CN105634323A - 一种基于驻极体薄膜的能量采集器 - Google Patents

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陈钢进
李岳峰
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    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种基于驻极体薄膜的能量采集器，属于新型环保能量采集技术领域，该能量采集器包括电能产生装置和用于提供恒定输出电流的整流装置；所述电能产生装置包括上电极、下电极和双极性驻极体薄膜，驻极体薄膜设置在上电极和下电极之间，所述整流装置分别与上电极和下电极电连接；所述的驻极体薄膜采用双极性驻极体薄膜，薄膜的上、下表面分别分布有正负电荷。本发明基于驻极体薄膜的能量采集器具有结构简单、材料稳定性好、微弱电能易被存储的特点。

Description

一种基于驻极体薄膜的能量采集器
技术领域
本发明属于新型环保能量采集技术领域，特别涉及一种用于将机械振动能量转换成电能的振动能量采集器。
背景技术
能量采集是指采集环境的能源，如热、辐射或动能并转换成为电能。随着微机电系统技术和超低能耗的集成电路设计的进展，电路和器件的尺寸以及驱动它们所需能量都正在显著减少。这些所需能量量级已进入能量采集器所能提供能量的范围。因此能量采集器正在成为取代电池为这些电路和器件(如无线传感器和人体植入式装置)供能的替代方案。
从振动能转换到电能是能量采集方式的一种。其中由振动能转换为电能的方法有三种，分别是静电式、电磁式和压电式。静电能量采集器包含有至少一个可变电容构件。此可变电容的两个带电极板形成一个电场。静电能量采集器即从环境的振动对此电场做功而萃取能量。与同属于振动能转换的电磁和压电能量采集器相比，静电能量采集器的显著优点在于其可以很容易用MEMS微制造技术(如硅微制造技术)制成适用于微系统的具亚微米级精度的微型产品(如硅基微静电能量采集器)。硅基微静电能量采集器可用类似于集成电路的制程技术而得以大规模低成本生产并更可与同为硅基的微电子集成电路、器件和微系统直接整合在一起而实现完全自供能的能独立运行的不含电池的微系统。
目前大部分振动能量采集器都已悬臂梁或弹簧作为振动部件，但是这种振动类型的缺点是只能相应一个方向的振动，当环境中的振动源的振动方向发生变化的时候，位于其他方向的振动能量就不能被振动能量采集器采集，在一定程度上减少了采集器的采集效率。同时，振动能量采集器的中磁铁可能会对外部电子元件产生电磁干扰，因此需要使电子元件和振动能量采集器之间保持一定的安全距离，这也增大了振动能量采集器的总体体积。由于能量采集器的能量输出范围在微瓦到毫瓦之间，输出尽可能多电能是能量采集器发展和研制的主要目标。然而由于目前微制造技术的限制，静电能量采集器只能被制成简单的仅含单层可变电容构件而极大地限制其对于振动能的采集和电能的输出。
发明内容
本发明针对上述能量采集器存在的不足，构造了一种基于双极性驻极体薄膜的双层可变电容构件能量采集器。
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于双极性驻极体薄膜的能量采集器，包括电能产生装置和用于提供恒定输出电流的整流装置，所述电能产生装置包括上电极、下电极和驻极体薄膜，驻极体薄膜设置在上电极和下电极之间，所述整流装置分别与上电极和下电极电连接；所述的驻极体薄膜采用双极性驻极体薄膜，薄膜的上、下表面分别分布有正负电荷。
作为本发明的进一步改进，所述的整流装置包括二极管D1、D2、D3、D4，依次电连接形成一个串联电路，上电极与二极管D1、D4的连接点连接，下电极与二极管D2、D3的连接点连接。
作为本发明的进一步改进，所述的能量采集器还包括有储能电容，储能电容的一端与二极管D1、D2的连接点连接，储能电容的另一端接地。
作为本发明的进一步改进，所述的能量采集器还包括二极管D5，D1、D2的连接点连接二极管D5的正极。
作为本发明的进一步改进，所述的驻极体薄膜不与上电极和下电极中的任意一个电极接触。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
该能量采集器采用双极性驻极体薄膜，将其作为MEMS微能量采集器的核心材料构造了一种双层可变电容构件，能够更有效地实现机械能向电能的转换。
该能量采集器驻极体薄膜的表面电位高并有很好的稳定性，将其作为MEMS微能量采集器的核心材料能够实现独立自助的向外提供稳定电能。
该能量采集器输出功率达到了毫瓦级；基于实际情况，对发电机结构进行优化，设计了一种用超级电容收集微小电能的简单结构。
附图说明
图1是本发明基于驻极体薄膜的能量采集器的结构示意图；
图2是本发明优化后的驻极体薄膜的能量采集器结构示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，基于驻极体薄膜的能量采集器的结构包括电能产生装置、整流装置。其中电能产生装置包括上电极、下电极和驻极体薄膜，驻极体薄膜采用大小为3×3cm2、厚度为2mm，最大振幅为1.2mm的双极性驻极体复合膜，薄膜的上、下表面分别分布有正负电荷；该驻极体薄膜设置在上电极、下电极之间，且不与上电极和下电极中的任何一个接触。将二极管D1、D2、D3、D4电连接，形成一个串联电路，组成该能量采集器的整流装置，然后将二极管D1和D4的连接点与上电极电连接，将二极管D2和D3的连接点与下电极电连接。
本实施例的工作原理：
驻极体薄膜经过热极化和电晕极化，其在内部偶极子及空间电荷发生极化并用表面等效电荷表征，再对表面进行电晕放电后薄膜表面具有很高的电压，薄膜通过自身电场在两端的金属电极上感应出电荷Q1、Q2，此时装置左边部分等效为可变电容。初始时，驻极体薄膜为可变电容提供固定的感应电荷；当驻极体与金属极板之间的空气间隙发生变化时，两极板间的电荷将重新排布，感应电荷变化量为△Q，从而对负载供电。
实施例2
参照图2，该实施例的电能产生装置和整流装置的结构，以及两者的连接方式与实施例1基本相同，不同之处在于：该实施例还在能量采集器中安装了储能电容和用于控制输出电压的二极管D5，储能电容的一端与二极管D1、D2的连接点连接，储能电容的另一端接地；二极管D5的正极连接二极管D2、D3的连接点，负极与输出端连接。
本实施例的工作原理：
驻极体薄膜经过热极化和电晕极化，其在内部偶极子及空间电荷发生极化并用表面等效电荷表征，再对表面进行电晕放电后薄膜表面具有很高的电压，薄膜通过自身电场在两端的金属电极上感应出电荷Q1、Q2，此时装置左边部分等效为可变电容。初始时，驻极体薄膜为可变电容提供固定的感应电荷；当驻极体与金属极板之间的空气间隙发生变化时，两极板间的电荷将重新排布，感应电荷变化量为△Q，从而对负载供电。
储能电容具有循环充放电及放电时间长、充电线路简单及寿命长的特点，整个发电装置等效为一个交流电源，经整流后对储能电容充电；当储能电容两端的电压大于二极管D5压降时则对外输出电压。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案之一，实际的结构并不局限于此。所以本领域的普通技术人员受其启发，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于驻极体薄膜的能量采集器，其特征在于：其包括电能产生装置、用于提供恒定输出电流的整流装置，所述电能产生装置包括上电极、下电极和驻极体薄膜，驻极体薄膜设置在上电极和下电极之间，所述整流装置分别与上电极和下电极电连接；所述的驻极体薄膜采用双极性驻极体薄膜，薄膜的上、下表面分别分布有正负电荷。
2.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的能量采集器，其特征在于：所述整流装置包括二极管D1、D2、D3、D4，依次电连接形成一个串联电路，上电极与二极管D1、D4的连接点连接，下电极与二极管D2、D3的连接点连接。
3.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的能量采集器，其特征在于：所述的能量采集器还包括有储能电容，储能电容的一端与二极管D1、D2的连接点连接，储能电容的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的能量采集器，其特征在于：所述能量采集器还包括二极管D5，二极管D1、D2的连接点连接二极管D5的正极。
5.根据权利要求1所述的基于驻极体薄膜的能量采集器，其特征在于：所述的驻极体薄膜不与上电极和下电极中的任意一个电极接触。
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