CN102931877A - 低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

一种低频宽带压电与磁电多模态复合振动能量采集器，由外围结构、拾振结构、固定基板、弹簧和永磁铁组成，其中，拾振结构包括压电阵列、质量块和螺旋感应线圈。两个拾振结构分别固定在两个固定基板上，并通过弹簧分别固定在外围结构左侧和右侧的内壁上，四个永磁铁分别位于两个拾振结构的正上方和正下方，其一端通过键合方式与外围结构固定连接，另一端悬空。本发明基于压电、磁电能量采集双重理论，通过优化结构设计，可以捕获多种模态的环境振动能量，并实现了低频环境下，捕获较宽频率范围的振动能量，大大增加了采集效率。

Description

低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器

技术领域

本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种能够捕获多模态环境振动能量的低频宽带压电与磁电复合振动能量采集器。

背景技术

无线传感器网络融合传感技术、计算机技术和无线通信技术，实现了信息采集、传输和处理的真正统一，是二十一世纪最重要的技术之一，具有巨大的应用和研究价值。近年来，无线传感网络在健康监测、医疗保健、灾害监测等领域发展迅猛，然而，一个关键性问题引起了研究人员的广泛关注，网络中每一个节点的寿命往往不取决于传感器本身而取决电源。传统化学电池，存在很多缺点，如体积大、质量大、供能寿命有限，并需要定期更换，由此带来的材料浪费与环境污染等问题也不容忽视。如何及时高效的对系统进行供电成为了限制无线传感器网络发展的瓶颈问题。

在众多的环境能量中，振动能是一种比较普遍的能量形式。它广泛存在于楼宇、桥梁、公路、车辆、飞行器等各种生产和生活设备中。与其它环境能量相比，振动能量在使用环境、使用时间和能量密度上都具有明显的优势。

目前，振动能量采集技术主要集中于三种方式：静电式（也称电容式）、电磁式以及压电式。从过去几年的研究成果来看，静电式振动能量采集方式在工作时需要额外提供一个初始的启动电压源或电荷源，这为器件的制造和微型化带来不便；因此电磁式和压电式成为当前能量采集的主流方式，二者工作时不需要独立的外加电压源，且电磁式能量采集材料制备容易、成本低廉，压电式能量采集密度大、便于MEMS加工，但目前大都是单一的压电或电磁式能量采集方式，复合式能量采集的报道较为少见，且捕获的环境振动模式较为单一，低频、宽频带振动能量采集问题尚未很好解决。

日常生活中的环境振动频率主要集中于10-100HZ的超低频段，且振动具有多源性，振动频带较宽，振动模态复杂。

发明内容

本发明的目的针对现有技术存在的问题，整合压电、磁电双重理论，设计了一种低频宽带压电/磁电复合多模态振动能量采集器，可以捕获多种模态的环境振动能量，保证了系统在较低频的情况下在较宽的频率范围内达到高效率的能量输出。该发明制作工艺简单，易于集成及批量化生产。

本发明的技术方案是：

一种低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器，由外围结构、拾振结构、固定基板、弹簧和永磁铁组成，其特征在于：所述的拾振结构包括压电阵列、质量块及螺旋感应线圈；拾振结构共有二个，分别与二个固定基板连接，并通过弹簧分别固定在外围结构左侧和右侧的内壁上，永磁铁共有四个，分别位于二个拾振结构的正上方和正下方，其一端通过键合方式与外围结构固定连接，另一端悬空；所述的质量块固定在压电阵列中每个悬臂梁的末端。

所述的压电阵列中的压电片采用悬臂梁结构，由三层构成：上、下两层为压电层，采用的材料为压电陶瓷；中间层为金属弹性梁，压电层与中间层长度、宽度皆一致，采用胶粘贴，压电阵列末端与质量块连接，并通过键合方式与固定基板固定连接；压电阵列所有压电片底部用引线连接，最后通过一根引线连接到固定基板，打孔后从基板引出，引线与相应的外接引线键合盘连接。

所述的螺旋感应线圈为导电线圈，一端固定在固定基板上一端悬空，螺旋感应线圈通过嵌入方式与固定基板固定连接；螺旋感应线圈悬浮端连接引线，沿悬梁方向引至固定基板，固定端直接在固定基板上连接引线，打孔后从固定基板引出，引线与相应的外接引线键合盘连接。

所述的压电阵列与螺旋感应线圈之间要留有间距，在感受了外界振动后做上下振动时保证二者之间不会发生碰撞。

与现有技术比较，本发明整合了压电、磁电能量采集双重理论，可以捕获多种模态的环境振动能量，解决了目前能量采集器采集振动模态单一的问题，并实现了低频环境下，捕获较宽频率范围的振动能量，大大提高了采集效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的三维结构图。

图3为本发明拾振结构的三维立体图。

图中：拾振结构1；压电阵列2；质量块3；螺旋线圈4；固定基板5；弹簧6；永磁铁7；外围结构8。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作详细说明：

如图1所示，低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器由拾振结构1、压电阵列2、质量块3、螺旋感应线圈4、固定基板5、弹簧6、永磁铁7（（a）-（d），共4块）以及外围结构8组成。拾振结构1由压电阵列2、质量块3以及螺旋感应线圈4组成。

2个拾振结构1分别与固定基板5固定连接，并通过弹簧6固定在外围结构8左侧和右侧的内壁上，4个永磁铁7分别位于2个拾振结构1的正上方和正下方，通过键合方式与外围结构8固定连接。

如图3所示，拾振结构1由压电阵列2、质量块3以及螺旋感应线圈4组成，压电阵列2中的压电片采用悬臂梁结构，由三层构成：上、下两层为压电层，采用的材料为压电陶瓷；中间层为金属弹性梁，为了使其能承受很大的形变，材料选用弹性模量小的磷青铜。压电层与中间层长度、宽度皆一致，采用环氧树脂胶粘贴，压电阵列2末端与质量块3连接，并通过键合方式与固定基板5固定连接；压电阵列2所有压电片底部用引线连接起来，最后通过一根引线连接到固定基板5；螺旋感应线圈4一端固定在固定基板5上，另一端悬空，通过嵌入方式与固定基板5固定连接；螺旋感应线圈4悬浮端连接引线，沿悬梁方向引至固定基板5，固定端直接在固定基板5上连接引线，打孔后从固定基板5引出，引线与相应的外接引线键合盘连接起来。

固定基板5选用不导电的轻质材料。

4块永磁铁7的磁极方向如图1所示。

通过优化拾振结构1的大小和尺寸，使整个结构的固有频率在100HZ左右，使该器件易于同外界振动发生共振，实现低频环境下较高的能量采集效率。

如图1所示，永磁铁7(a)与7(b)形成一个磁铁对，产生的磁力线方向为由右向左，永磁铁7(c)与7(d)形成一个磁铁对，产生的磁力线方向为由左向右，这一结构使能量获取结构上下振动时，螺旋感应线圈4中的磁力线方向不断改变，从而增大了产生的电能量。

左右采用相同的拾振结构1，且固定基板5上的压电阵列2采用阵列式悬臂梁结构，二者同时提高了电能采集的效率；压电阵列2中各个悬臂梁位置不同，使其在不同振动模态下，各个悬臂梁的振动状态叠加实现宽频带振动能量采集。

弹簧6是软性结构，一方面能感受外部环境的微弱振动，另一方面弹簧本身具体一定的振动惯性，能够收集大量的电能。该结构是方形结构，磁力线分布于整个结构中，而弹簧的振动是多方位的，因此，该结构可以感受各个方位的微弱振动，上、下振动时螺旋线圈切割水平方向磁力线，左右振动时切割竖直方向磁力线，其他方向的振动则切割结构内任意方向的磁力线，振动的同时压电悬臂染会发生形变而产生电能，因此该结构可以捕获环境中多种的振动模态，目前常见的能量采集装置大都只能感受一个方位的振动，因此，该结构大大提高了能量采集效率。

Claims (4)

1.一种低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器，由外围结构、拾振结构、固定基板、弹簧和永磁铁组成，其特征在于:所述的拾振结构包括压电阵列、质量块及螺旋感应线圈；拾振结构共有二个，分别与二个固定基板连接，并通过弹簧分别固定在外围结构左侧和右侧的内壁上，永磁铁共有四个，分别位于二个拾振结构的正上方和正下方，其一端通过键合方式与外围结构固定连接，另一端悬空；所述的质量块固定在压电阵列中每个悬臂梁的末端。

2.根据权利要求1所述的一种低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器，其特征在于：所述的压电阵列中的压电片采用悬臂梁结构，由三层构成：上、下两层为压电层，采用的材料为压电陶瓷；中间层为金属弹性梁，压电层与中间层长度、宽度皆一致，采用胶粘贴，压电阵列末端与质量块连接，并通过键合方式与固定基板固定连接；压电阵列所有压电片底部用引线连接，最后通过一根引线连接到固定基板，打孔后从基板引出，引线与相应的外接引线键合盘连接。

3.根据权利要求1所述的一种低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器，其特征在于：所述的螺旋感应线圈为导电线圈，一端固定在固定基板上一端悬空，螺旋感应线圈通过嵌入方式与固定基板固定连接；螺旋感应线圈悬浮端连接引线，沿悬梁方向引至固定基板，固定端直接在固定基板上连接引线，打孔后从固定基板引出，引线与相应的外接引线键合盘连接。

4.根据权利要求1所述的一种低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器，其特征在于：所述的压电阵列与螺旋感应线圈之间要留有间距，在感受了外界振动后做上下振动时保证二者之间不会发生碰撞。

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