CN102420542A - 一种单晶片悬臂式压电振动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电振动发电机，尤其是一种单晶片悬臂式压电振动发电机。所述单晶片悬臂式压电振动发电机包括：基座、弹性层、压电层、粘结层、质量块。采用大弹性模量的弹性层、厚度与弹性层相等而长度不等的压电层压电层以及大密度的质量块，提高了单晶片悬臂式压电振动发电机的开路输出功率。

Description

一种单晶片悬臂式压电振动发电机

技术领域

本发明涉及一种压电振动发电机，尤其是一种单晶片悬臂式压电振动发电机。

背景技术

微电子、无线网络传感器和MEMS等低功耗产品得到了大力发展，它们主要的供能方式是化学电池，但是化学电池存在着诸多弊端，如电池寿命有限，需要定时更换，有时环境限制而更换困难。环境存在多种低频机械振动能，如果能从周围环境中收集能量，实现自供能，将能解决能源不足的问题。压电俘能器因具有较高的功率密度和机电耦合系数，无需外界电源，不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现结构的小型化、集成化等优点，且能满足此类低功耗产品的供能需求被广泛用作俘能元件。但是环境中的振动频率一般都比较低，如汽车发动机的振动频率为50Hz，电力变压器的振动频率为100Hz。对于低频振动能量收集，可以采用压电层与弹性层等长结构的悬臂型单晶压电俘能器来实现，但是这种结构的工作效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种压电层与弹性层长度比为0.66的单晶片悬臂式压电俘能装置。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种单晶片悬臂式压电振动发电机，所述压电振动发电机通过导线与负载连接，所述压电振动发电机包括：基座、弹性层、压电层、粘结层、质量块；其中：所述弹性层的一端与基座固定连接，弹性层的另一端与质量块固定连接，压电层通过粘结层粘结在弹性层的上表面，压电层的上表面和下表面分别镀有一个电极。

所述单晶片悬臂式压电振动发电机中，压电层和弹性层的厚度比为1∶1，压电层和弹性层有效长度的比值为0.66。

所述单晶片悬臂式压电振动发电机中，压电层为PZT-5H型压电陶瓷，所述弹性层的材料为不锈钢。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：提高了单晶片悬臂式压电振动发电机的开路输出功率。

附图说明

图1为单晶片悬臂式压电发电结构模型示意图。

图2为压电层与弹性层长度比与压电振动发电机开路输出功率关系的示意图。

图3为单晶片低频悬臂式压电振动发电机给负载供电的电路图。

图中标号说明：1为基座，2为弹性层，3为压电层，4为粘结层，5为质量块，6和7为金属银电极，8和9为导线，10为负载。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的单晶片悬臂式压电振动发电机，包括：基座1、弹性层2、压电层3、质量块5。弹性层2的一端与基座1固定连接，弹性层2的另一端与质量块5固定连接。

单晶片低频悬臂式压电振动发电机给负载供电的电路图如图3所示，弹性层2超出压电层3的部分嵌入到基座1内，称为固定端，与固定端相对应的悬臂梁的另一端称为自由端。在自由端固定有质量块5，质量块5为具有较高密度的材料如钨、镍、铅等材料。弹性层2和压电层3通过粘结层4粘结在一起。粘结层的厚度足够薄，使电极7和弹性层4之间能够保持短路状态。弹性层2的材质为不锈钢，压低层3选用了PZT-5H型压电陶瓷，粘结层的材料为504强力胶，其组分比例为A∶B＝2∶1。压电层3厚度和弹性层2厚度相等，压电层2长度L_p和悬臂梁有效长度L之间的长度比为0.66。压电层3的上表面和下表面分别镀有一个金属银电极6和7，两个金属银电极6和7分别通过导线8、弹性层4和导线9与负载10连接。

由压电陶瓷的正压电效应原理：

可知，当悬臂梁在受到z方向惯性力作用下，压电层会在x方向产生拉伸和压缩，并在z向形成耦合电场。式(1)中，s₁₁、ε₃₃和d₃₁分别为压电材料的柔度系数、介电常数和压电常数，D₃为电位移，E₃为电场强度，S₁和σ₁分别为应变和应力。PZT-5H型压电陶瓷的d₃₁ ²/ε₃₃比值较高，可以有效提高压电振动发电机的发电量。

基座的振动加速度为A_in时，振动发电机的开路输出功率为

$E=\frac{1}{2}\frac{L_P{\mathrm{wt}}_p{d}_{31}^2}{e_{33}}{\left(\frac{(2L-L_P)(t_p-2z)}{4I}m{A}_{\mathrm{in}}^2\right)}^2---\left(1\right)$

式中m为质量块的质量，L_p为压电层的长度，L为悬臂梁固定端到质量块质心的距离，称为悬臂梁的有效长度。z为悬臂梁的中性轴位置，z＝(t_p ²-ηt_s ²)/2(t_p+ηt_s)，t_p为压电层的厚度，t_s为弹性层的厚度，η＝E_p/E_s，E_s为弹性层的弹性模量，E_p为压电层的弹性模量。为了使压电层内部拥有更多的应力，必须避免压电层同时受到拉应力和压应力，因此中性轴的位置必须位于弹性层内，即：I为悬臂梁相对于中性轴的转矩惯量，I＝(wt_p ²/12)+wt_p(-z+t_p/2)+ηwt_s ²+ηwt_p(z+t_s/2)，w为悬臂梁的宽度。压电层与弹性层长度比与压电振动发电机开路输出功率的关系图如图2所示。

由公式(2)可知，不锈钢材质的弹性层2具有较高的弹性模量，具有较高密度的材料制成的质量块5质量大，压电层3厚度和弹性层2厚度相等保证了中性轴位置位于弹性层2内，而当压电层3长度L_p和悬臂梁有效长度L之间的长度比为0.66时，单晶片低频悬臂式压电振动发电机的输出功率最大。

Claims (3)

1.一种单晶片悬臂式压电振动发电机，所述压电振动发电机通过导线与负载连接，其特征在于包括：基座、弹性层、压电层、粘结层、质量块；其中：所述弹性层的一端与基座固定连接，弹性层的另一端与质量块固定连接，压电层通过粘结层粘结在弹性层的上表面，压电层的上表面和下表面分别镀有一个电极。

2.根据权利要求1所述的单晶片悬臂式压电振动发电机，其特征在于所述压电层和弹性层的厚度比为1:1，压电层和弹性层有效长度的比值为0.66。

3.根据权利要求1所述的单晶片悬臂式压电振动发电机，其特征在于所述压电层为PZT-5H型压电陶瓷，所述弹性层的材料为不锈钢。

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