CN105043530B - 感知平面全方向振动的mems传感器和能量采集器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感知平面全方向振动的MEMS传感器和能量采集器及方法。本发明采用压电驻极体的弹簧连接圆片状的中心振子与固定框，由于压电驻极体在受激振动下会产生压电效应，从而实现振动能量和电学信号的转换；弹簧采用同心圆环分布，因此实现了平面全方向振动的等同压电效应，达到振动感知和振动能量采集的目的，以作为传感器又可以作为能量采集器，实现在平面内360°全方向振动传感并采集振动能量、尺寸小，集成度高，温度特性好、能量密度高、振动敏感度高，寿命长、可靠性高等优点，可广泛应用于物联网中地震动传感和的无线传感网络节点的供电，如便捷式可穿戴设备、无人值守的无线智能系统中。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS振动传感器，具体涉及一种感知平面全方向振动的MEMS传感器和能量采集器及方法。
背景技术
近年来国外学者针对平面内两方向的振动传感和能量采集技术开展了探索性研究。现有研究在平面内两自由度的振动传感和振动能量采集领域已取得一些进展，但现有技术仅局限于在某两个特定方向的振动，而在平面内其他方向振动的传感和能量采集效率几乎为零，难以实现面内全方向的振动传感和振动能量采集。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种感知平面全向振动的MEMS传感和振动能量采集系统，既可以作为传感器又可以作为能量采集器使用，实现面内全向振动传感和振动能量采集，具有尺寸小、集成度、温度特性好等优点，可广泛应用于物联网中的地震动传感器和无线传感网络节点的供电。
本发明的一个目的在于提供一种具有平面全方向振动的MEMS传感器和能量采集器。
本发明的具有平面全方向振动的MEMS传感器包括：中心振子、弹簧、固定框和信号处理器；其中，中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。
圆片状的中心振子的半径为r，厚度为h，满足以匹配、耦合振动源的低频特性；中心振子的材料采用金属或高掺杂硅的导体。
弹簧采用压电驻极体，压电驻极体包括压电驻极体基体及其表面的极化电荷，压电驻极体基体为多孔结构，在压电驻极体基体的孔洞附近附着有计划电荷；在外力作用下，压电驻极体发生形貌变化，产生压电效应。压电驻极体的材料采用聚合物如派瑞林Parylene、和特氟龙Teflon，以及无机压电驻极体材料如二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4中的一种。
固定框采用导体。固定框包括多对电极，每一对电极感受一个振动方向。
采用压电驻极体的弹簧连接圆片状的中心振子与固定框，当有来自平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变，引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化，在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场。变化的电场在固定框上多对电极上存在不同的分量，即输出电压在多对电极上存在分量，信号处理器通过对比多对电极间的分量，从而实现在平面内360°全方向振动传感。
本发明的感知平面全方向振动的MEMS能量采集器包括：中心振子、弹簧、固定框和电容；其中，中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至电容的两端；其中，N为正偶数，且≥4。
采用压电驻极体的弹簧连接圆片状的中心振子与固定框，当有来自平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变，引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化，在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的电极间产生变化的电场；电极连接至电容，将电场能量储存，从而实现在平面内360°全方向振动能量采集，实现发电。
本发明的另一个目的在于提供一种感知平面全方向振动的MEMS传感器的传感方法和能量采集器的采集方法。
本发明的感知平面全方向振动的MEMS传感方法，包括以下步骤：
1)平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变；
2)中心振子引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化；
3)在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的一对电极间产生变化的电场；
4)圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上，变化的电场在固定框上多对电极上存在不同的分量，即输出电压在多对电极上存在分量，信号处理器通过对比多对电极间的分量，从而实现在平面内360°全方向振动传感。
本发明的感知平面全方向振动的MEMS能量采集方法，包括以下步骤：
1)平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变；
2)中心振子引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化；
3)在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场；
4)圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至一个电容的两端，将电场能量储存，从而实现在平面内360°全方向振动能量采集，实现发电。
本发明的优点：
本发明采用压电驻极体的弹簧连接圆片状的中心振子与固定框，由于压电驻极体在受激振动下会产生压电效应，从而实现振动能量和电学信号的转换；弹簧采用同心圆环分布，因此实现了平面全方向振动的等同压电效应，达到振动感知和振动能量采集的目的，以作为传感器又可以作为能量采集器，实现在平面内360°全方向振动传感并采集振动能量、尺寸小，集成度高，温度特性好、能量密度高、振动敏感度高，寿命长、可靠性高等优点，可广泛应用于物联网中地震动传感和的无线传感网络节点的供电，如便捷式可穿戴设备、无人值守的无线智能系统中。
附图说明
图1为本发明的具有平面全方向振动的MEMS传感器的一个实施例的立体图；
图2为本发明的具有平面全方向振动的MEMS传感器的一个实施例的俯视图；
图3为本发明的具有平面全方向振动的MEMS传感器的原理图，其中，(a)为中心振子没有受到外力的示意图，(b)为中心振子受到外力的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，本实施例的具有平面全方向振动的MEMS传感器包括：中心振子1、弹簧2、固定框3和信号处理器；其中，中心振子1为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧2，弹簧包括4同心的圆环21，相邻的两个圆环之间设置4块呈中心对称分布的支撑块22连接，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；在弹簧2的外圈边缘连接固定框3，固定框包括呈中心对称分布的4块电极31，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁32相连。圆心相对的一对电极连接至传感器的一个通道。
在本实施例中，中心振子和固定框的材料采用硅；弹簧的材料采用Parylene的压电驻极体。中心振子的半径r为5mm，厚度h为0.5mm。
如图3(a)所示，弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩。如图3(b)所示，当有来自平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变，引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化，在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场；变化的电场在固定框上多对电极上存在不同的分量，即输出电压在多对电极上存在分量，圆心相对的一对电极通过电极连接线4连接至信号处理器的一个通道，信号处理器通过对比多对电极间的分量，从而实现在平面内360°全方向振动传感。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种感知平面全方向振动的MEMS传感器，其特征在于，所述传感器包括：中心振子、弹簧、固定框和信号处理器；其中，所述中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；所述弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，所述固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述圆片状的中心振子半径为r，厚度为h，满足所述中心振子的材料采用金属或高掺杂硅的导体。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述弹簧采用派瑞林Parylene的聚合物和特氟龙Teflon的聚合物，以及二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4的无机压电驻极体材料中的一种。
4.一种感知平面全方向振动的MEMS能量采集器，其特征在于，所述能量采集器包括：中心振子、弹簧、固定框和电容；其中，所述中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；所述弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，所述固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至电容的两端；其中，N为正偶数，且≥4。
5.如权利要求4所述的能量采集器，其特征在于，所述圆片状的中心振子的半径为r，厚度为h，满足所述中心振子的材料采用金属或高掺杂硅的导体。
6.如权利要求4所述的能量采集器，其特征在于，所述弹簧采用派瑞林Parylene的聚合物和特氟龙Teflon的聚合物，以及二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4的无机压电驻极体材料中的一种。
7.一种感知平面全方向振动的MEMS传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：
1)平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变；
2)中心振子引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化；
3)在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场；
4)圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上，变化的电场在固定框上多对电极上存在不同的分量，即输出电压在多对电极上存在分量，信号处理器通过对比多对电极间的分量，从而实现在平面内360°全方向振动传感；其中，中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。
8.一种感知平面全方向振动的MEMS能量采集方法，其特征在于，所述能量采集方法包括以下步骤：
1)平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变；
2)中心振子引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化；
3)在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场；
4)圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至一个电容的两端，将电场能量储存，从而实现在平面内360°全方向振动能量采集，实现发电；
其中，中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。
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