CN105305870B - 一种能量采集器、电源和无线传感器网络系统 - Google Patents

Abstract

一种能量采集器电源和无线传感器网络系统，能量采集器包括：有机硅衬底芯片和设置在有机硅衬底芯片上的三维结构梁芯片；有机硅衬底芯片包括：下层基板、设置于下层基板上表面的电极层和设置于电极层上表面的高分子聚合物摩擦层；三维结构梁芯片包括：硅质基板、柔性环形梁、质量块以及镀于质量块下表面的金属纳米线摩擦层；硅质基板为环形结构，质量块设置于硅质基板的圆心位置，其通过柔性环形梁与硅质基板相连，高分子聚合物摩擦层表面与金属纳米线摩擦层之间设置有预设间隙。在振动时，所述质量块可沿多个方向运动，因此，采用本申请上述实施例公开的技术方案可采集多个方向上的振动能量，因此提高了振动能量的采集效率。

Description

一种能量采集器、电源和无线传感器网络系统

技术领域

本申请涉及能量转换装置技术领域，更具体地说，涉及一种能量采集器、电源和无线传感器网络系统。

背景技术

无线传感器网络在环境监测、智能家居、交通运输、医疗健康等领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的重视。然而由于传感器节点部署环境和实际应用的要求，决定了传感器节点的供电电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电，但是采用电池供电的方式又存在着成本高、寿命短、更换麻烦等问题，如何稳定有效地为传感器节点提供电源，成为当前无线传感网络技术的关键问题。

在自然环境中具有各种丰富的能源，机械振动能便是其中的一种，它以不同的形式、强度和频率广泛存在于桥梁、楼宇、交通工具、机械设备、家用电器等各种生产和生活设备中。

目前在多频机械振动能量采集方面的研究普遍只具有单一的激振方向，不能满足多方向能量采集的需求，因此导致能量采集效率低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种能量采集器、电源和无线传感器网络系统，用于解决现有的技术方案能量采集效率低的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种能量采集器，包括：

有机硅衬底芯片和设置在所述有机硅衬底芯片上的三维结构梁芯片；

所述有机硅衬底芯片包括：

下层基板、设置于所述下层基板上表面的电极层和设置于所述电极层上表面的高分子聚合物摩擦层；

所述三维结构梁芯片包括：

硅质基板、柔性环形梁、质量块以及镀于所述质量块的下表面的金属纳米线摩擦层；

所述硅质基板为环形结构，所述质量块设置于所述硅质基板的圆心位置，所述硅质基板与所述质量块之间通过所述柔性环形梁相连，所述柔性环形梁能够依据所述质量块的运动拉伸和收缩；

其中，所述高分子聚合物摩擦层表面与所述金属纳米线摩擦层表面正对，两者之间设置有预设间隙。

优选的，上述能量采集器中，所述下层基板的上表面设置有突起结构，所述电极层和高分子聚合物摩擦层镀于所述突起结构的外表面；

所述质量块的下表面镀有金属纳米线摩擦层；

所述下层基板上的突起结构与质量块下表面正对，并预设间隙。

优选的，上述能量采集器中，所述有机硅衬底芯片和三维结构梁芯片采用可拆卸方式相连。

优选的，上述能量采集器中，所述电极层为导电金属层。

优选的，上述能量采集器中，所述质量块和所述下层基板均为圆柱形结构，所述下层基板的上表面与所述质量块的下表面正对。

一种电源，应用有上述任意一项公开的能量采集器。

一种无线传感器网络系统，所述无线传感器网络系统中的节点电源为上述的电源。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的能量采集器，在振动时，所述质量块可沿多个方向运动，因此，采用本申请上述实施例公开的技术方案可采集多个方向上的振动能量，因此提高了振动能量的采集效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种能量采集器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的能量采集器工作过程及原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了提高机械振动能的采集效率，本申请公开了一种能量采集器，图1为本申请实施例公开的能量采集器的结构示意图，参见图1，包括：

有机硅衬底芯片2和设置在所述有机硅衬底芯片2上的三维结构梁芯片1；

所述有机硅衬底芯片2包括：

下层基板7、设置于所述下层基板7的上表面的电极层和设置于所述电极层上表面的高分子聚合物(polydimethylsiloxane，PDMS)摩擦层6；

所述三维结构梁芯片1包括：

硅质基板5、柔性环形梁4、质量块3以及镀于所述质量块3的下表面的金属纳米线摩擦层301；

所述硅质基板5为环形结构，所述质量块3设置于所述硅质基板5的圆心位置，所述柔性环形梁4可以为环形结构，所述硅质基板5与所述质量块3之间通过所述柔性环形梁4相连，所述柔性环形梁4能够依据所述质量块3的运动拉伸和收缩；

其中，所述高分子聚合物摩擦层6的表面与所述金属纳米线摩擦层301的表面正对，两者之间设置有预设间隙。

当采用本申请上述实施例公开的能量采集器对振动能进行采集时，当外界环境中出现振动时，所述质量块3可跟随所述振动的振动方向进行运动，这是由于所述质量块3是通过所述柔性环形梁4与所述硅质基板5相连的，且由于所述柔性环形梁4能够依据所述质量块3的运动拉伸和收缩，因此，所述质量块3可在三维空间内沿任意方向运动，因此本申请上述实施例中，在进行振动能量采集时，所述质量块3可沿多个方向运动，因此，本申请上述实施例公开的能量采集器可采集多个振动方向上的振动能量，因此提高了振动能量的采集效率。

为了方便用户更加直观的了解本申请公开的能量采集器，本申请还对所述能量采集器的能量采集过程和原理进行简单的说明介绍：

参见图2，a表示所述下层基板7的上表面具有电极层，当受外界环境影响质量块3出现振动时，所述金属纳米线摩擦层301在所述质量块3的带动下逐渐接近所述高分子聚合物摩擦层(聚合物层)6，其中，所述高分子聚合物摩擦层6具有易得电子的特性，所述金属纳米线摩擦层301具有易失电子的特性，当所述金属纳米线摩擦层301和高分子聚合物摩擦层6在所述质量块3的带动下相接触时，金属纳米线摩擦层上的负电荷流入电极层a,使得a上的正电荷减少，金属纳米线层的正电荷增加，然后再在所述质量块3的带动下所述高分子聚合物层6与所述金属纳米线层301分离。

具体的，本申请上述实施例中，所述下层基板7的上表面设置有突起结构，所述电极层和高分子聚合物摩擦层6镀于所述突起结构的外表面；

所述质量块3的下表面镀有金属纳米线摩擦层301；

所述下层基板7上的突起结构与质量块3下表面正对，并预设间隙。

当然，当出现某种极端情况的振动时，如：所述质量块3的运动方向平行于所述高分子聚合物摩擦层6，此时难以使得所述金属纳米线摩擦层301与所述高分子聚合物摩擦层6相接处，因此也就无法实现电荷转移。针对于这种情况，还对所述质量块3和所述下层基板7的结构进行了改进，例如：

本申请上述实施例中的所述下层基板7的上表面设置有凹槽结构，所述电极层a和高分子聚合物摩擦层6镀于所述凹槽结构的凹陷表面；

所述质量块3下表面设置有突起结构，所述金属纳米线摩擦层301镀于所述突起结构外表面，且所述突起结构悬空于所述凹槽的凹陷区域内。

当采用上述结构的下层基板7和质量块3时，由于所述突起结构悬空于所述高分子聚合物摩擦层的凹陷区域，因此，当所述质量块3的运动方向平行于所述高分子聚合物摩擦层6表面(所述凹槽槽底的表面)时，仍能保证所述高分子聚合物摩擦层6与所述金属纳米线摩擦层301层相接处，因此，对该振动方向上的能量也能够进行采集。

与上述原理相同，本申请还公开了另一种结构的下层基板7和质量块3，具体为：

所述下层基板7的上表面设置有突起结构，所述电极层a和高分子聚合物摩擦层6镀于所述突起结构的外表面；

所述质量块3的下表面为凹槽结构，所述金属纳米线摩擦层301镀于所述凹槽的凹陷表面；

所述下层基板7上的突起结构悬空设置于所述质量块3的下表面的凹槽内。

可以理解的是，本申请采用上述两种结构类型的质量块3和下层基板7时，为了保证所述凹槽和突起能够更好地匹配，所述突起结构可以设置为圆柱形突起结构，所述凹槽结构可以设置为与所述圆柱形突起结构相匹配的圆形凹槽结构。

可以理解的是，为了方便安装、拆卸和维修所述能量采集器，本申请上述实施例公开的技术方案中，所述有机硅衬底芯片2和三维结构梁芯片1采用可拆卸方式相连。

其中，本申请上述实施例公开的技术方案中所用到的电极层a可以为现有技术中任意一种材料的电极层，为了更好地实现电转换，本申请上述实施例中的所述电极层a为PET-ITO金属层(导电金属层)，所述PET-ITO金属层即为在PET基底材料(下层基板7)上溅射、经高温退火处理得到的透明氧化铟锡(ITO)导电薄膜镀层。

可以理解的是，为了使所述质量块3出现振动时，能够保证所述金属纳米线摩擦层301与所述高分子聚合物摩擦层6之间良好接触，本申请上述实施例中的所述质量块3和所述下层基板7均为圆柱形结构，所述下层基板7的上表面与所述质量块3的下表面正对。

可以理解的是，针对于上述能量采集器，本申请还公开了一种电源，所述电源应用有本申请上述任意一项实施例公开的能量采集器，当然，所述电源包括用于对所述电能采集器输出的电能进行优化处理的整流滤波电路，其中，所述整流滤波电路为现有电路设计领域中常用的电路，本申请并不再对其结构进行详细说明。

当然，针对于上述电源，本申请还公开了一种应用上述电源的无线传感器网络系统，所述无线传感器网络系统中的节点电源为上述实施例中公开的电源。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种能量采集器，其特征在于，包括：

有机硅衬底芯片和设置在所述有机硅衬底芯片上的三维结构梁芯片；

所述有机硅衬底芯片包括：

下层基板、设置于所述下层基板上表面的电极层和设置于所述电极层上表面的高分子聚合物摩擦层；

所述三维结构梁芯片包括：

硅质基板、柔性环形梁、质量块以及镀于所述质量块下表面的金属纳米线摩擦层；

所述硅质基板为环形结构，所述质量块设置于所述硅质基板的圆心位置，所述硅质基板与所述质量块之间通过所述柔性环形梁相连，所述柔性环形梁能够依据所述质量块的运动拉伸和收缩,使得质量块可在三维空间内沿任意方向运动；

其中，所述高分子聚合物摩擦层表面与所述金属纳米线摩擦层表面正对，两者之间设置有预设间隙；

所述下层基板的上表面设置有凹槽结构，所述电极层和高分子聚合物摩擦层镀于所述凹槽结构的凹陷表面；

所述质量块下表面设置有突起结构，所述金属纳米线摩擦层镀于所述突起结构外表面，且所述突起结构悬空于所述凹槽的凹陷区域内。

2.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于，所述有机硅衬底芯片和三维结构梁芯片采用可拆卸方式相连。

3.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于，所述电极层为导电金属层。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的能量采集器，其特征在于，所述质量块和所述下层基板均为圆柱形结构，所述下层基板的上表面与所述质量块的下表面正对。

5.一种电源，其特征在于，应用有权利要求1-4任意一项公开的能量采集器。

6.一种无线传感器网络系统，其特征在于，所述无线传感器网络系统中的节点电源为权利要求5所述的电源。