CN102820423B - 复合压电微能源发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合压电微能源发生器。现有压电悬梁式微能源发生器均采用单一模式。本发明中基板的固定端固定设置在安装座上、自由端悬空，基板的两面分别设置有压电片。全电极覆盖在压电片上，一端位于基板的固定端，其宽度与基板宽度相同，长度为基板长度的30﹪～50﹪。插指电极覆盖在压电片上，每个插指电极包括两个单边电极，每个金属指条的宽度与两个相邻金属指条的间隙相等。基板两面的全电极和插指电极在基板上的投影安全重合。本发明提出复合d31与d33模式复合压电微能源发生器，在一个整体结构下，能够同时利用两种模式发电，提高了输出功率密度。

Description

复合压电微能源发生器
技术领域
本发明属于压电技术领域，涉及一种复合压电微能源发生器，具体是一种给传感系统、致动系统、智能系统等各种嵌入式微系统提供能源的装置。
背景技术
压电微能源发生器是一种通过自动采集环境中的振动能量，供给电路系统、传感器系统能量的装置，可用于植入人体的生物传感器、置于汽车轮胎内部的胎压监测系统、工厂电机中的分布式传感器系统等。利用环境的振动能来给系统供电的微能源装置，相对于传统的锂电池具有输出功率密度不随时间变化的特点，如：使用一年，压电式微能源发生器的输出功率密度为250μW/ cm3，不可充电锂离子电池的输出功率密度为45μW/ cm3；使用十年，压电微能源发生器的输出功率密度依然为250μW/ cm3，不可充电Li离子电池的输出功率密度则为35μW/ cm3。从中可以看出，压电式微能源发生器的输出功率密度高于锂离子电池的输出功率密度，且不会像锂离子电池那样，输出功率密度随时间的推移而降低。
目前压电式微能源发生器多采用悬梁结构。采用悬梁结构会导致应变在悬梁上分布的不均，通常在悬梁自由端应变最小，固定端应变最大。压电悬梁式微能源发生器通常有基于d33和d31模式两种，基于d33模式的压电悬梁微能源发生器的输出电压高，但电荷低；而基于d31模式的压电悬梁微能源发生器的电荷高，但输出电压低。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种高输出功率密度的压电复合式微能源发生器，适合在生物传感器、胎压监测、电机检测等系统中使用。
本发明包括基座、基板、压电片、全电极和插指电极。
所述的基座的截面为L形，包括水平底座和竖直设置在水平底座上的安装座。
所述的基板的固定端固定设置在安装座上、自由端悬空；所述的基板为长条形的金属片，采用弹性金属材料；基板的两面分别设置有压电片，压电片的一面完全覆盖基板表面，另一面设置有全电极和插指电极。
所述全电极为导电金属片或金属膜，覆盖在压电片上，其一端位于基板的固定端，全电极的宽度与基板的宽度相同，长度h为基板长度L的30﹪～50﹪。
所述插指电极为导电金属片或金属膜，覆盖在压电片上；每个插指电极包括两个单边电极，每个单边电极包括多个平行的金属指条，多金属指条通过汇集金属条连接；两个单边电极的金属指条交错设置，形成插指电极；每个金属指条的宽度a与两个相邻金属指条的间隙b相等。
基板两面的全电极和插指电极在基板上的投影安全重合。
所述基板的材料为磷青铜，所述压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。
工作时，基板自由端在受力或者共振的情况下上下移动，压电片弯曲，引起水平轴向和垂直轴向的形变，采用两种不同的电极可以同时利用两个方向形变，进行发电。
本发明在d33模式、d31模式压电式微能源发生器结构的基础上，结合悬梁式结构应力分布的特点，提出复合d31与d33模式复合压电微能源发生器，在一个整体结构下，能够同时利用两种模式发电，提高了输出功率密度。
附图说明
    图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，复合压电微能源发生器包括基座、基板、压电片、全电极和插指电极。
所述的基座的截面为L形，包括水平底座1-1和竖直设置在水平底座1-1上的安装座1-2。
基板2的固定端固定设置在安装座1-2上、自由端悬空。基板2为长条形的金属片，采用弹性金属材料，如磷青铜。基板2的两面分别设置有压电片3-1和3-2，压电片的一面完全覆盖基板2表面，另一面设置有全电极和插指电极，压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。
全电极4-1和4-2为导电金属片或金属膜，分别覆盖在压电片3-1和3-2上，其一端位于基板2的固定端，全电极的宽度与基板的宽度相同，长度h为基板长度L的30﹪～50﹪。
插指电极5-1和5-2为导电金属片或金属膜，分别覆盖在压电片3-1和3-2上；每个插指电极包括两个单边电极，每个单边电极包括多个平行的金属指条，多金属指条通过汇集金属条连接；两个单边电极的金属指条交错设置，形成插指电极；每个金属指条的宽度a与两个相邻金属指条的间隙b相等。
基板两面的全电极4-1和4-2在基板上的投影安全重合，基板两面的插指电极5-1和5-2在基板上的投影安全重合。
基板和两个全电极以及每个单边电极连接有引线。
本发明的工作原理与过程：
已知压电微能源发电装置具有基于d31和d33两种模式，其发电时产生的电荷同电压之间由如下关系式描述：
Q=CtotalV
总电容Ctotal包含有压电层本征电容C0和压电响应电容Ce；
压电微能源发电装置的最大输出功率为：
Figure 2012103065564100002DEST_PATH_IMAGE002
R0为本征电阻；
对于基于d33模式的压电微能源发电装置来说，其压电层的本征电容C0可表达为：
Figure 2012103065564100002DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 2012103065564100002DEST_PATH_IMAGE006
为压电层的厚度，
Figure 2012103065564100002DEST_PATH_IMAGE008
为电学电容的介电常数。
对于电极对数为n的基于d33模式得压电微能源发电装置来说，其压电响应电容的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
同样，对于基于d33模式得压电微能源发电装置来说，其本征电阻的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
而同样，对于基于d31模式的压电微能源发电装置来说，其压电层的本征电容C0可表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其压电响应电容的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其本征电阻的表达式为：
考虑到工作时，应变在基板上的分布不均匀。基板固定端的应变大，自由端应变最小。导致压电片产生的电荷分布沿基板表面实际上也是不均匀，这样对于基于d31模式的压电微能源发电装置来说，输出功率密度自然受影响。在靠近基板自由端设置叉指电极，实行基于d33模式的发电工作，可以有效地利用基板的整个长度上的应变来发电，充分发挥d31同d33模式各自的特点，提高输出功率密度。
由于基板的主要变形是弯曲变形，采用欧拉—伯努力梁的模型来分析应变在基板上的分布情况。
欧拉—伯努力的横向振动微分方程为：
求解方程，可以得到应变沿基板的分布情况。

Claims (2)

1. 复合压电微能源发生器，包括基座、基板、压电片、全电极和插指电极，其特征在于：
所述的基座的截面为L形，包括水平底座和竖直设置在水平底座上的安装座；
所述的基板的固定端固定设置在安装座上、自由端悬空；所述的基板为长条形的金属片，采用弹性金属材料；基板的两面分别设置有压电片，压电片的一面完全覆盖基板表面，另一面设置有全电极和插指电极；
所述全电极为导电金属片或金属膜，覆盖在压电片上，其一端位于基板的固定端，全电极的宽度与基板的宽度相同，长度h为基板长度L的30﹪～50﹪；
所述插指电极为导电金属片或金属膜，覆盖在压电片上；每个插指电极包括两个单边电极，每个单边电极包括多个平行的金属指条，多金属指条通过汇集金属条连接；两个单边电极的金属指条交错设置，形成插指电极；每个金属指条的宽度a与两个相邻金属指条的间隙b相等；
基板两面的全电极和插指电极在基板上的投影安全重合。
2.如权利要求1所述的复合压电微能源发生器，其特征在于：所述基板的材料为磷青铜，所述压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或AlN、或PVDF。
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