CN103269179B - 一种压电片及振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电片及振动能量收集器，包括压电片、用于固定压电片的基座和设置于压电片自由端的质量块，该压电片包括压电片本体及涂布于压电片本体上、下表面和两个侧面上的上表面电极、下表面电极以及两个侧面电极，其中，两个侧面电极和上表面电极、下表面电极垂直且之间不连通，压电片的每个电极分别引出导线作为输出接口。该收集器，利用所处环境中的低频振动驱动基座振动，以使压电片产生弯曲形变。同时利用泊松效应产生的垂直电极之间的形变避开了应变中性面的制约，使压电片的不同电极之间产生有效电势，从而压电片更有效地输出能量的能量，提高了能量输出效率，同时该收集器还能够提供多种输出方式。

Description

一种压电片及振动能量收集器

技术领域

本发明属于振动能量转化和收集技术领域，具体是一种压电片及振动能量收集器。

背景技术

近几年无线传感器和便携式电子设备的使用稳步增长，在这些设备中很大一部分是依赖传统的化学电池提供的能量。但是随着微电子集成工艺的进步，传统的化学电池正逐渐成为限制微电子设备发展的瓶颈。首先，传统化学电池在整个器件体积中的比例越来越大，阻碍了器件小型化。其次，其有限的电量限制了整个器件的使用寿命。再次，随着微电子器件的大量使用，电池的更换将不具备可行性。于是，从周围环境中收集能量以替代电子设备中的化学电池成为非常具有前景的解决方案。

由于振动能广泛存在于日常环境中，而且其不受天气和温度的影响。所以利用压电材料制作能量收集器件以收集环境中的振动能具有广泛的可行性和应用性。这种器件主要是利用周围环境中的振动使压电材料产生应变，并通过压电效应把振动能转化成电能。单层的压电悬臂梁结构由于受到压电材料应变中性面的制约，导致上下表面电极产生的电荷相同，不能产生有效的电势差，所以利用传统的平行面电极输出单层压电片的压电效应不是很有效。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有垂直电极的压电片及振动能量收集器，其利用压电片在弯曲时的泊松效应，通过垂直电极之间的形变避开了应变中性面的制约，能够更有效地提高压电片的能量输出效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种振动能量收集器，包括压电片，所述压电片一端固定于基座上形成悬臂梁结构，另一端为自由端，压电片自由端的上表面上固定有质量块；所述压电片包括压电片本体，压电片本体的上、下表面上分别涂有上表面电极和下表面电极，压电片本体沿长度方向上的两个侧面的表面上分别涂有侧面电极；其中，上表面电极、下表面电极和两个侧面电极之间不连通，且两个侧面电极分别与上表面电极、下表面电极垂直，上表面电极、下表面电极和两个侧面电极上分别引出输出导线。

所述的压电片本体为长方体状单层结构，并采用压电单晶或者压电陶瓷制成。

所述的压电片本体的极化电场方向平行于其侧面电极方向；上表面电极、下表面电极和两个侧面电极的电极材料为银、铜或金。

上表面电极、下表面电极和两个侧面电极上引出的输出导线为铜线。

质量块采用铜、钼或钨制成。

通过改变质量块的质量调节压电片的谐振频率。

上表面电极的输出导线连接负载的一端，一侧面电极的输出导线连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者上表面电极的输出导线连接负载的一端，另一侧面电极的输出导线连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者下表面电极的输出导线连接负载的一端，一侧面电极的输出导线连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者下表面电极的输出导线连接负载的一端，另一侧面电极的输出导线连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者上表面电极的输出导线和下表面电极的输出导线均连接负载的一端，两个侧面电极的输出导线连接负载的另一端作为压电输出接口。

一种压电片，包括呈长方体状的压电片本体；压电片本体的上、下表面上分别涂有上表面电极和下表面电极，压电片本体沿长度方向上的两个侧面的表面上分别涂有侧面电极；其中，上表面电极、下表面电极和两个侧面电极之间不连通，且两个侧面电极分别与上表面电极、下表面电极垂直。

所述的压电片本体为长方体状单层结构，并采用压电单晶或者压电陶瓷制成。

所述的压电片本体的极化方向平行于其侧面电极方向；上表面电极、下表面电极和两个侧面电极的电极材料为银、铜或金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的振动能量收集器，利用所处环境中的低频振动驱动基座振动，以使压电片产生弯曲形变。同时利用泊松效应产生的垂直电极之间的形变避开了应变中性面的制约，使压电片的不同电极之间产生有效电势，从而能够使压电片更有效地输出能量。

进一步地，该收集器能够有效地利用单层压电片悬臂梁的压电效应为电子设备提供电压和能量。同时单层的压电片能够有效的降低整个器件的谐振频率，从而更加适用于日常低频振动环境中。另外，利用垂直电极，该收集器能够根据具体的应用提供多种输出方式，提高了压电片的能量输出效率。

本发明提供的压电片，由于将压电片本体上的电极设置成垂直电极，而垂直电极利用压电片本体在弯曲时的泊松效应，通过垂直电极之间的形变避开了应变中性面的制约，从而能够更有效地发挥压电片的性能，提高压电片的能量输出效率。

附图说明

图1为本发明提供的振动能量收集器的结构示意图；

图2为本发明提供的振动能量收集器的输出导线的输出方式的连接示意图；

图3为本发明提供的振动能量收集器的输出导线的输出方式的又一连接示意图；

图4为本发明提供的振动能量收集器的输出导线的输出方式的又一连接示意图；

图5为本发明提供的振动能量收集器在尺寸为35×5×0.8mm的PZT5压电片，在振动频率为171Hz，振动加速度为11m/s²，并附带1.4g质量块，电阻为100kΩ时，不同输出方式下所能提供的能量。

图中，1为基座；2为压电片本体；3为质量块；4为上表面电极；5为下表面电极；6和7为侧面电极；8、9、10、11为四个输出导线；12、13、14、15、16.为负载。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种振动能量收集器，包括单层结构压电片，所述压电片一端固定于基座1上形成悬臂梁结构，使压电片能够随着外界环境的振动而振动，另一端为自由端，压电片自由端的上表面上固定有采用铜、钼或钨制成的质量块3，可以使压电片产生一定的预应变，通过改变质量块3的质量调节压电片的谐振频率；压电片包括压电片本体2，压电片本体2的上、下表面上分别涂有上表面电极4和下表面电极5，压电片本体2沿长度方向上的两个侧面的表面上分别涂有侧面电极6、7；其中，上表面电极4、下表面电极5和两个侧面电极之间不连通，且两个侧面电极分别与上表面电极、下表面电极垂直，上表面电极4、下表面电极5和两个侧面电极上分别引出铜线制成的输出导线8、9、10、11作为压电输出接口。其中，上表面电极4、下表面电极5和两个侧面电极6、7的电极材料可以采用银、铜或金。所述的压电片本体2采用压电单晶或者压电陶瓷制成；所述的压电片本体2的极化方向平行于其厚度方向。所述的上表面电极4、下表面电极5和两个侧面电极6、7的电极材料为银、铜或金。

通过把基座1固定到振动平台上，进而把振动能传递给压电片，这时基座1必须满足足够的高度，以避免在振动过程中压电片于振动平台接触。由于振动，基座1和质量块3之间产生相对位移，使压电片产生应变，从而完成能量的转换。

参见图2至图5，提供了该收集器的几种电压输出方式，上表面电极的输出导线8连接负载的一端，一侧面电极的输出导线10连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者上表面电极的输出导线8连接负载的一端，另一侧面电极的输出导线11连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者下表面电极的输出导线9连接负载的一端，一侧面电极的输出导线10连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者下表面电极的输出导线9连接负载的一端，另一侧面电极的输出导线11连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者上表面电极的输出导线8和下表面电极的输出导线9均连接负载的一端，两个侧面电极的输出导线10，11连接负载的另一端作为压电输出接口。

具体的，图5是本发明利用具有垂直电极的尺寸为35×5×0.8mm的PZT5压电片，在振动频率为171Hz，振动加速度为11m/s²，并附带1.4g质量块时，不同输出方式为100kΩ电阻提供的能量。

输出方式1为输出导线8连接负载的一端，输出导线9连接负载的另一端作为单一压电输出接口。

输出方式2为输出导线8连接负载的一端，输出导线11连接负载的另一端作为单一压电输出接口。

输出方式3为输出导线9连接负载的一端，输出导线10连接负载的另一端作为单一压电输出接口。

输出方式4为输出导线8连接负载的一端，输出导线10连接负载的另一端作为单一压电输出接口。

输出方式5为输出导线9连接负载的一端，输出导线11连接负载的另一端作为单一压电输出接口。

输出方式6为输出导线8和输出导线9连接负载的一端，输出导线10和输出导线11连接负载的另一端作为压电输出接口。

在图1的基础上，图2示出了输出方式2可以为负载13提供能量。同时输出方式3可以为负载12提供能量。在图5中，当负载为100kΩ时，输出方式2输出1.95μW，输出方式3输出2.04μW。二者均比输出方式1在负载为100kΩ时输出的0.16μW有效。

在图1的基础上，图3示出了输出方式4可以为负载15提供能量。同时输出方式5可以为负载14提供能量。在图5中，当负载为100kΩ时，输出方式4输出2.07.μW，输出方式5输出1.98μW。二者均比输出方式1在负载为100kΩ时输出的0.16μW有效。

在图1的基础上，图4示出了输出方式6为单一负载16提供能量。在图5中，当负载为100kΩ时，输出方式6输出8.19μW，比输出方式1在负载为100kΩ时输出的0.16μW有效。并且该输出方式可以使单层压电片为负载提供最大的能量。

参见图1，一种压电片，包括呈长方体状的单层结构压电片本体2；压电片本体2的上、下表面上分别涂有上表面电极4和下表面电极5，压电片本体2沿长度方向上的两个侧面的表面上分别涂有侧面电极6、7；其中，上表面电极4、下表面电极5和两个侧面电极之间不存在连通，且两个侧面电极分别与上表面电极4、下表面电极5垂直。其中，所述的压电片本体2采用压电单晶或者压电陶瓷制成；所述的压电片本体2的极化方向平行于其厚度方向。所述的上表面电极4、下表面电极5和两个侧面电极6、7的电极材料为银、铜或金。

本发明提供的压电片，由于将压电片本体上的电极设置成垂直电极，而垂直电极利用压电片在弯曲时的泊松效应，通过垂直电极之间的形变避开了应变中性面的制约，从而能够更有效地发挥单层压电片的性能。

该基于具有垂直电极的压电片的振动能量收集器利用所处环境中的低频振动驱动基座振动，以使压电片产生弯曲形变。同时利用泊松效应产生的垂直电极之间的形变避开了应变中性面的制约，使单层压电片的不同电极之间产生有效电势，从而能够使压电片更有效地输出能量。另外，利用垂直电极，该收集器能够根据具体的应用提供多种输出方式，提高了压电片的能量输出效率。

同时，该基于垂直电极输出方式的压电悬臂梁振动能量收集器，能够有效地利用单层压电悬臂梁的压电效应为电子设备提供电压和能量。同时单层的压电片能够有效的降低整个器件的谐振频率，从而更加适用于日常低频振动环境中。

Claims (8)

1.一种振动能量收集器，其特征在于，包括压电片，所述压电片一端固定于基座(1)上形成悬臂梁结构，另一端为自由端，压电片自由端的上表面上固定有质量块(3)；所述压电片包括压电片本体(2)，压电片本体(2)的上、下表面上分别涂有上表面电极(4)和下表面电极(5)，压电片本体(2)沿长度方向上的两个侧面的表面上分别涂有侧面电极(6、7)；其中，上表面电极(4)、下表面电极(5)和两个侧面电极之间不连通，且两个侧面电极分别与上表面电极(4)、下表面电极(5)垂直，上表面电极(4)、下表面电极(5)和两个侧面电极上分别引出输出导线(8、9、10、11)；

所述的压电片本体(2)的极化方向平行于其侧面电极方向；上表面电极(4)、下表面电极(5)和两个侧面电极的电极材料为银、铜或金。

2.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，所述的压电片本体(2)为长方体状单层结构，并采用压电单晶或者压电陶瓷制成。

3.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，上表面电极(4)和下表面电极(5)和两个侧面电极上引出的输出导线(8、9、10、11)为铜线。

4.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，质量块(3)采用铜、钼或钨制成。

5.根据权利要求1或4所述的振动能量收集器，其特征在于，通过改变质量块(3)的质量调节压电片的谐振频率。

6.根据权利要求1所述的振动能量收集器，其特征在于，上表面电极的输出导线(8)连接负载的一端，一侧面电极的输出导线(10)连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者上表面电极的输出导线(8)连接负载的一端，另一侧面电极的输出导线(11)连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者下表面电极的输出导线(9)连接负载的一端，一侧面电极的输出导线(10)连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者下表面电极的输出导线(9)连接负载的一端，另一侧面电极的输出导线(11)连接负载的另一端作为单一压电输出接口；或者上表面电极的输出导线(8)和下表面电极的输出导线(9)均连接负载的一端，两个侧面电极的输出导线(10，11)连接负载的另一端作为压电输出接口。

7.一种压电片，其特征在于，包括呈长方体状的压电片本体(2)；压电片本体(2)的上、下表面上分别涂有上表面电极(4)和下表面电极(5)，压电片本体(2)沿长度方向上的两个侧面的表面上分别涂有侧面电极(6、7)；其中，上表面电极(4)、下表面电极(5)和两个侧面电极之间不连通，且两个侧面电极分别与上表面电极(4)、下表面电极(5)垂直；

所述的压电片本体(2)的极化方向平行于其侧面电极方向；上表面电极(4)、下表面电极(5)和两个侧面电极的电极材料为银、铜或金。

8.根据权利要求7所述的压电片，其特征在于，所述的压电片本体(2)为长方体状单层结构，并采用压电单晶或者压电陶瓷制成。