CN103580534A - 基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器 - Google Patents

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李如春
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Abstract

基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，包括基座、悬梁臂、质量块以及能量储存电路，所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相邻的直臂梁之间通过连接件连接形成整条仅剩一个头端和一个末端的悬臂梁，所述的头端固定在所述的基座上、末端安装质量块；两根相连的直臂梁之间有且仅有一个连接件，并且所有的直臂梁和连接件共平面；所述的能量储存电路包括第一桥式整流二极管D1、第二桥式整流二极管D2、第三桥式整流二极管D3、第四桥式整流二极管D4、同时兼顾滤波的功能的存储电解电容C、负载电阻RL。本发明的有益效果是：等效加大了悬臂梁的长度，在实现器件微型化的同时，降低了器件的固有振动频率，提高了输出功率。

Description

基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器
技术领域
本发明涉及一种基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器。
背景技术
无线传感器网络被人们视为是在多种应用环境中连续收集数据的一种重要方法，当传感器节点分布广泛、数量巨大时，其难点之一是如何为传感器节点供电。许多应用要求传感器节点小于1角硬币，利用钮扣型电池供电，但电池有限的能量限制了无线传感器网络的稳定性、使用寿命和应用范围。目前，解决该问题的方法包括了节能算法和协议，以及环境能量采集。无线传感器网络各层次的节能协议只能在一定程度上延长传感器网络的寿命，无法从根本上解决能量有限的问题。而通过发掘能量捕获的潜力――把周围环境中的能量转化为传感器可以使用的电能，能够有效解决传感器节点的供电问题。由于振动能量在自然环境中存在最为广泛，受环境的约束也最小，而压电式能量收集器具有体积小、能量密度高、寿命长，不需要外加电压源、与微机械制造工艺相兼容等诸多优点，从而使基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器得到广泛的应用。
无线传感器网络节点正常工作所需的供电电压在1.8-3.3V的范围（视具体的芯片而定），待机状态下的工作电流约为几微安，工作时的电流约为几毫安。微型压电式能量收集器由于结构尺寸较小，其固有振动频率基本处于几千赫兹的范围，但自然环境中存在的振动频率主要集中在低于几百赫兹的范围，因此，微型压电式能量收集器无法与外界振动形成共振，导致输出功率一般只有微瓦量级，不能提供无线传感器网络节点正常工作所需的功率，这是阻碍其发展的主要原因之一。如何从结构上进行改进，降低微型压电式能量收集器的固有振动频率，使其与自然界环境振动频率相当从而产生共振，提高系统的输出功率，成为微型压电式能量收集器的重要研究方向之一。
发明内容
为了解决目前的现有的能量收集器无法与外界振动形成共振导致输出功率一般只有微瓦量级、不能提供无线传感器网络节点正常工作所需的功率的问题，本发明提出了一种能够与环境中存在的低频振动驱动源产生共振的能量收集器、提高其输出功率、满足无线传感器网络节点正常工作所需的供电电压的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器。
本发明所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：包括基座、悬梁臂、质量块以及能量储存电路，所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相邻的直臂梁之间通过连接件连接形成整条仅剩一个头端和一个末端的悬臂梁，所述的头端固定在所述的基座上、末端安装质量块；两根相连的直臂梁之间有且仅有一个连接件，并且所有的直臂梁和连接件共平面；
所述的能量储存电路包括第一桥式整流二极管D1、第二桥式整流二极管D2、第三桥式整流二极管D3、第四桥式整流二极管D4、同时兼顾滤波的功能的存储电解电容C、负载电阻RL，所述的第一桥式整流二极管D1的P端和第四桥式整流二极管D4的N端的接点与外接悬臂梁的上电极的第一端口相连；所述的第二桥式整流二极管D2的P端和第三桥式整流二极管D3的N端的接点与外接悬臂梁的下电极的第二端口相连；第一桥式整流二极管D1的N端和所述的第二桥式整流二极管D2的N端的接点与存储电解电容C的正极相连；第三桥式整流二极管D3的P端和第四桥式整流二极管D4的P端的接点与存储电解电容C的负极相连；所述的负载电阻RL并接在存储电解电容C的两端，所述的存储电解电容C的正极作为输出电压的正端、负极作为输出电压的负端。
所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，其中第一根直臂梁的末端与第二根的直臂梁的末端相连、第二根的直臂梁的前端与第三根的直臂梁的前端相连，以此类推直至最后一根直臂梁的前端与上一根相邻的直臂梁的前端相连，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座上、最后一根直臂梁的末端安装质量块。
所述的直臂梁的横截面为矩形。
所述的悬臂梁为矩形结构。
所述的悬臂梁为多层结构，包括作为衬底的硅材料层、淀积在硅材料层表面的二氧化硅层、溅射在二氧化硅层表面作为压电层下电极的第一Pt/Ti复合层、覆盖在下电极表面的压电材料层PZT、溅射在压电材料层表面作为压电层上电极的第二Pt/Ti复合层，所述的压电材料层PZT为锆钛酸铅，其化学式为PbZrxTi2-XO3，其中X为正整数。
所述的直臂梁与所述的连接件的材料相同。
所述的质量块由金属Ni构成。
工作时，当基座受外界环境中的低频振动驱动时，悬臂梁的每一根直臂梁都会相应产生受迫振动，在主平面内发生弯曲和扭转，从而引起压电层在激振力作用下发生机械应变，经过材料内部的机电耦合转换将机械应变能转换为电能，在压电层薄膜的表面产生电荷，通过电极将电荷输出到外部的能量存储电路进行处理和存储。收集的电荷经过整流、滤波、稳压等电路后续处理，由一个超级大电容进行存储，从而可以作为微电池进行供电。由于电极与压电材料层平行，只有悬臂梁的弯曲形变对输出电压有贡献，扭转形变不会产生任何通过电极的电荷。同时，由于每根直臂梁之间的连接件很短，可以忽略其弯曲形变。
本发明的有益效果是：本装置代替常规的直线型悬臂梁，等效加大了悬臂梁的长度，在实现器件微型化的同时，降低了器件的固有振动频率，提高了输出功率。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的悬臂梁的剖面图。
图3是本发明的能量储存电路的示意图（其中，+代表电压正极；-代表电压负极；v0代表输出电压）。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，包括基座1、悬梁臂2、质量块3以及能量储存电路4，所述的悬臂梁2包括多根相互平行的直臂梁21，相邻的直臂梁21之间通过连接件22连接形成整条仅剩一个头端和一个末端的悬臂梁，所述的头端固定在所述的基座1上、末端安装质量块3；两根相连的直臂梁21之间有且仅有一个连接件22，并且所有的直臂梁21和连接件22共平面；
所述的能量储存电路4包括第一桥式整流二极管D1、第二桥式整流二极管D2、第三桥式整流二极管D3、第四桥式整流二极管D4、同时兼顾滤波的功能的存储电解电容C、负载电阻RL，所述的第一桥式整流二极管D1的P端和第四桥式整流二极管D4的N端的接点与外接悬臂梁2的上电极211的第一端口41相连；所述的第二桥式整流二极管D2的P端和第三桥式整流二极管D3的N端的接点与外接悬臂梁2的下电极212的第二端口42相连；第一桥式整流二极管D1的N端和所述的第二桥式整流二极管D2的N端的接点与存储电解电容C的正极相连；第三桥式整流二极管D3的P端和第四桥式整流二极管D4的P端的接点与存储电解电容C的负极相连；所述的负载电阻RL并接在存储电解电容C的两端，所述的存储电解电容C的正极作为输出电压的正端、负极作为输出电压的负端。
所述的悬臂梁2包括多根相互平行的直臂梁21，其中第一根直臂梁的末端与第二根的直臂梁的末端相连、第二根的直臂梁的前端与第三根的直臂梁的前端相连，以此类推直至最后一根直臂梁的前端与上一根相邻的直臂梁的前端相连，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座1上、最后一根直臂梁的末端安装质量块3。
所述的直臂梁21的横截面为矩形。
所述的悬臂梁2为矩形结构。
所述的悬臂梁2为多层结构，包括作为衬底的硅材料层、淀积在硅材料层表面的二氧化硅层、溅射在二氧化硅层表面作为压电层下电极的第一Pt/Ti复合层、覆盖在下电极表面的压电材料层PZT、溅射在压电材料层表面作为压电层上电极的第二Pt/Ti复合层，所述的压电材料层PZT为锆钛酸铅，其化学式为PbZrxTi2-XO3。
所述的直臂梁21与所述的连接件的材料相同。
所述的质量块3由金属Ni构成。
工作时，当基座1受外界环境中的低频振动驱动时，悬臂梁2的每一根直臂梁21都会相应产生受迫振动，在主平面内发生弯曲和扭转，从而引起压电层在激振力作用下发生机械应变，经过材料内部的机电耦合转换将机械应变能转换为电能，在压电层薄膜的表面产生电荷，通过电极将电荷输出到外部的能量存储电路进行处理和存储。收集的电荷经过整流、滤波、稳压等电路后续处理，由一个超级大电容进行存储，从而可以作为微电池进行供电。由于电极与压电材料层平行，只有悬臂梁的弯曲形变对输出电压有贡献，扭转形变不会产生任何通过电极的电荷。同时，由于每根直臂梁之间的连接件很短，可以忽略其弯曲形变。
由于能量收集部分输出的是交流信号，当能量处理和收集电路工作在输入交流信号的正半周时，整流二极管D1和整流二极管D3导通，整流二极管D2和整流二极管D4截止；当工作在输入交流信号的负半周时，整流二极管D2和整流二极管D4导通，整流二极管D1和整流二极管D3截止，由此在电解电容C两端得到只有正半周的脉动信号，此信号经过电解电容C和负载电阻RL的滤波后，最终存储在电解电容C中的是波动非常小的直流信号。
参照图1所示的结构，取10组直臂梁组成之字形结构悬臂梁，给定各组分的质量、弹性模量、泊松比等材料参数，并施加边界约束，得到之字形结构微型压电式能量收集器的模态分析结果。模态分析的10阶固有振动频率的前2阶分别为148.61Hz、299.74Hz，与自然环境中存在的低频振动频率相当，易形成共振。
参照图1所示的结构图，给基座加一外界低频振动作为激励，给定加速度载荷等参数，并将压电薄膜的下表面电压约束为0，上表面的电压进行耦合，能够求得不同尺寸的悬臂粱在不同加速度作用下的峰值电压。由于输出功率正比于输出电压，在给定负载的条件下，可以得到之字形结构微型压电式能量收集器的输出功率。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：包括基座、悬梁臂、质量块以及能量储存电路，所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，相邻的直臂梁之间通过连接件连接形成整条仅剩一个头端和一个末端的悬臂梁，所述的头端固定在所述的基座上、末端安装质量块；两根相连的直臂梁之间有且仅有一个连接件，并且所有的直臂梁和连接件共平面；
所述的能量储存电路包括第一桥式整流二极管D1、第二桥式整流二极管D2、第三桥式整流二极管D3、第四桥式整流二极管D4、同时兼顾滤波的功能的存储电解电容C、负载电阻RL，所述的第一桥式整流二极管D1的P端和第四桥式整流二极管D4的N端的接点与外接悬臂梁的上电极的第一端口相连；所述的第二桥式整流二极管D2的P端和第三桥式整流二极管D3的N端的接点与外接悬臂梁的下电极的第二端口相连；第一桥式整流二极管D1的N端和所述的第二桥式整流二极管D2的N端的接点与存储电解电容C的正极相连；第三桥式整流二极管D3的P端和第四桥式整流二极管D4的P端的接点与存储电解电容C的负极相连；所述的负载电阻RL并接在存储电解电容C的两端，所述的存储电解电容C的正极作为输出电压的正端、负极作为输出电压的负端。
2.如权利要求1所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：所述的悬臂梁包括多根相互平行的直臂梁，其中第一根直臂梁的末端与第二根的直臂梁的末端相连、第二根的直臂梁的前端与第三根的直臂梁的前端相连，以此类推直至最后一根直臂梁的前端与上一根相邻的直臂梁的前端相连，剩余的第一根直臂梁的前端固定在所述的基座上、最后一根直臂梁的末端安装质量块。
3.如权利要求2所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：所述的直臂梁的横截面为矩形。
4.如权利要求3所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：所述的悬臂梁为矩形结构。
5.如权利要求4所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：所述的悬臂梁为多层结构，包括作为衬底的硅材料层、淀积在硅材料层表面的二氧化硅层、溅射在二氧化硅层表面作为压电层下电极的第一Pt/Ti复合层、覆盖在下电极表面的压电材料层PZT、溅射在压电材料层表面作为压电层上电极的第二Pt/Ti复合层，所述的压电材料层PZT为锆钛酸铅。
6.如权利要求5所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：所述的直臂梁与所述的连接件的材料相同。
7.如权利要求1所述的基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器，其特征在于：所述的质量块由金属Ni构成。
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