CN103633879B - 基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，包括柔性主梁、压电悬臂梁和质量块，柔性主梁为矩形框状结构，中部开有矩形孔；压电悬臂梁一端粘结固定在柔性主梁的上表面，另一端在矩形孔上方悬浮，质量块粘附在压电悬臂梁的悬浮端；若干压电悬臂梁分别在矩形孔两侧呈叉指状平行于矩形孔短边等间距排列。基于柔性主梁的叉指式多悬臂梁拾振结构设计，大幅降低了系统的高阶拾振频率，同时减小了低阶拾振频率，进而有效拓宽了振动能量的采集频带。与传统的振动能量采集器拾振结构相比，本发明可以在100Hz以下的超低频率范围内实现宽带振动能量采集，同时增加了电压输出，提高了能量采集效率。

Description

基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种振动能量采集器拾振结构。

背景技术

便携式电子器件和无线传感网络在过去几十年得到了快速的发展，尤其在人体健康检测系统、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全应用系统和野外动物跟踪器件等方面得到了广泛的应用。通常上述器件依靠传统的化学电池提供能量，而传统的化学电池作为供能方式存在诸多弊端，如体积大、质量大、供能寿命有限、需要定期更换以及污染环境等。因此，为了获得长期甚至无限生命周期的自主供电系统，国内外研究者从周围环境中收集能量以便给电子器件供电，目的是取代传统电池为微机电系统（MEMS）和低功耗的无线传感网络供电。

机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，广泛存在于普通家庭电器(冰箱、微波炉等)、工业机械设备(车床、移动式升降台等)、交通运输(高铁、飞行器等)、工程建筑以及生物体活动中等。振动式发电机可将其提取并转换为可直接使用的电能。压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。

由于通常环境中振动源的本征频率较低（1KHz以下甚至低于100Hz），且往往分布在一个较宽的频带内。解决压电能量采集器的固有频率与环境振动频率的匹配问题以及增加能量采集装置的频带大小是实现压电能量采集器商业化的关键问题之一，同时也是国内外科研工作者研究的热点所在。近年来，研究者通过不断改变选用材料和能量采集器的结构来降低系统工作频率、拓宽工作频带。

华中科技大学的薛欢等于2008年提出了悬臂梁阵列结构，悬臂梁大小各不相同，其一阶共振频率也参差不一，研究人员特意通过调整结构参数使它们的一阶共振频率非常靠近，当它们受激励产生电信号时，频响发生重叠，从而有效增加了器件的带宽，也增大了输出功率。虽然这种方法使得频率有所拓宽但是固有频率在90-110Hz范围内，与环境振动源相比仍然较高。韩国科学技术院的Min-HoSeo等于2012年提出应用弹性材料降低频率的方法，并设计了通过弹性梁来降低高模态谐振频率的多谐振能量采集器。该采集器应用了弹性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS），该材料杨氏模量小，弹性好。通过将附有质量块的单悬臂梁粘结固定在PDMS主梁上，主梁振动带动悬臂梁的振动，使得二阶模态谐振频率降低、频带拓宽。但是这种结构有效频带间距大，高阶模态输出功率小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于柔性主梁的低频、宽带振动能量采集器拾振结构，使得采集器能够在低频环境下获得较大的功率输出，并解决传统压电器件工作频带较窄的问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，包括柔性主梁、压电悬臂梁和质量块。柔性主梁为矩形框状结构，中部开有矩形孔；压电悬臂梁一端粘结固定在柔性主梁的上表面，另一端在矩形孔上方悬浮；质量块粘附在压电悬臂梁的悬浮端；若干压电悬臂梁分别在矩形孔两侧呈叉指状平行于矩形孔短边等间距排列。

所述的压电悬臂梁包括基板和压电层，压电层用导电银胶固定在基板上的后端表面，基板前端粘附质量块。

柔性主梁采用低杨氏模量（0.001-70GPa）、高结构弹性的高分子材料，本发明优选选自PDMS、天然橡胶和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中的一种。

基板选用弹性模量（70-170GPa）小且强度大，能承受较大形变的材料，本发明优选选自铝、磷青铜和单晶硅中的一种。

压电层选用压电性强、介电常数高的压电材料，本发明优选选自PVDF、PZT和ZnO中的一种。

质量块选用密度较大、廉价、易加工的金属材料，本发明优选选自铁和镍中的一种。

作为另一种优选的方案，压电悬臂梁的个数大于三个。

本发明的工作原理为：柔性主梁两端固定，当把本发明置于振动环境时，在外界振动的激励下，柔性主梁的固定端振动并带动整个柔性主梁振动，进而使粘结固定在柔性主梁上表面的压电悬臂梁一起振动，压电悬臂梁通过在振动中发生形变将机械振动能转化为电能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用柔性主梁。柔性主梁的杨氏模量小、结构弹性高。本发明与现有的压电能量采集器相比，采用柔性主梁为基底更容易感受振动，并将振动传递给压电悬臂梁，从而降低了各个带有质量块的压电悬臂梁的固有频率，可以在100Hz以下的超低频率范围内实现宽带振动能量采集。

采用多压电悬臂梁结构。当压电悬臂梁尺寸大小和质量块尺寸大小存在差异时，若干压电悬臂梁的固有频率不同，这可以有效拓宽系统工作频带，提高能量采集效率。

采用多压电悬臂梁叉指排布方式。若干压电悬臂梁在柔性主梁上叉指状排列，由于各自位置不同，这就将系统的各个振动模态分布开，在降低一、二阶固有频率的基础上同时也降低了高阶模态谐振频率，从而有效拓宽了频带。另外，该排布方式有利于系统结构平衡，提高主梁利用率，节约系统空间。

采用在主梁的上表面粘结固定压电悬臂梁的形式，可以让压电悬臂梁产生更大的振动幅度，从而为系统产生更大的输出电压。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明结构的俯视图

图3为压电悬臂梁的结构示意图

图中，1-柔性主梁，2-压电悬臂梁，3-质量块，4-基板，5-压电层。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步清楚、完整的说明。

如图1所示，本发明包括柔性主梁1、压电悬臂梁2和质量块3，柔性主梁1为矩形框状结构，中部开有矩形孔；压电悬臂梁2一端粘结固定在柔性主梁1的上表面，另一端在矩形孔上方悬浮，压电悬臂梁2悬浮的长度小于矩形孔的宽度，质量块3粘附在压电悬臂梁2的悬浮端；若干压电悬臂梁2分别在矩形孔两侧呈叉指状平行于矩形孔短边等间距排列。

柔性主梁1选用PDMS材料（或天然橡胶或PMMA），框体宽边的两个外侧面固定。

压电悬臂梁2包括基板4和压电层5，压电层5用导电银胶固定在基板4上的后端表面，基板4前端粘附质量块3。其中：压电层5采用PZT-5H材料（或PVDF或ZnO），基板4采用磷青铜（或铝或单晶硅）。如图2所示，基板4和压电层5的宽度相等，但基板4的长度大于压电层5的长度，在实施过程中，让压电层5与基板4一端对齐后，用导电银胶粘结固定。本实施例中所示的5个压电悬臂梁尺寸相同，呈叉指状在矩形孔两侧平行于矩形孔的短边方向、沿柔性主梁3长边方向等间距平行排列，并让压电层5与基板4对齐的一端再与柔性主梁3的矩形框的外边界对齐，然后用AB胶将压电悬臂梁2的基板4粘结固定在柔性主梁1的上表面，另一端悬浮于矩形孔上方；所有的压电悬臂梁2的电极连接方式为并联连接。

质量块3采用的材料为镍（或铁）。质量块3用AB胶粘结固定在基板4的前端，与基板4前端边界对齐，且与压电层5不接触；质量块3与压电悬臂梁2的宽度相同。

本发明可以通过改变柔性主梁的材质、形状，压电悬臂梁的数量、材质、结构、形状、尺寸、在柔性主梁上的排列方式以及质量块的尺寸等来调节系统的谐振频率，保证系统达到外界环境所要求的频率范围，从而达到最大的功率输出。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，包括柔性主梁（1）、压电悬臂梁（2）和质量块（3），其特征在于：柔性主梁（1）为矩形框状结构，中部开有矩形孔；压电悬臂梁（2）一端粘结固定在柔性主梁（1）的上表面，另一端在矩形孔上方悬浮，质量块（3）粘附在压电悬臂梁（2）的悬浮端；若干压电悬臂梁（2）分别在矩形孔两侧呈叉指状平行于矩形孔短边等间距排列,所述的压电悬臂梁（2）包括基板（4）和压电层（5），压电层（5）用导电银胶固定在基板（4）上的后端表面；基板（4）的长度大于压电层（5）的长度；质量块（3）用AB胶粘结固定在基板（4）的前端，与基板（4）前端边界对齐，且与压电层（5）不接触。

2.根据权利要求1所述的基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，其特征在于：柔性主梁（1）选自PDMS、天然橡胶和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，其特征在于：基板（4）选自铝、磷青铜和单晶硅中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，其特征在于：压电层（5）选自PVDF、PZT和ZnO中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，其特征在于：所述的质量块（3）选自铁和镍中的一种。

6.根据权利要求1所述的基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，其特征在于：压电悬臂梁（2）的个数大于三个。