CN105515332A - 一种阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，包括绝缘衬底、平面螺旋感应线圈、拾振结构单元和固定永磁体，所述拾振结构单元包括振动永磁体和振动结构，平面螺旋感应线圈和支撑结构设置在绝缘衬底上，在平面螺旋感应线圈内设置阵列排布的拾振结构单元，各所述振动永磁体分别设置独立的振动结构，各所述拾振结构单元周围设置有增加磁通密度的所述固定永磁体，所述固定永磁体增大了磁通密度，提高了采集器的输出功率；各所述振动永磁体独立振动，可同时达到最大振幅，并可实现宽频振动；共用一个平面螺旋感应线圈增大了线圈半径，减小了内圈匝数，有效增大品质因数，增大了能量的转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别是涉及一种阵列结构的微型电磁式宽频振动能量采集器。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的发展，MEMS器件的功耗比较低，一般数量级在微瓦左右，供能器件的小型化、微型化问题日渐突出。特别对于可穿戴设备，需要体积小重量轻的供能器件，并具有较长的续航时间及更换周期。振动广泛存在于周围环境中，振动驱动微能源具有清洁无污染、体积小质量轻、工作周期长、制造工艺较为成熟等优点。其中，电磁式振动驱动微能源输出功率较大，更适合收集环境中的低频振动。
经过对现有技术的检索发现：现有产品的拾振结构同时振动，不同位置的拾振结构不能同时达到最大振幅，如位于中间的拾振结构振幅大于边上的拾振结构振幅，磁通密度与输出功率低，且大部分产品的工艺制造需要手工粘接磁体，因而无法进行大规模集成化生产制造；固有频率单一，无法在一个低频频段内振动，不能有效的收集环境中的低频振动；器件的阵列化集成化有待提高。
发明内容
本发明目的就是为解决器件的磁通密度与输出功率低和拾振结构振幅不一的问题。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，包括绝缘衬底、平面螺旋感应线圈和拾振结构单元，所述拾振结构单元包括振动永磁体和振动结构，所述平面螺旋感应线圈和所述振动结构设置在绝缘衬底上，所述振动永磁体固定在所述振动结构上；在平面螺旋感应线圈内设置阵列排布的拾振结构单元，各所述振动永磁体分别设置独立的所述振动结构，各所述拾振结构单元周围设置有增加磁通密度的固定永磁体，所述固定永磁体设置在绝缘衬底上的固定永磁体支撑结构上。
本发明的次一目的是解决手工粘接磁体及无法集成化的问题:
根据本发明的另一个具体方面，所述振动永磁体采用图形化方式制造，通过振动托盘固定在弹簧自由端；所述固定永磁体是采用图形化方式制造，通过固定永磁体支撑结构固定在绝缘衬底上。
根据本发明的另一个具体方面，所述弹簧支撑结构、固定永磁体支撑结构是通过电镀铜金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构。
本发明的再一目的是解决固有频率单一的问题:
根据本发明的另一个具体方面，各所述拾振结构单元具有不同的结构从而实现不同固有频率的振动；各所述拾振结构单元的结构不同从而固有频率不同，即所述振动永磁体的大小或/和形状不同，或/和所述振动结构中的弹簧形状或/和结构不同，以实现宽频振动。
根据本发明的另一个具体方面，所述振动永磁体、所述固定永磁体与所述平面螺旋感应线圈位于不同的平面上。
根据本发明的另一个具体方面，所述阵列排布的各固定永磁体位于彼此相邻的拾振结构单元的交汇处。
根据本发明的另一个具体方面，所述平面螺旋感应线圈内阵列排布的拾振结构单元的总线型尺度小于一厘米，用于保证极短暂的可以忽略不计的相位差。
根据本发明的另一个具体方面，各所述振动永磁体的振动结构包括至少一个弹簧、至少一个弹簧支撑结构和一个振动托盘，各所述弹簧自由端同时连接所述振动托盘，各弹簧支撑结构分布在所述振动托盘周围的绝缘衬底上且分别与各所述弹簧支撑端相连接，各所述振动永磁体固定在各所述振动托盘上。
根据本发明的另一个具体方面，所述拾振结构单元周围的固定永磁体为4个，以正方形方式或圆形方式设置在拾振结构单元周围；所有的所述固定永磁体以阵列方式排布；所述振动结构包括4个弹簧，各弹簧支撑结构以正方形或圆形方式分布在所述振动永磁体的周围；在任意四个两两相邻的拾振结构单元组成的图形中心设置有固定永磁体。
根据本发明的另一个具体方面，所述平面螺旋感应线圈为多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合而成，所述平面螺旋感应线圈上涂附有绝缘材料层，用于使平面螺旋感应线圈匝间相互绝缘。
根据本发明的另一个具体方面，所述弹簧为由电镀镍或电镀铜制成的单匝或多匝S形结构，其中S形结构的内径为20-100微米，S形结构的平直部分长为50-500微米，单个S形弹簧长度为50-500微米。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明在各振动永磁体周围设有固定永磁体，增大了磁通密度，增加输出功率；每个振动永磁体独立支撑实现独立振动，在相同的输出下，可以达到最大振幅，提升能量转化效率；在平面螺旋感应线圈有效长度(即总长度)相同的情况下，本发明阵列排布的拾振结构单元共用一个平面螺旋感应线圈，增大了平面螺旋感应线圈半径，减小了内圈匝数；从而有效增大品质因数，增大了能量的转化效率。
在优选实施例中，本发明还具有如下有益效果：
1、振动永磁体和固定永磁体的图形化制作，克服了传统手工粘接磁体产生的精度差、体积大、集成度低、难以大规模生产等缺陷，克服了单一电镀方法产生的磁体薄膜磁特性较低的缺点，通过光刻掩膜版图形化与电镀工艺结合，增加了线圈、弹簧、永磁体的厚度，提高了器件的整体性能，且便于大规模集成化生产制造。
2、阵列中各所述拾振结构单元中的所述振动永磁体的大小或/和形状不同，或/和所述振动结构中的弹簧形状或/和结构不同，振动频率不同，实现宽频振动。
附图说明
图1是本发明阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的结构示意图；
图2是本发明阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的拾振结构单元结构示意图；
图3是本发明阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的绝缘衬底上第一层结构示意图。
具体实施方式
一种阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器如图1所示，包括绝缘衬底4、平面螺旋感应线圈6、阵列排布的拾振结构单元、阵列排布的固定永磁体2和固定永磁体支撑结构8，固定永磁体支撑结构8上设置有固定永磁体2，沿绝缘衬底4上最外围固定永磁体支撑结构8的内侧设置平面螺旋感应线圈6，在平面螺旋感应线圈6内设置阵列排布的拾振结构单元，所述拾振结构单元如图1、2所示，包括弹簧7、弹簧支撑结构5、振动托盘3和振动永磁体1；弹簧支撑结构5、固定永磁体支撑结构8和平面螺旋感应线圈6固定在绝缘衬底4上，弹簧自由端连接振动托盘3悬空在绝缘衬底4上方，振动托盘3上固定振动永磁体1，每一拾振结构单元周围分布多个用于形成闭合磁场的固定永磁体2。
振动永磁体1、固定永磁体2与平面螺旋感应线圈6位于不同的平面上。
各所述拾振结构单元内具有4个弹簧7，各弹簧7的自由端同时连接同一个振动托盘3，各弹簧支撑结构5均匀分布在同一个振动托盘3周围的绝缘衬底4上且分别与各弹簧支撑端相连接，各振动永磁体1实现独立振动。
4个弹簧支撑结构5是以方形方式分布在振动托盘3周围。
每一拾振结构单元周围的固定永磁体是4个，以正方形分布在所述拾振结构单元的周围；任意四个两两相邻的拾振结构单元组成的图形中心具有一个固定永磁体2。
平面螺旋感应线圈6为感应线圈绕组结构，由多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，其中金属铜线圈的高度、宽度以及匝与匝之间的距离为10-30微米，整体宽度视振动永磁体大小及弹簧长度而定，整体直径或边长为1000-8000微米。
通过旋涂等方式在平面螺旋感应线圈6上涂附绝缘材料涂附层，绝缘材料如聚酰亚胺等。
绝缘衬底4由覆盖一层二氧化硅的硅片构成。
固定永磁体2为图形化的方形、扇形或圆形结构，直径或边长为400-1000微米，厚度为50-1000微米，通过支撑结构固定在绝缘衬底上，使器件磁通密度增加。
弹簧支撑结构5、固定永磁体支撑结构8，是在室温下通过多次叠层电镀金属制作或微电铸制作而成。
振动永磁体1为图形化的方形或圆形结构，直径或边长为400-1000微米，厚度为50-1000微米，多个振动永磁体位于平面螺旋感应线圈6的上方，增大了平面螺旋感应线圈6的有效长度，从而增大输出功率。
通过适当控制振动永磁体1的质量、位置、形状、或弹簧7的形状、结构中的一项或多项，调节拾振结构单元的固有频率，实现宽频振动。
弹簧7由单匝或多匝S形结构或双S形结构构成，通过电镀镍或电镀铜制成，其中S形结构的内径为20-100微米，S形结构的平直部分长为50-500微米，单个S形弹簧长度为50-500微米。
弹簧7位于每个振动永磁体1的周围，所有S形转弯处均为圆角，使振动永磁体受力均匀，克服了悬臂梁或简支梁应力集中的问题，加大了磁体振幅。
由弹簧7连接的振动永磁体1垂直于绝缘衬底4上下振动，在平面螺旋感应线圈6中产生感应电流实现能量采集，通过调节弹簧7的刚度实现宽频带振动能量采集。
一种阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的绝缘衬底上第一层结构如图3所示，从绝缘衬底4之上到顶端主要分为三层制造。绝缘衬底4上第一层包括弹簧支撑结构5，平面螺旋感应线圈6，固定永磁体支撑结构8。绝缘衬底4上第二层包括振动托盘3，弹簧7，弹簧支撑结构5，固定永磁体支撑结构8。绝缘衬底上的第三层包括振动永磁体1和固定永磁体2。
图1、2、3所示为2×2阵列的微型电磁式宽频振动能量采集器，大于此阵列的微型电磁式宽频振动能量采集器可按此排布方式进行重复设置。
本发明主要用于采集自然环境中广泛存在的50-500赫兹中某一特定频率范围内的低频振动能。通过由振动永磁体、与之连接的振动托盘及弹簧组成的拾振结构单元与外界发生谐振，根据法拉第电磁感应定律，当器件在这一特定频率范围内振动时，通过平面螺旋感应线圈产生较大感应电流。根据理论分析，能量采集器通常应工作在谐振状态，即拾振固有频率与环境振动频率相等时，受迫振动振幅最大，因而输出功率最大。
本发明采用了由若干个圆形或方形振动永磁体组成的拾振结构单元阵列来响应外界环境中的振动，且拾振结构单元阵列共用同一个平面螺旋感应线圈，根据有限元理论进行谐振响应分析，分析阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器在一定频率的正弦激励下的受迫振动情况。当加速度作用在阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的几何中心时，各振动永磁体在正弦激励下的受迫振动是同相位的。由于空气中的机械波传播速度大于300米每秒，因此100赫兹时机械波波长大于3米，而阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的线性尺度一般不超过1厘米，即波长远大于阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器的线性尺度，当阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器随着激励正弦波上下振动时，在波峰波谷处产生的极短暂相位差可忽略不计，因为可认为在受迫振动时一直是相同相位的，可共用同一个平面螺旋感应线圈。
本发明振动永磁体、与之连接的振动托盘及弹簧组成的拾振结构单元，主要通过改变磁通量来产生感应电动势而不是切割磁感线，即振动永磁体位于平面感应线圈的一侧，不穿过感应线圈所在平面。利用S形弹簧作为振动永磁体与支撑结构之间的连接使得振动永磁体具有更大的自由度，产生更大的振幅，提高输出功率，并对外界振动产生缓冲，避免应力集中折断或拉坏；而且当加速度与垂直振动方向有偏移时，磁体在水平方向产生摆动或轻微转动，也可以产生感应电流，提高了能量采集效率。
以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，包括绝缘衬底、平面螺旋感应线圈和拾振结构单元，所述拾振结构单元包括振动永磁体和振动结构，所述平面螺旋感应线圈和所述振动结构设置在所述绝缘衬底上,所述振动永磁体固定在所述振动结构上，其特征在于：在所述平面螺旋感应线圈内分布阵列排布的所述拾振结构单元，各所述振动永磁体分别设置各自独立的所述振动结构，所述拾振结构单元周围设置有增加磁通密度的固定永磁体，所述固定永磁体设置在绝缘衬底上的固定永磁体支撑结构上。
2.根据权利要求1所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述振动永磁体、所述固定永磁体与所述平面螺旋感应线圈位于不同的平面上。
3.根据权利要求1所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述各固定永磁体位于多个两两相邻的拾振结构单元的交汇处。
4.根据权利要求1所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述平面螺旋感应线圈内阵列排布的拾振结构单元的总线型尺度小于一厘米，用于保证极短暂的可以忽略不计的相位差。
5.根据权利要求1所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：各所述拾振结构单元可以具有不同的结构从而实现不同固有频率的宽频振动。
6.根据权利要求1所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述振动结构包括至少一个弹簧、至少一个弹簧支撑结构和一个振动托盘，各所述弹簧自由端同时连接所述振动托盘，各弹簧支撑结构分布在所述振动托盘周围的绝缘衬底上且分别与各所述弹簧支撑端相连接，各所述振动永磁体固定在各所述振动托盘上。
7.根据权利要求6所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述振动永磁体采用图形化方式制造，通过振动托盘固定在弹簧自由端；所述固定永磁体采用图形化方式制造，通过固定永磁体支撑结构固定在绝缘衬底上；所述弹簧支撑结构、固定永磁体支撑结构是通过电镀铜金属或微电铸形成的方形或者弧形柱状结构。
8.根据权利要求6所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述弹簧为由电镀镍或电镀铜制成的单匝或多匝S形结构，其中S形结构的内径为20-100微米，S形结构的平直部分长为50-500微米，单个S形弹簧长度为50-500微米。
9.根据权利要求6所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述拾振结构单元周围的固定永磁体为4个，以正方形方式或圆形方式设置在拾振结构单元周围；所有的所述固定永磁体以阵列方式排布；所述振动结构包括4个弹簧，各弹簧支撑结构以正方形或圆形方式分布在所述振动永磁体的周围；在任意四个两两相邻的拾振结构单元组成的图形中心设置有固定永磁体。
10.根据权利要求1所述阵列式微型电磁式宽频振动能量采集器，其特征在于：所述平面螺旋感应线圈为多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合而成；所述平面螺旋感应线圈上涂附有绝缘材料层，用于使平面螺旋感应线圈匝间相互绝缘。
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