CN104065301A - 压电静电复合式低频振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电静电复合式低频振动能量采集器，包括：质量块、PVDF薄膜、柔性可变电容、硅衬底；所述柔性可变电极包括PDMS柔性空腔和位于该空腔上下表面的PDMS碳纳米管上电极和PDMS碳纳米管下电极；PVDF薄膜设置于柔性可变电容的PDMS碳纳米管上电极之上，柔性可变电容的PDMS碳纳米管下电极固定于硅衬底之上，质量块用于降低器件的工作频率。本发明能使MEMS换能器件在低频振动环境下获得较大的输出功率和较高的能量转换效率。不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，在环境振动范围内有较高的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及的是一种压电静电复合式低频振动能量采集器。
背景技术
近年来，随着微机电系统MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems微机电系统)技术的不断发展，使得微传感器和微型电子设备等微型系统的应用范围不断扩大，已广泛应用于医学、军事、物联网等领域。由于这些设备是便携式的，其电源的性能和质量成了目前大多数MEMS技术应用的关键所在。传统的电化学电池供电方式存在着寿命短、储存能量有限和需要定时更换等缺点，因此不能提供很好的电源解决方案。于是，人们拟采用环境振动能量采集技术解决以上问题。
基于振动的能量采集器物理原理一般有三种：压电式换能(piezoelectric)、静电式换能(electrostatic)和电磁式换能(electromagnetic)。压电能量采集器依靠压电材料自身承受应力变化，实现机械能向电能的转换，具有结构简单、能量密度高和寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点。因此利用压电材料获取环境振动实现能量采集近来成为研究热点。
目前集成制造的MEMS压电式振动能量采集器，还难以完全满足微传感器和微电子器件应用的需求：一方面，由于采集器尺寸微小其固有频率较高，而自然振动频率主要集中在小于等于200Hz的小频率范围内，因此，目前的MEMS能量采集技术还无法有效在低频环境下(小于等于200Hz)进行能量采集，所获得的输出电能功率密度还较小。这是由于只有当采集器的系统频率于外部振动频率相匹配产生共振时，才能输出最大功率，但是，当压电能量采集器的系统频率稍微偏离外部振动频率时，输出的功率将急剧地减小；另一方面，压电式非常依赖于所用的压电材料的压电性能，目前应用范围较广的材料是PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料，这种材料的压电性能较为优异，但是含有铅对环境有害。
经过对技术文献的检索发现，文献号：IEEE:JournalofMicroelectromechanicalSystems(IEEE期刊：微机电系统杂志)，19.5(2010):1215～1222，JongCheolPark,JaeYeongParkandYoon-PyoLee等人提出了一种piezoelectricd33-ModeMEMSenergyharvester(d33模式的压电式微机械系统能量采集器)。该技术利用MEMS工艺制作成一个硅悬臂梁式的能量采集器，具有较高的能量输出。但是共振频率在500Hz以上，不符合环境振动的频率范围，且能量转换效率较低，且利用了PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料，对环境有污染。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于PVDF(聚偏二氟乙烯)材料的压电静电复合式低频振动能量采集器，使换能原件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器固有频率高和输出功率低等问题。
本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：质量块、PVDF薄膜、柔性可变电容、硅衬底；所述柔性可变电极包括PDMS(聚二甲基硅氧烷)柔性空腔和位于该空腔上下表面的PDMS碳纳米管上电极和PDMS碳纳米管下电极；PVDF薄膜设置于柔性可变电容的PDMS碳纳米管上电极之上，柔性可变电容的PDMS碳纳米管下电极固定于硅衬底之上，质量块用于降低器件的工作频率。
优选地，所述的所述的质量块是由大密度的镍制作的。
优选地，所述的PVDF薄膜的厚度为30～50微米。
优选地，所述的柔性可变电容的PDMS碳纳米管上电极和PDMS碳纳米管下电极是由PDMS和碳纳米管掺杂混合物形成的薄膜导电体。
优选地，所述的柔性可变电容的空腔是由PDMS浇注成型的模块键合在一起制备的。
优选地，所述的硅衬底是一块平整的硅片，用作整个器件的支撑层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明柔性可变电容采用PDMS空腔结构，在受外界振动时柔性可变电容的PDMS碳纳米管上电极和PDMS碳纳米管下电极之间的距离会发生改变，从而实现了一个可变的电容，利用电容的变化可以实现机械能向电能的转换。PVDF薄膜在振动时，发生应变产生压电效应，将一部分振动能量转换为电能。本发明能使MEMS换能器件在低频振动环境下获得较大的输出功率和较高的能量转换效率。不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，在环境振动范围内有较高的能量转换效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中的柔性可变电容的示意图；
图3是本发明在振动源的作用下发生向下弯曲的示意图；
图4是本发明在振动源的作用下发生向上弯曲的示意图；
图中：质量块1、PVDF薄膜2、柔性可变电容3、硅衬底4、PDMS碳纳米管上电极5、PDMS柔性空腔6、PDMS碳纳米管下电极7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例包括：质量块1、PVDF薄膜2、柔性可变电容3、硅衬底4。质量块1设置于PVDF薄膜2上方，PVDF薄膜2附着于柔性可变电容3的上方，柔性可变电容3的下方固定于平整的硅衬底4上。
如图2所示，本实施例柔性可变电容3包括：PDMS碳纳米管上电极5、PDMS柔性空腔6、PDMS碳纳米管下电极7，其中：上电极PDMS碳纳米管薄膜5、PDMS柔性空腔6、下电极PDMS碳纳米管薄膜7依次相连。PDMS柔性空腔6上表面设有一层PDMS碳纳米管上电极5，本实例使用PDMS和碳纳米管的混合物薄膜；PDMS柔性空腔的下表面设有一层PDMS碳纳米管下电极7，本实例中使用PDMS和碳纳米管的混合物薄膜。
如图3所示，位置A为能量采集器在外界振动激励下发生共振的第一稳态位置，此时向下位移是最大的，柔性可变电容3的PDMS碳纳米管上电极5和PDMS碳纳米管下电极7之间的距离最短，电容是最大的。
如图4所示，位置B为能量采集器在外界振动激励下发生共振的第二稳态位置，此时向上位移是最大的，柔性可变电容3的PDMS碳纳米管上电极5和PDMS碳纳米管下电极7之间的距离最短，电容是最小的。
本实例的工作原理是：当把本装置放置于环境振动中，在一定的加速度条件下，PDMS柔性空腔6会在第一稳态位置A和第二稳态位置B之间相互切换。当柔性空腔从第一稳态位置A转换为第二稳态位置B时，柔性可变电容3的PDMS碳纳米管上电极5和PDMS碳纳米管下电极7之间的距离变小，柔性可变电容3的电容变大，同时位于柔性可变电容3表层的PVDF薄膜2向下弯曲，在PVDF薄膜2的上下表面产生电压。随后，由于外界环境的振动，PDMS柔性空腔6会从第二稳态位置B切换到第一稳态位置A，此时柔性可变电容3的PDMS碳纳米管上电极5和PDMS碳纳米管下电极7之间的的距离变大，柔性可变电容3的电容变小，同时位于柔性可变电容3表层的PVDF薄膜2向上弯曲，在PVDF薄膜2的上下表面生成电压。
本实施例PVDF压电静电复合式低频振动能量采集器能够在一个较低的工作频率内输出稳定功率，与现有相关技术相比，其优点是：质量块能降低器件的工作频率，使其能在较低的频率的环境振动下采集能量，复合式的设计能够有效提高机械能向电能转换的效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种压电静电复合式低频振动能量采集器，包括：质量块、PVDF薄膜、柔性可变电容、硅衬底；所述柔性可变电极包括PDMS柔性空腔和位于该空腔上下表面的PDMS碳纳米管上电极和PDMS碳纳米管下电极；PVDF薄膜设置于柔性可变电容的PDMS碳纳米管上电极之上，柔性可变电容的PDMS碳纳米管下电极固定于硅衬底之上，质量块用于降低器件的工作频率。
2.根据权利要求1所述的压电静电复合式低频振动能量采集器，其特征是，所述的柔性可变电容的PDMS碳纳米管上电极和PDMS碳纳米管下电极是由PDMS和碳纳米管掺杂混合物形成的薄膜导电体。
3.根据权利要求1所述的压电静电复合式低频振动能量采集器，其特征是，所述的柔性可变电容的空腔是由PDMS浇注成型的模块键合在一起制备的。
4.根据权利要求1-3任一项所述的压电静电复合式低频振动能量采集器，其特征是，所述的质量块是由大密度的镍制作的。
5.根据权利要求1-3任一项所述的压电静电复合式低频振动能量采集器，其特征是，所述的PVDF薄膜的厚度为30～50微米。
6.根据权利要求1-3任一项所述的压电静电复合式低频振动能量采集器，其特征是，所述的硅衬底是一块平整的硅片，用作整个器件的支撑层。
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