CN104011889A

CN104011889A - 压电能量采集装置或致动器

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Publication number: CN104011889A
Application number: CN201280054146.3A
Authority: CN
Inventors: 李立杰; 杰勒德·安东尼·罗南
Original assignee: Ao Teai Ne Zhisi Co Ltd
Current assignee: Ao Teai Ne Zhisi Co Ltd
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2032-11-05
Also published as: US9508917B2; JP2015503218A; ES2603576T3; US20140285067A1; WO2013064841A1; CN104011889B; EP2777082B1; EP2777082A1

Abstract

本发明涉及一种压电能量采集装置或致动器，其在基底(14)上包括压电材料(12)。压电材料被分割成若干离散区域以在基底上提供相互电绝缘的若干压电元件(16)。元件优选地沿着悬臂梁的长度设置。压电层可以利用在梁的纵向上延伸的绝缘间隙被分割或进一步分割，以用于梁振动的扭转模式以及弯曲模式中的能量采集。

Description

压电能量采集装置或致动器

技术领域

本发明涉及压电能量采集装置或致动器，以及特别地但不唯一地涉及双压电晶片配置的压电采集装置或致动器。

背景技术

在换能器中使用压电材料以将机械应变转换成电荷来用于能量采集应用。以所谓的双压电晶片配置的压电能量采集是最流行的方式，其采集用于产生电能的机械能。压电能量采集器通常是覆盖有一层压电材料的振动悬臂。压电材料将例如来自环境振动的机械应变转换成可以对电气装置供电的电荷。可替换地，这种装置可以相反地操作用于将电能转换成机械能，或者例如在电机或致动器应用中工作。典型地，在这种配置中的悬臂的长度在单个连续条带中覆盖有压电材料。

基于机械-电能转换技术的能量采集系统近年来吸引了显著的研究兴趣，特别地用于对无线传感器供电。研究涉及基于包括压电、电磁和静电的换能技术的能量采集方法。这些中，压电转换被认为是该领域中最有前途的技术并且引起了显著的研究关注，因为其一般具有较高的电机耦合效率并且与其他技术相比不需要外部的电压源。压电转换特别地在诸如微电机系统(MEMS)和无线传感器网络(WSN)的应用领域中引人注目。无线传感器网络由于其灵活性、容易实施和在严酷操作环境中的操作能力，在包括环境、健康、安全和军事应用的各种应用领域中与现有的有线方法相比具有提供显著的优点的潜力。当前，大多数WSN使用电池、再充电或其他方式来供电，其可能由于高成本、体积、尺寸和短的操作寿命而限制它们的应用。因此，对WSN或微系统供电的来自环境的能源(例如，将机械振动转换成电力)的开发近年来引起了越来越多的兴趣。

阻碍压电能量采集装置的广泛的实际应用的主要因素是已知压电材料产生少量的能量。

近年的研究活动在于改进压电能量采集装置的能量效率和寿命。这可以通过以下来实现：增大带宽；调整悬臂的谐振频率；选择诸如具有较高耦合效率的合适的材料；以及改进AC-DC转换电路。装置的结构已经被认为是影响效率的关键因素。目前，悬臂梁配置是用于这种装置的最流行的结构。具有附着至基底的顶部或底部的压电材料的悬臂配置当前在其简单性和好的耦合效率方面被认为是用于能量采集的最佳结构。传统的悬臂能量采集配置基于块体压电板或层。然而，已知的基于压电悬臂梁的采集装置主要以振动的弯曲运动/模式工作。这是因为，在纯扭转模式中，在结构的表面上产生的电荷被分成两组，正和负电荷区域。这些区域由于扭转中悬臂梁结构的对称应变而具有相反符号的相同量的电荷。由此，扭转时从已知配置的装置的表面输出的总电输出将是零，因为正和负区域相互抵消，从而提供零净电荷。

发明内容

因此，需要一种改进的压电能量采集装置和/或在相反的(电机/致动器)操作模式中时的功率消耗。

根据本发明的一方面，提供一种压电能量采集装置或致动器，其在基底上包括压电材料，其中所述压电材料被分割成若干离散区域以在基底上提供相互电绝缘的若干压电元件。在该方面，发明人设计了新颖的双压电晶片的悬臂能量采集配置，其包括压电材料的分段层以及基底层。与相同大小和形状的具有未分段层的已知装置相比，分段层提供了改进的效率。由此，根据本发明的该方面的装置可以比类似形状和大小的已知装置具有更大的功率产生能力和/或在相反操作模式中操作(即被配置为将电能转换成机械能或在电机或致动器应用中工作)时具有更高的效率。为了简化，在之后的描述中，术语“能量采集装置”也指这样的装置，其被配置为在对该装置施加电流时作为电机/致动器以相反模式操作以提供运动。可以理解，具有分段层的装置具有与具有未分段层的类似装置不同的自然频率，这样，分段装置的自然频率可以匹配至期望操作环境的自然频率。

压电层可以以以下方式被分段：至少压电材料的表面之一是电不连续的，以使得表面电流最小化。

优选地，分段元件以阵列配置，其中相邻元件之间具有电绝缘间隙。这提供了用于制造该装置的简单结构。

在优选实施例中，元件可以沿着悬臂梁的长度设置。可以理解，本发明可等价地应用至具有悬臂梁配置和其他配置的装置。

优选地，梁设置有平衡或不平衡的重量。在大多数应用中，设想梁由于平衡所述梁的实用性而设置有不平衡的重量。

在优选实施例中，元件可以沿着梁的长度以端到端配置设置以用于梁运动的弯曲模式中的能量采集，其中在相邻元件之间具有绝缘间隙。

根据本发明的以上方面的压电能量采集装置或致动器可以具有压电层，该压电层被分割以提供2至30个相邻元件，优选地6至20个元件，最优选地20个元件。在一个实施例中，本发明人发现，尽管采用2至30个元件改进了效率，分段元件的最佳数量是20或者在其区域中。

根据本发明的以上方面的压电能量采集装置或致动器可以包括压电层，压电层利用在梁的纵向上延伸的绝缘间隙被分割或进一步分割，以用于梁振动的扭转模式中的能量采集。由振动的扭转模式产生的电荷在使用中以与具有单一未分段层的已知装置相同的方式分配。然而，在间隙的相邻侧上的正和负电荷不像它们在具有未分段压电层的装置中那样相互抵消，因为它们没有被电连接。由此，从间隙的两侧上的压电层产生的电能可以被相加以改进装置的功率产生能力。间隙使片段电绝缘，从而实现在弯曲和扭转模式/运动中的能量采集。

在优选实施例中，压电能量采集装置或致动器可以进一步包括用于同时和/或顺序地在梁振动的扭转和弯曲模式中采集电能的部件。以这种方式，可以在多个振动模式中从单个装置采集能量以最大化装置可以产生的能量。

压电能量采集装置或致动器可以进一步包括用于在所述压电层中选择一个或多个所述片段或其集合来用于一个或多个振动模式中的能量采集的部件。以这种方式，仅装置的所选择范围或区域，或更具体的压电层，可以被选择用于能量采集。相对于基底或其他参考具有最大电势差的范围或区域可以在一个或多个振动模式中被选择以最大化装置的效率。从所选择片段或区域中产生的能量可以被累加以增大装置的输出。

本发明人已经通过具有被分成两个分离部件的压电层、支撑基底和固定在悬臂端部的不平衡块的压电悬臂能量采集器或致动器的实验研究证实，该构造实现了弯曲和扭转模式/运动中的能量转换。因为扭转模式具有比用于悬臂梁的低阶弯曲模式更高的自然频率，因而可以理解，装置的可用带宽通过以其基本阶和较高阶在弯曲和扭转模式中采集能量来改进。

在优选实施例中，基底/压电层厚度比大体上在1:1和2:1之间，优选地，基底/压电层厚度比大体上为1:1或2:1。压电层和基底之间的厚度比在能量采集装置的性能方面是重要的因素。已经发现，最佳厚度比取决于装置的大小和几何形状(宽度和长度)，用于能量采集的最佳厚度比在一些实施例中大约为1:1。

优选地，基底材料是钢。

在优选实施例中，基底材料的厚度大体上在100-200微米范围内。在具有与基底材料一样的钢的装置中，当钢制基底的厚度为对应于1:1和2:1的厚度比的100或200微米时，所存储能量和开路电压被发现最大。

优选地，压电材料包括在两侧都涂布有薄的铝层的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜。

本发明还构想包括具有根据本发明上述方面的压电能量采集装置或致动器的传感器、无线传感器或MEMS装置的其他方面。

本发明还涉及传感器或无线传感器，其进一步包括用于将电流施加至装置的压电层或其他压电元件以改变装置的刚度并且从而改变装置的自然谐振频率的部件。这可以在用于改变传感器的灵敏度的实施例中使用。

本发明还涉及压电致动器，其还包括用于将电流施加至装置的压电层或其他压电元件以使得装置或其一部分偏转的部件。本发明的该方面发现需要运动的应用中的特定应用，例如提供驱动力。

本发明的压电能量采集装置或致动器可以包括一个或多个具有不规则几何形状的压电元件。例如，代替诸如矩形的规则形状，一个或多个、或者所有元件可以是不规则形状。

本发明的压电能量采集装置或致动器可以包括具有不同形状和/或大小的压电元件。由此，所选择的一个或多个元件可以具有在装置的一个区域中选择较高效率的特定形状和大小，以及另一元件集合中的另一元件。可以理解，在特定实施例中，所有元件可以具有不同的形状和大小。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式更详细地描述本发明，其中：

图1(a)示出传统的块体双压电晶片的压电采集装置的示意配置；

图1(b)示出了20分段的压电采集装置的示意配置，这里的压电层的尺寸为14mm长、2mm宽、0.2mm厚。压电层的具有0.05mm间隙的片段沿着X轴均匀布置；

图1(c)是分段FE模型的网格；

图2是示出已知的块体板配置以及根据本发明实施例的能量采集装置的6分段、20分段配置的沿着X轴的表面电势的图形表示；

图3是已知的块体板配置和如图2中的分段配置的沿X轴的电位移的图形表示；

图4是具有分段压电层的装置中所存储的电能和离散片段的数量的图形特征；

图5是示出已知的块体层配置和20分段的层装置的动态响应的图形表示；

图6是用于能量采集装置的已知的单个(或块体)压电层悬臂结构的示意表示；

图7是根据本发明实施例的能量采集装置的分裂薄膜压电层悬臂结构的示意表示；

图8示出传统的块体层结构的频率响应；

图9(a)示出图7的配置中一个薄膜(或片段)的频率响应；以及

图9(b)示出图7的配置中相邻薄膜(或片段)的频率响应。

具体实施方式

如之前提到的，传统的悬臂能量采集配置基于块体压电板或层，例如图1(a)所示。为了实现较高的输出功率，发明人发现较大的能量采集效率通过双压电晶片的悬臂能量采集配置10实现，其包括压电材料的分段层12和基底层14，其示例在图1(b)和图1(c)的FE模型中示出。本发明的能量采集装置的增大的效率通过发明人使用有限元素法(FEM)在一个接一个的比较研究中证实，其使用传统的配置(图1(a))和具有各种片段的图1(b)的配置，即，不同数量的分段的、电隔离的、压电元件16。在图1a所示的已知配置中，未分段的压电材料的层12a被示出在基底14a上。

通过背景资料，压电能量采集的方法基于以下理论。

压电效应，即电场和机械结构之间的相互作用由J和P Curie在1880年发现。压电能量采集利用在受到机械压力时产生电荷的活性材料。双压电晶片的悬臂的应变、应力、电场和电位移之间的关系由以应变-电荷形式写成的等式确定：

S＝S^ET+d^TE (1)

D＝ε^TE+d^T (2)

其中S是机械应变矢量，T是机械应力矢量，s^E是弹性顺度张量，d是压电应变常数，D是电位移矢量，E是电场矢量，ε^T是电容率张量。

在图1(b)中所示的双压电晶片的悬臂能量采集配置10包括压电材料的分段层12和基底层(单晶硅)14。压电材料优选地是氮化铝(AlN)，因为其与标准CMOS技术兼容、生物相容性、良好的压电系数、良好的电机耦合系数、低电容率和高的杨氏模量。压电层沿着基底的长度被分段或分割以使得每个片段提供单独的压电元件，其在压电层中通过相对小的绝缘间隙或不连续性与元件的相邻片段电绝缘。在所示出的示例中，间隙被示出在以一维阵列沿着基底的长度配置的相邻元件16之间，间隙垂直于包括压电层和基底的悬臂梁的纵向方向延伸。可以理解，由于应变在压电层12上感生的电荷可以根据以下等式确定：

Q_{out} = {&Integral;}_{A_{p}} D_{z, p} d A_{p} - - - (3)

其中，D_z,p是电位移，A_p是压电面积。分段采集装置的所存储的电能E_stored可以表示为：

E_{stored} = Σ_{i = 1}^{N} \frac{Q_{i} * V_{i}}{2} = Σ_{i = 1}^{N} \frac{C_{i} * V_{i}^{2}}{2} = Σ_{i = 1}^{N} \frac{Q_{i}^{2}}{2 C_{i}} = \frac{1}{2} Σ_{i = 1}^{N} \frac{{({&Integral;}_{A_{p, t}} D_{z, p, i} d A_{p, i})}^{2}}{C_{i}} - - - (4)

其中，Q_i、V_i、C_i、D_z,p,i、A_p,i分别是第i个分段压电片的感生电荷、电势、电容、电位移、面积。对于传统的配置，N＝1。从等式(4)可以看出，感生的电能与电位移的平方值成正比。因为沿着Y轴的电位移分布在此处应用的结构中是均匀的，因而压电材料的所存储的电能取决于沿着X轴的电位移分布。

建模和仿真—其通常基于FEM—是用于研究和预测高效率能量采集装置的性能的标准步骤。在图1(c)中所示的FEM是利用市售软件COMSOL来建模的。发明人研究了从1至30的各种分段的配置，即，具有压电材料中2个至30个单独的电绝缘片段的各种分段程度的FEM。在20个片段配置的情况下，所描述示例中的FEM网格包括2328个元素，具有总共106015个自由度。每个材料层被沿着厚度分割成3个线性分隔的元件(图1(c))。氮化铝性质由Comsol提供。对于支撑结构-硅，在该示例中，以下材料性质被应用至模型：杨氏模量E＝205Gpa，泊松比v＝0.28，以及密度ρ＝2330kg/m³。在图1(b)中所示的0.01N的点力(point force)在此被施加以引起装置上的机械应变。在静态模式及其动态响应中的输出电压和所存储电能使用FEM模型来确定。

已经研究了基于压电层中2-30个离散片段或元件的FEM。一些典型配置即块体、6和20个片段的沿着X轴的表面电势和电位移的预测值分别在图2和3中示出。在静态模式中存储的电能根据等式(4)来计算。从图4可以看出，当压电层被分割成20片时，所存储的电能在所研究的特定FEM中具有最大值。

在动态模式中，并且如图5所示，块体配置(零分段)的所存储电能在1120Hz的谐振频率下为1.98×10^-9J，而20分段配置的所存储电能在1120Hz下为3.86×10^-9J。

总之，发明人研究了各种分段压电层的基于AlN的能量采集器的静态和动态性能。这些配置的理论分析和仿真结果显示分段配置相比已知结构(即未分段配置)具有更高的电能输出。此外，分段配置具有较低的谐振频率，其提高了匹配环境振动频率的能力，并且因而增大了根据本发明的该方面的能量采集装置的输出功率。

现在参考图6至9(b)，在图7中示出的压电悬臂能量采集装置20的另一实施例包括压电层22、支撑基底28和固定在悬臂基底的自由端即远端的不平衡块30，压电层22被分割成一对大小和形状基本相同的相邻的平行纵向延伸条带24和26。在该实施例中，压电条带24和26通过条带之间的压电材料中的纵向间隙32相互电绝缘。如将进一步论述的，该配置能够在弯曲和扭转模式/运动中进行能量转换。

可以理解，在该实施例中，由两个压电条带24和26在纯扭转运动/模式中产生的电荷针对每个条带来说将差不多相等。然而，由每个条带产生的电荷将具有相反的极性，一个是正的，一个是负的。在该实施例中，压电条带限定离散的元件，其在使用中不像图1(a)中所示的已知配置那样相互抵消，这是由于两个压电条带通过在压电层的中间的细长间隙32电分离的事实。

在进一步的实验研究中，在根据本发明的该实施例(图7)构造的双压电晶片的压电能量采集装置的性能和与图1(a)所示类似的之前被称为块体层配置的已知构造(图6)的装置的性能之间进行直接比较。在实验研究中，两种装置都使用PVDF材料的压电层和细长钢制基底悬臂来构造，其中压电层在根据如前所述的本实施例的装置中被分割成平行条带。

图6和7的装置都包括压电悬臂结构，其包括在两侧都涂布有薄的铝层的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜和钢制的悬臂基底。PVDF薄膜通过导电环氧树脂粘合在钢制悬臂基底上。在该方面，可以理解，薄膜的一侧连接至钢制基底而另一侧敞开。尺寸为9mm×8mm×6mm的不平衡钢块粘合至具有不导电环氧树脂的悬臂的自由端即远端。

该结构在图6和7中示出，示出了钢制基底和压电PVDF薄膜的尺寸。图7的分裂薄膜悬臂实施例利用固定在基底表面上的两个薄的PVDF薄膜来构造。在图6和7中，可以理解，各个悬臂的较宽的近端固定在附接至振动器台面(未示出)的支架(未示出)上，以用于上述实验研究。

在上述研究中，机械振动器(LDS V406)用于产生振动机械力。振动器由市售的在振动器终端处产生800mV的峰-峰正弦信号的TTiTG1010可编程功能发生器驱动。压电薄膜的输出连接至示波器。

由所述实验确定的图6和7的压电结构的频率响应特性(电压和频率)分别在图8和9(a)、9(b)中呈现。针对图6的已知配置，装置的输出终端是PVDF薄膜的顶部表面和基底终端。图8示出在不同机械激励频率下已知结构的响应。可以看出，在16.4Hz、195Hz和590Hz处存在三个主峰。可以注意到，在不同谐振频率下的输出电压之间存在显著差异。最大电压发生在195Hz处，具有4.8V的峰-峰值。

在图7的配置中，两个薄膜的输出电压在相应薄膜和基底之间测量。图9(a)和图9(b)分别示出上部和下部薄膜的频率响应。其中一个薄膜，以下被称为上部薄膜，具有四个主峰(比图6的已知配置多了一个额外峰)，而另一薄膜，以下被称为下部薄膜，具有三个主峰。在图9(a)中，其中三个峰的频率接近单个薄膜的峰(18Hz、200Hz和630Hz)。剩余峰在575Hz。针对下部薄膜，处于575Hz的峰不明显，取而代之的是，示出了中心在约630Hz的加宽高斯形曲线。针对幅度，已知结构产生比新结构高的电压，这是由于在实验中使用的已知结构中的压电材料的更大面积。经典结构的最大电压被测量为4.8V，而在新装置的薄膜之一上的最大测量电压为1.14V。

在大约15-20Hz的低频率范围中，已知和分裂薄膜结构都具有机械谐振。在已知结构的情况下发现，当机械振动器在16.5Hz的谐振频率处具有800mV峰-峰输入正弦信号时，输出信号是线性的并且滞后一个小的相位。在该频率下的峰-峰电压是2.32V。分裂薄膜装置的输出在接近相同的谐振频率(18Hz)处测量，以及在相同输入条件下的上部和下部薄膜的输出被观察到针对每个薄膜为大约1V峰-峰值。

为了证实分裂薄膜压电悬臂在弯曲和扭转模式中工作的理论，发明人观察到在18Hz和200Hz处两个薄膜的所测量的输出电压。薄膜的输出被发现几乎处于指示压电分裂薄膜结构在这些频率下处于弯曲模式的相位上。在560Hz下所观察到的上部和下部薄膜之间180°相移示出在该频率下实验分裂薄膜结构的谐振模式具有扭转成分。可以理解，如果分裂薄膜结构的两个薄膜的输出使用外部相移器来组合，则可以实现2.5V峰-峰电压并且输出功率具有实质增长。

总之，图6至9(b)描述了通过具有采集弯曲和扭转运动的优点的新颖压电能量采集结构的实验的验证。与已知装置相比，分裂薄膜结构包括在共用基底上的两个分裂压电薄膜。已知和分裂薄膜压电悬臂结构都针对频率响应和功率输出被测试并且特征化。通过实验，发明人确认分裂薄膜结构可以采集弯曲和扭转运动。

Claims

1.一种压电能量采集装置或致动器，其在基底上包括压电材料，其中所述压电材料被分割成若干离散区域以在所述基底上提供相互电绝缘的若干压电元件。

2.根据权利要求1所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述元件以阵列配置，相邻元件之间具有电绝缘间隙。

3.根据权利要求1或2所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述元件沿着悬臂梁的长度设置。

4.根据权利要求3所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述梁设置有平衡或不平衡重量。

5.根据权利要求3或4所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述元件沿着所述梁的长度以端到端配置设置以用于梁运动的弯曲模式中的能量采集，其中在相邻元件之间具有绝缘间隙。

6.根据权利要求5所述的压电能量采集装置或致动器，其中，压电层被分割以提供2至30个相邻元件，优选地6至20个元件，最优选地20个元件。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述压电层利用在所述梁的纵向上延伸的绝缘间隙被分割或进一步分割，以用于梁振动的扭转模式中的能量采集。

8.根据权利要求7所述的压电能量采集装置或致动器，还包括用于同时和/或顺序地在梁振动的扭转和弯曲模式中采集电能的部件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，还包括用于在所述压电层中选择一个或多个所述片段或其集合来用于能量采集的部件。

10.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，基底/压电层厚度比大体上在1:1和2:1之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，基底/压电层厚度比大体上为1:1或2:1。

12.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，基底材料是钢。

13.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述基底材料的厚度大体上在100-200微米范围内。

14.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述压电材料包括在两侧都涂布有薄的铝层的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜。

15.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述压电层以以下方式被分段：至少所述压电材料的表面之一是电不连续的，以使得表面电流最小化。

16.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，所述压电元件中的一个或多个具有不规则几何形状。

17.根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或致动器，其中，至少所选择的压电元件具有不同的形状和/或大小。

18.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置的传感器。

19.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置的无线传感器。

20.根据权利要求18或19所述的传感器，还包括用于将电流施加至所述装置的压电层或其他压电元件以改变所述装置的刚度从而改变所述装置的自然谐振频率的部件。

21.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的压电能量采集装置或传感器的MEMS装置。

22.根据权利要求1-17中任一项所述的致动器，还包括用于将电流施加至所述装置的压电层或其他压电元件以使得所述装置或其一部分偏转的部件。