CN104022688B - 基于驻极体的mems电场能量收集器 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量收集利用技术领域，尤其涉及一种基于驻极体的MEMS电场能量收集器，主要用于空间中交流电场的能量收集。该收集器包括：绝缘基板、压电丝、支撑面、驻极体；其中压电丝置于绝缘基板平行上方；通过支撑面上粘附的驻极体构成的静电场，对处于场中的压电丝提供适当的偏置；在静电场偏置下的压电丝对外加电场的敏感性大大增强，当压电丝在外部电场激励下振动时，压电材料受拉伸或压缩发生应力应变导致内部电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，并通过压电丝连接的外部电路完成对电场能量的收集功能。本发明采用MEMS微加工工艺制造，开创性的利用了空间中的电场能量，体积小携带方便，成本低。

Description

基于驻极体的MEMS电场能量收集器

技术领域

本发明属于能量收集利用技术领域，尤其涉及一种基于驻极体的MEMS电场能量收集器。

背景技术

高压输电线路的运行状态直接决定电网运行的安全和效益，对其运行状态的实时监测一般通过安装故障检测节点的方法。故障检测节点通常悬挂于架空的高压线上，采用常规方式对检测节点供电会存在很大的困难。目前已有如下的方案包括：1)电池，使用电池供电不受周围环境影响，但是电池寿命有限，需要频换更换；2)太阳能电池，太阳能电池是一种很好的办法，但受环境影响较大，使用范围相当有限；3)高压电流感应电源，该方法依靠高压线路中交流电的磁路经过线圈来感应获得能量，原理类似于变压器；不足之处在于高压线路中的电流强度随用户用电情况会发生较大的变化，导致能源供应非常不稳定，甚至会存在断电的可能。

基于以上认识和分析，传感器检测节点的电源供应需满足输出稳定，不受环境影响，不用人工干预等要求，最好能从承载巨大能量的高压线自身获取电能。在这个情况下，我们结合MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)技术，提出基于驻极体的MEMS电场能量收集器。

能量搜集器被视为解决无线传感器网络节点供电问题的最佳方案，其自身能搜集利用周围环境中的各种能源，如热能、机械能、动能、场能、化学能等等，并将这些能源转化为电能，实现对外供电。随着MEMS技术的不断发展，传感器件单元工作所需的能量越来越小，也为各类传感器和能量收集器的加工制造提供可能，因此在解决节点供电问题上具有很大的前景和实际价值。环境中的电场是无处不在的，全世界都基本被工频输电网覆盖，或高压或低压或二者皆有。尤其是高压输电线周围，电磁场资源更为丰富；高压输电线的电压是极其稳定的，且高压对应的周围电场也很强，蕴藏着充足的场能。如何利用场能成为解决该问题的关键。

发明内容

本发明提出的一种基于驻极体的MEMS电场能量收集器，主要由绝缘基板、压电丝、支撑面、驻极体所组成。

所述绝缘基板水平放置于传感器底部，压电丝放置在绝缘基板的平行上方。

所述支撑面由绝缘材料做成，垂直固定在绝缘基板上，且和压电丝保持一定距离。

所述驻极体粘附于支撑面上，用驻极体胶带或液态驻极体匀胶粘附。

所述压电丝与外部电路相连。

所述收集器的工作方式如下：

支撑面上的驻极体经过驻极之后，内部电荷会产生相应的感应电荷，从而在周围产生静电场；放置于中间的压电丝在静电场作用下，发生一个固定的偏转，即所谓的偏置；在静电场偏置下的压电丝对外加电场的敏感性大大增强，当压电丝在外部电场激励下振动时，根据压电丝材料的压电效应，压电材料受拉伸或压缩发生应力应变导致内部电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，并通过压电丝连接的外部电路完成对电场能量的收集功能。

本发明与已有技术相比的优点：

1)巧妙利用了高压线本身所传输的巨大能量；且高压线电压不变，其周围的电场分布是一个稳定的交变电场，因此收集器能稳定工作，为检测节点持续可靠提供电源。

2)用驻极体形成了一个内部静电场，为压电丝提供了初始偏置，使得压电丝收到很小的扰动就会振动起来，增强了该系统的灵敏性和输出能量，尤其是针对低频且强度较弱的电场。

3)含金属芯的压电纤维在静电场中振动时，根据压电效应会产生电荷，将机械能转化为电能；巧妙实现静电场和振动结合，并可优化达到最大输出。

4)使用MEMS技术十分有利于系统集成和批量生产，传感器体积小，同时降低了成本。

附图说明

图1为基于驻极体的MEMS电场能量收集器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出的一种基于驻极体的MEMS电场能量收集器，如图1所示，主要由绝缘基板、压电丝、支撑面、驻极体所组成。

绝缘基板水平放置于传感器底部，压电丝放置在绝缘基板的平行上方。

支撑面由绝缘材料做成，垂直固定在绝缘基板上，且和压电丝保持一定距离。

驻极体粘附于支撑面上，用驻极体胶带或液态驻极体匀胶粘附。

压电丝与外部电路相连。

本能量收集器的工作方式如下：

支撑面上的驻极体经过驻极之后，内部电荷会产生相应的感应电荷，从而在周围产生静电场；放置于中间的压电丝在静电场作用下，发生一个固定的偏转，即所谓的偏置；在静电场偏置下的压电丝对外加电场的敏感性大大增强，当压电丝在外部电场激励下振动时，根据压电丝材料的压电效应，压电材料受拉伸或压缩发生应力应变导致内部电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，并通过压电丝连接的外部电路完成对电场能量的收集功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于驻极体的MEMS电场能量收集器，其特征在于，主要由绝缘基板、压电丝、支撑面、驻极体所组成；所述收集器的工作方式如下：

支撑面上的驻极体经过驻极之后，内部会产生相应的感应电荷，从而在周围产生静电场；绝缘基板水平放置于传感器底部，压电丝放置在绝缘基板的上方并放置于支撑面的一侧且与绝缘基板平行，压电丝在静电场作用下，发生一个固定的偏转，即所谓的偏置；在静电场偏置下的压电丝对外加电场的敏感性大大增强，当压电丝在外部电场激励下振动时，根据压电丝材料的压电效应，压电材料受拉伸或压缩发生应力应变导致内部电荷流动形成电信号，实现机械能向电能的转换，并通过压电丝连接的外部电路完成对电场能量的收集功能。

2.根据权利要求1所述的收集器，其特征在于，所述支撑面由绝缘材料做成，垂直固定在绝缘基板上，且和压电丝保持一定距离。

3.根据权利要求1所述的收集器，其特征在于，所述驻极体粘附于支撑面上，用胶带或液态匀胶粘附。