CN103872946A - 线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，它包括压电悬臂梁和质量块，质量块粘结在压电悬臂梁自由端，还包括N阶扁平长方体形的传动梁，N为等于或大于2的自然数；第一阶传动梁的两端固定，第二阶传动梁的前端垂直粘结在第一阶传动梁表面中心处；N=2时，第二阶传动梁的末端与压电悬臂梁垂直粘结固定；N＞2时，第二阶传动梁以及其它更高阶传动梁相互垂直并依次首尾粘接固定，第N阶传动梁的末端与压电悬臂梁垂直粘结固定。本发明可以在100Hz以下的超低频范围内实现较宽频带的振动能量采集，增加了能量可采集范围，提高了环境振动能量利用率，有效解决了环境振动能量的低频采集问题。

Description

线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构

技术领域

本发明涉及一种微机电系统技术领域的环境能量采集装置，具体而言，是一种振动能量采集器的拾振结构。

背景技术

随着集成电路制造技术的不断进步，电子器件的体积和功耗不断降低，无线传感器网络、嵌入式系统等领域的微型化趋势日益明晰，并广泛应用于人体健康检测系统、环境控制系统、军事安全应用系统和野外跟踪等方面。然而，对于应用在生物体内、野外环境等特殊领域的无线传感器件的电能供给而言，传统的能源供给方式如电池和电力线等存在一些固有的供能缺陷：质量大、体积大、供能寿命有限，能量耗尽需要重复充电等；新型核电池体积小、供电寿命长，但具有一定放射性，需要特殊防护措施，尚未获得广泛应用。在这种背景下，基于MEMS技术的环境能量采集器已成为特殊环境中微纳器件能量供给研究的热点。

“能量采集”实际上特指将其他形式的能量采集、转换为电能。环境中能量采集的来源包括太阳能、风能、噪声、温度梯度等多种能源。其中振动机械能是一种较普遍的能源形式，广泛存在于车辆、楼宇、飞行器、桥梁、机电设备等各种生产和生活设备，也存在于人体的血液循环、肢体活动以及心脏跳动等生命过程中。因此机械振动能量采集将在特殊环境中的无线传感网络、低能耗设备等应用方面有着非常广泛的应用前景。其中压电式振动能量采集方式具有能量密度大、结构简单、便于微型化的特点，受到了广泛关注。

在目前报导的相关科研进展中，基于MEMS技术的压电能量采集器虽然实现了微型化的目标，却往往存在固有频率过高，难以实现对日常环境中低频振动能量的采集和转换等问题。研究和设计能够采集低频振动（频率小于100Hz）能量的压电型微能量采集器已成为国内外学者的研究热点之一。

经过对现有技术文献的检索发现：弗吉尼亚理工大学的AlErturk等于2009年设计了一种L型悬臂梁结构。研究发现传统的直线型悬臂梁结构的一二阶固有频率至少相差六倍，而该结构的前两阶固有频率之间只相差一倍。通过调节悬臂梁的参数，可以使其一阶固有频率与周围环境振动的主频率相同，若环境振动频率稍稍变大，L型悬臂梁即会发生2B1内共振模式，振动能量在一、二阶模态之间传递，其振幅甚至比共振振幅要大，输出电能也会更大。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。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，主梁振动从而带动悬臂梁的振动，使得一、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过大。

发明内容

针对现有技术中存在的环境振动频率低、带宽覆盖范围大的现象，本发明提供一种线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，使得采集器能够在低频环境下实现较大的功率输出，并解决传统压电器件工作频带较窄的问题。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，包括压电悬臂梁和质量块，质量块粘结在压电悬臂梁自由端，还包括N阶扁平长方体形的传动梁，N为等于或大于2的自然数；第一阶传动梁的两端固定，第二阶传动梁的前端垂直粘结在第一阶传动梁表面中心处；N=2时，第二阶传动梁的末端与压电悬臂梁垂直粘结固定；N＞2时，第二阶传动梁以及其它更高阶传动梁相互垂直并依次首尾粘接固定，第N阶传动梁的末端与压电悬臂梁垂直粘结固定。

本发明的工作原理为：当把本发明置于振动环境时，在外界振动的激励下，第一阶传动梁的固定端振动并带动第二阶传动梁振动。仅有两阶传动梁时，第二阶传动梁带动压电悬臂梁一起振动；有多于两阶的振动梁时，第二阶振动梁带动其他更高阶的振动梁振动，最高阶（第N阶）带动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。

作为优选的技术方案，在各阶传动梁中，第一阶传动梁采用低杨氏模量、高结构弹性的高分子材料，如PDMS、橡胶等；考虑到整个结构的支撑问题，即如果传动梁的柔性较大，首尾相接的悬臂梁结构在不承受外部激励的情况下，就会产生很大的挠度，因此第二阶以及更高阶的传动梁采用比第一阶传动梁材料杨氏模量较高的材料。

作为优选的技术方案，各阶传动梁的尺寸可以相等或不等。

压电悬臂梁包括基板和压电层，其中，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，优选的是铝、磷青铜或单晶硅；压电层选用压电性强、介电常数高的压电材料，优选的是PVDF、PZT或ZnO。

质量块选用密度较大、廉价、易加工的金属材料，优选使用铁或镍。

为了定量的分析结构的可行性以及结论的正确性，将传统悬臂梁、一阶和二阶传动结构等效为线性单自由度、线性二阶自由度和线性三阶自由度的弹簧-质量块结构(图1所示)，其中k₁、k₂、k₃分别为一阶传动梁、二阶传动梁和传统悬臂梁的弹性系数，m₁、m₂、m₃分别为一阶传动梁、二阶传动梁和传统悬臂梁的有效质量。

讨论n阶自由度系统自由振动微分方程的固有频率，不考虑阻尼与外力，其振动微分方程为：

$M\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{Kx}=0---\left(1\right)$

式中：M为质量矩阵、K为刚度矩阵、x为位移列向量。

根据微分方程组和模态分析理论，此方程有以下特解

x_j＝A_jsin(ωt+θ)     （2）

此特解表示系统内各个坐标偏离平衡值时均以同一频率ω和同一初相角θ作不同振幅的简谐运动。写成矩阵形式为

x＝Asin(ωt+θ)     （3）

对于单自由度振动系统，无阻尼系统的固有频率为

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(4\right)$

应用到本文的传统悬臂梁的等效模型，即

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k_3}{m_3}}---\left(5\right)$

对于多阶自由度振动系统：

将上式（3）代入方程1化作矩阵K和M的本征值问题

(K-λM)A＝0     （6）

式中：λ＝ω²。

A有非零解的充分与必要条件是系数行列式等于零

(K-λM)＝0     （7）

对于本文中的二阶自由度系统，其中

$K=\left|\begin{array}{cc}{k}_1+k_3& -k_3\\ {-k}_3& k_3\end{array}\right|M=\left|\begin{array}{cc}{m}_1& 0\\ 0& m_3\end{array}\right|---\left(8\right)$

根据公式（5），可得系统频率行列式

$\left|\begin{array}{cc}{k}_1+k_3-{\mathrm{\λm}}_1& -k_3\\ {-k}_3& k_3-{\mathrm{\λm}}_3\end{array}\right|=0---\left(9\right)$

从而可得出一下方程

${\mathrm{\λ}}^2-[\frac{k_1+k_3}{m_1}+\frac{k_3}{m_3}]\mathrm{\λ}+\frac{k_1{k}_3}{m_1{m}_3}=0---\left(10\right)$

求解这个一元二次方程便可得到λ的值，因为λ＝ω²，所以得到两个解

和

的值。

对于三阶自由度系统，质量矩阵和刚度矩阵分别为

$M=\left|\begin{array}{ccc}{m}_1& 0& 0\\ 0& m_2& 0\\ 0& 0& m_3\end{array}\right|K=\left|\begin{array}{ccc}{k}_1+k_2& {-k}_2& 0\\ -k_2& k_2+k_3& {-k}_3\\ 0& -k_3& k_3\end{array}\right|---\left(11\right)$

根据公式（5），得到系统频率行列式

$\left|\begin{array}{ccc}{k}_1+k_2-{\mathrm{\λm}}_1& {-k}_2& 0\\ {-k}_2& k_2+k_3{-\mathrm{\λm}}_2& {-k}_3\\ 0& {-k}_3& k_3-{\mathrm{\λ}}_{m}3\end{array}\right|---\left(12\right)$

求解行列式，从而得出以下方程

${\mathrm{\λ}}^3-[\frac{k_1+k_2}{m_1}+\frac{k_2+k_3}{m_2}+\frac{k_3}{m_3}]{\mathrm{\λ}}^2+[\frac{k_1{k}_2+k_3(k_2+k_1)}{m_1{m}_2}+\frac{k_3(k_1+k_2)}{m_1{m}_3}+\frac{k_2{k}_3}{m_2{m}_3}]\mathrm{\λ}-\frac{k_1{k}_2{k}_3}{m_1{m}_2{m}_3}=0---\left(13\right)$

求解这个一元三次方程便可得到λ的值，因为λ＝ω²，所以得到三个解

的值。

假定，m₁＝m₂＝m，m₃＝2m，k₁＝2k，k₂＝k₃＝k，则代入式（5）得传统悬臂梁的固有频率为 ${\mathrm{\ω}}_0^2=0.5\frac{k}{m};$ 代入（10）式得 ${\mathrm{\ω}}_1^2=0.31\frac{k}{m},{\mathrm{\ω}}_2^2=3.18\frac{k}{m};$ 代入式（13）得 ${\mathrm{\ω}}_{11}^2=0.16\frac{k}{m},{\mathrm{\ω}}_{22}^2=1.67\frac{k}{m},{\mathrm{\ω}}_{33}^2=3.66\frac{k}{m}.$

对比可知，一阶传动结构的一阶固有频率相比传统悬臂梁有所降低，二阶传动结构的一二阶固有频率相比于一阶传动结构进一步降低，因此可以得出：线性多阶自由度系统可以有效降低系统的低阶固有频率。根据固有频率的推导结果可知，固有频率是关于结构各组成部分弹性系数k和质量m的函数，因此通过改变弹性系数k₁、k₂、k₃与质量m₁、m₂、m₃的大小，可以调节整个系统的共振频率，从而使系统工作在特定的工作环境中。另外，本发明可以通过改变各阶传动梁的材质、尺寸，压电悬臂梁的材质、结构、形状、尺寸以及质量块的尺寸等来调节系统的谐振频率，使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。

本发明具有以下特点：（1）采用线性多自由度结构设计。应用多阶传动梁相接构成多自由度系统，可大幅度降低结构的固有频率，并可将高阶频率转换到可有效利用的超低频带范围，拓宽了工作频带及结构应用范围。（2）采用低杨氏模量材料作为传动梁。低杨氏模量材料弹性高，韧性好。相比于传统悬臂梁的基底材料，更易于感受振动，有利于降低结构的固有频率。（3）可扩展性。当将本装置应用到不同的工作环境时，可以通过调节传动梁的阶数、材料、尺寸以及相对位置来调节整个系统的固有频率，保证系统达到外界环境所要求的频率范围。

本发明提出的线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，该结构可以在100Hz以下的超低频范围内实现较宽频带的振动能量采集，且通过选用合适的传动梁材料及阶数，可以在100Hz以下的工作频段内实现工作频率的连续可调，增加了能量可采集范围，提高了环境振动能量利用率，有效解决了环境振动能量的低频采集问题。

附图说明

图1为传统悬臂梁（图1-a）、一阶传动（图1-b）和二阶传动（图1-c）结构的等效计算模型。

图2为具有两阶传动梁的拾振结构。

图3为具有三阶传动梁的拾振结构。

图4为压电悬臂梁和质量块。

图中，1-压电悬臂梁，2-质量块，3-第一阶传动梁，4-第二阶传动梁，5-基板，6-压电层，7-第三阶传动梁。

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。

本发明提供的一种线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，包括压电悬臂梁1和质量块2，质量块2粘结在压电悬臂梁1自由端。此外，还包括N阶扁平长方体形的传动梁，N为等于或大于2的自然数。各阶传动梁的尺寸可以相等或不等。

第一阶传动梁3为长方体PDMS材料薄片,该薄片宽边的两端侧面固定硅基板上面，以便MEMS集成加工。

第二阶传动梁4选用橡胶材料，其前端垂直粘结在第一阶传动梁3表面中心处，且其粘结端与一阶传动梁3的长边边界对齐。

如图2所示，N=2时，第二阶传动梁4的末端与压电悬臂梁1用AB胶垂直粘结固定，压电悬臂梁1的固定端与二阶传动梁4的长边边界对齐。

如图3所示，N＞2时，第二阶传动梁4以及其它更高阶传动梁相互垂直并依次首尾粘接固定，即第二阶传动梁4的末端与第三阶传动梁7的前端垂直粘接，第三阶传动梁7再与第四阶传动梁垂直粘接，以此类推，直到第N阶传动梁，第N阶传动梁的末端与压电悬臂梁1垂直粘结固定，压电悬臂梁1的固定端与三阶传动梁7的长边边界对齐。

压电悬臂梁1包括基板5和压电层6，其中：压电层6采用PZT-5H材料（或PZT或ZnO），基板5采用磷青铜（或铝或单晶硅）。如图4所示，基板5和压电层6的长度、宽度相等，在实施过程中，让压电层6与基板5对齐后，用导电银胶粘结固定。

质量块2采用的材料为镍（或铁）。质量块2用AB胶粘结固定在悬臂梁的悬浮端，与基板悬浮端边界对齐；质量块2与压电悬臂梁1的宽度相同，质量块2的长度不宜超过压电悬臂梁1长度的三分之一。

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)

1.一种线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，包括压电悬臂梁（1）和质量块（2），质量块（2）粘结在压电悬臂梁（1）自由端，其特征在于：还包括N阶扁平长方体形的传动梁，N为等于或大于2的自然数； 第一阶传动梁（3）的两端固定，第二阶传动梁（4）的前端垂直粘结在第一阶传动梁（3）表面中心处； N=2时，第二阶传动梁（4）的末端与压电悬臂梁（1）垂直粘结固定； N＞2时，第二阶传动梁（4）以及其它更高阶传动梁相互垂直并依次首尾粘接固定，第N阶传动梁的末端与压电悬臂梁（1）垂直粘结固定。

2.根据权利要求1所述的线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，其特征在于：在各阶传动梁中，第二阶以及更高阶的传动梁采用比第一阶传动梁材料杨氏模量较高的材料。

3.根据权利要求1或2所述的线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，其特征在于：各阶传动梁的尺寸可以相等或不等。

4.根据权利要求1或2所述的线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，其特征在于：压电悬臂梁（1）包括基板（5）和压电层（6），其中，基板（5）选用铝、磷青铜或单晶硅；压电层（6）选用PVDF、PZT或ZnO。

5.根据权利要求1或2所述的线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，其特征在于：质量块（2）选用铁或镍。

6.根据权利要求4所述的线性多自由度低频振动能量采集器拾振结构，其特征在于：质量块（2）选用铁或镍。

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