要求，从而在几赫兹至几百赫兹之内的各个频段上利用升频转换高效采集外界振动的能量以获得更高的输出电压和输出功率、具有更高的频率适应性；最后是所设计的固定线圈结构便于采用微机械技术制作，与可动线圈的方案相比，易于制作层数较多的线圈绕组而不需要大量采用昂贵的仪器设备，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于利用集成电路加工技术实现批量化生产。

附图说明

图1为本发明结构的截面示意图

图2为本发明结构的俯视示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：低频拾振台1、高频谐振台2、垫片3和感应线圈4。高频谐振台2位于感应线圈4上方，高频谐振台2位于低频拾振台1下方、垫片3位于高频谐振台2和感应线圈4之间。

如图1、2所示，所述的低频拾振台1包括：顶盖5、金属平面弹簧6和起振永磁体7和软磁体8。顶盖5中央有凹坑，金属平面弹簧6固定在顶盖5凹坑的边沿上，金属平面弹簧6包括上层中央平台9及其周围的两根悬臂梁10，起振永磁体7和软磁体8固定在上层中央平台9上，在高频谐振台2的正上方。

所述的顶盖5上凹坑深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米，可以采用玻璃或单晶硅等材料制作；

所述金属平面弹簧5厚度为10微米-30微米。

所述上层中央平台9为方形，边长3毫米-5毫米。平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔11。

所述上层悬臂梁10形状为方螺旋型，宽度为50微米-200微米，悬臂梁10位于平台9对角线的两个顶点上。

所述起振永磁体7形状为立方体，磁极位于永磁体7顶面和底面，典型尺寸是1×1×0.3毫米。

所述软磁体8形状为立方体，典型尺寸是2.8×2.8×0.05毫米。

所述的高频谐振台2包括：边框12、金属平面弹簧13、谐振永磁体14，边框12中央有通孔，金属平面弹簧13固定在边框12上，金属平面弹簧13包括下层中央平台15及其四周的四根下层悬臂梁16、谐振永磁体14固定在下层中央平台15上。在感应线圈4的正上方，谐振永磁体能相对于垫片3上下直线运动和/或倾斜摆动。

所述的边框12上的通孔深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米，可以采用玻璃或单晶硅等材料制作。

所述金属平面弹簧13厚度为10微米-30微米。

所述下层中央平台15为方形，位于上层中央平台正下方，边长1毫米-2毫米，平台上开有边长为200微米至500微米的阻尼孔17。

所述悬臂梁16形状为蛙足型，宽度为100微米-500微米，均布于下层中央平台15的四个顶点上。

所述谐振永磁体14形状为立方体，磁极位于谐振永磁体14顶面和底面，极性与起振永磁体7相反，典型尺寸是1×1×0.3毫米。

所述垫片3为环形，内缘边长为4毫米至6毫米、厚度为200微米-400微米，谐振永磁体14能在此范围内相对于感应线圈4上下直线运动和/或倾斜摆动。

所述垫片3可以由单晶硅、各种金属、SU-8负胶等材料制作。

所述的感应线圈4由感应线圈绕组18和绝缘衬底19构成，位于谐振永磁体14的正下方。感应线圈绕组18固定在绝缘衬底19上，由方形的双层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10微米-30微米范围内。线圈之间有氧化铝或聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯等绝缘材料20。

根据理论计算，以上所述尺寸参数的结构，低频拾振台的固有频率小于50赫兹，高频谐振台的固有频率大于200赫兹，当本实施例受到频率低于50赫兹的外界环境振动作用时，由于低频拾振台1和高频谐振台3的升频转换作用，谐振永磁体14和会在顶盖5和感应线圈4所围成的封闭空间内相对感应线圈绕组18发生频率高于200赫兹的受迫运动，这会使线圈绕组18所在区域的磁场发生改变，进而引起线圈绕组18中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈绕组18中会产生感应电流和感应电动势。由于采集器输出功率与受迫振动的频率立方成正比，因此通过本发明所提出的结构，可以在低于50赫兹的外界环境振动作用下使谐振永磁体和较大面积的感应线圈绕组相对发生高于200赫兹的受迫振动，并通过灵活调整阻尼孔11、17的尺寸、位置，悬臂梁10、16的形状、尺寸，在外界振动频率低于50赫兹的频率范围内，与未采用升频结构的方案相比，都能提高能量采集器的输出电压和输出功率一个数量级以上。

Claims (10)

1.一种基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，包括：低频拾振台、高频谐振台、垫片和感应线圈，其特征在于：

所述高频谐振台位于感应线圈上方，高频谐振台位于低频拾振台下方，垫片位于高频谐振台和感应线圈之间；

所述的低频拾振台包括：顶盖、上层平面弹簧和起振永磁体和/或软磁体，顶盖中央有凹坑，上层平面弹簧固定在顶盖凹坑的边沿上，上层平面弹簧包括上层中央平台及其周围的上层悬臂梁，起振永磁体和/或软磁体固定在上层中央平台上，在高频谐振台的正上方；

所述的高频谐振台包括：边框、下层平面弹簧、谐振永磁体，边框中央有通孔，下层平面弹簧固定在边框上，下层平面弹簧包括下层中央平台及其四周的下层悬臂梁，谐振永磁体固定在下层中央平台上，在感应线圈的正上方，谐振永磁体能相对于垫片上下直线运动和/或倾斜摆动；

所述的感应线圈由感应线圈绕组和绝缘衬底构成，感应线圈绕组固定在绝缘衬底上，感应线圈在垫片下方固定不动。

2.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述上层平面弹簧厚度为10微米-30微米；所述下层平面弹簧厚度为10微米-30微米。

3.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述上层中央平台为方形，边长3毫米-5毫米，平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔。

4.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述下层中央平台为方形，位于上层中央平台正下方，边长1毫米-2毫米，平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔。

5.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述上层悬臂梁形状为方螺旋型，宽度为50微米-200微米，均布于上层中央平台四周。

6.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述下层悬臂梁宽度为100微米-500微米，形状为蛙足型，均布于下层中央平台周围。

7.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述的顶盖上凹坑深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米。

8.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述的边框上的通孔深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米。

9.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述谐振永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于谐振永磁体顶面和底面，极性与起振永磁体相反。

10.根据权利要求1所述的基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，其特征是，所述的感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10微米-30微米范围内，线圈之间有绝缘材料。

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