CN107453577B - 一种基于mems的多模态低频电磁式振动型能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其是由磁铁层、中间支撑层和线圈层构成的三明治结构；其中，磁铁层上具有能振动的磁铁，线圈层上具有能振动的线圈，支撑层支撑于磁铁层和线圈层之间为磁铁和线圈的振动提供空间。本发明设计的由中间支撑层支撑，实现磁铁和线圈均能振动的三明治结构的振动能量采集器，能把磁铁和线圈两者共振的频率点错开，使其能在400Hz以下有6个共振模态，并且能采集Z轴方向、X轴旋转、Y轴旋转、XY对角线轴旋转和X‑Y对角线轴旋转5个方向的振动能量。
Description
技术领域
本发明属于微能源技术领域，具体涉及一种基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器。
背景技术
随着微电子技术和无线传感网络的发展，基于MEMS的微能源研究具有重要意义。超低功率电路设计技术的不断提高，使得各种新型电子元器件的工作功率越来越低，依据“摩尔定律”飞速发展的微电子技术已经使微器件的功耗降低到几十到几百微瓦的量级。但是，这类器件在应用过程中往往是大量散布在环境条件苛刻、人类难以接近的地方或植入被测物体内部，对供能元件的体积、成本、工作条件、寿命都提出较高的综合要求。
机械振动能是自然界中普遍存在的一种能量形式，振动式能量采集可以通过机械振动能量拾取装置将环境中的振动能转换成电能，基于MEMS振动型能量采集器的工作方式主要有静电式、压电式和电磁式三种，其中，电磁式振动能量采集器是利用磁铁和线圈的相对移动产生感应电动势的原理，国内外研究现状表明，目前研究的电磁式振动能量采集器有两种结构：一种结构是线圈固定，磁铁移动；另一种结构是磁铁固定，线圈移动。
MEMS 振动型能量采集器优势在于可实现微型化制造、体积小、灵敏度高、无污染、环境适应性强、寿命长、能量密度和转换效率高等特点，对其研究具有重要科学价值、现实意义和发展前景。因环境中振动源的振动频率大多处于低频段(小于500 Hz)，目前大部分单一效应微机电系统(MEMS)振动能量采集器存在着谐响应频率高、频带响应窄等问题。
发明内容
本发明针对上述问题，特提供了一种基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器。
本发明的技术方案如下：
一种基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其是由磁铁层、中间支撑层和线圈层构成的三明治结构；其中，磁铁层上具有能振动的磁铁，线圈层上具有能振动的线圈，支撑层支撑于磁铁层和线圈层之间为磁铁和线圈的振动提供空间。
上述的磁铁层包括有外边框Ⅰ，外边框Ⅰ通过弹性臂Ⅰ（4个L形弹性臂Ⅰ依次连接于外边框Ⅰ与中间质量块Ⅰ的4个对应面之间）固定有中间质量块Ⅰ，中间质量块Ⅰ上腐蚀出有凹坑并在凹坑上加载有磁铁。
上述的线圈层包括有外边框Ⅲ，外边框Ⅲ通过弹性臂Ⅲ（4个弹性臂Ⅲ连接在外边框Ⅲ和中间质量块Ⅲ的前、后两个相对面或左右两个相对面间）固定有中间质量块Ⅲ，中间质量块Ⅲ的左上、左下、右上、右下四个区域上分别制备有相同的回字型线圈。
上述的支撑层包括有外边框Ⅱ，该外边框Ⅱ与磁铁层的外边框Ⅰ、线圈层的外边框Ⅲ通过粘结的方式形成整体。
上述磁铁层的外边框Ⅰ、弹性臂Ⅰ、中间质量块Ⅰ，和线圈层的外边框Ⅲ、弹性臂Ⅲ、中间质量块Ⅲ，以及支撑层的外边框Ⅱ均为硅材质。
本发明中，线圈层上设计4个独立的回字型线圈，磁铁层和线圈层的绕轴旋转的模态同样可以引起线圈内磁通量的变化，只是各个线圈的感应电动势的方向不一致，由此，整个器件的六种模态（磁铁层的Z轴方向的振动模态、XY对角线轴旋转方向的振动模态、X-Y对角线轴旋转方向的振动模态，线圈层Z轴方向的振动模态、X轴旋转方向的振动模态、Y轴旋转方向的振动模态）都可以产生感应电动势。
本发明的有益效果：本发明设计的由中间支撑层支撑，实现磁铁和线圈均能振动的能量采集器，能把磁铁和线圈两者共振的频率点错开，使其能在400Hz以下有6个共振模态，并且能采集Z轴方向、X轴旋转、Y轴旋转、XY对角线轴旋转和X-Y对角线轴旋转5个方向的振动能量。
附图说明
下面根据附图对本发明进行说明：
图1为实施例1的整体结构示意图；
图2为实施例1中磁铁层的结构示意图；
图3为实施例1中支撑层的结构示意图；
图4为实施例1中线圈层的结构示意图；
图5为实施例1中磁铁层在Z轴方向的振动模态，特征频率=115.99 ，表面：总位移(μm)；
图6为实施例1中磁铁层在XY对角线轴旋转方向的振动模态，特征频率=333.33 ，表面：总位移(μm)；
图7为实施例1中磁铁层在X-Y对角线轴旋转方向的振动模态，特征频率=333.34 ，表面：总位移(μm)；
图8为实施例1中线圈层在Z轴方向的振动模态，特征频率=141.68 ，表面：总位移(μm)；
图9为实施例1中线圈层在X轴旋转方向的振动模态，特征频率=234.97 ，表面：总位移(μm)；
图10为实施例1中线圈层在Y轴旋转方向的振动模态，特征频率=233.23 ，表面：总位移(μm)。
图中，1磁铁层，1-1外边框Ⅰ，1-2弹性臂Ⅰ，1-3中间质量块Ⅰ，1-4凹坑，1-5磁铁，2支撑层，2-1外边框Ⅱ，3线圈层，3-1外边框Ⅲ，3-2弹性臂Ⅲ，3-3中间质量块Ⅲ，3-4线圈。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
该实施例提出了一种磁铁和线圈均能振动的电磁能量采集器。如附图1所示，该实施例是由上层的磁铁层1、中间层的支撑层2和下层的线圈层3构成的三明治结构。
其中，磁铁层如图2所示，包括有硅材质的外边框Ⅰ1-1、硅弹性臂Ⅰ1-2和中间质量块Ⅰ1-3。中间质量块Ⅰ上腐蚀出有圆形凹坑1-4并在凹坑上加载有圆柱形磁铁1-5，中间质量块Ⅰ1-3与外边框Ⅰ的4个对应面之间依次通过4个L形硅弹性臂Ⅰ1-2连接，弹性臂Ⅰ为磁铁的振动提供支持。
磁铁层中，外边框Ⅰ的外边长8600um，内边长6600um，厚度为300um；质量块Ⅰ的边长为4000um，厚度为300um, 质量块Ⅰ中间腐蚀出半径为1800um的圆形凹坑，腐蚀掉200um,仅剩100um用来在外部加载磁铁；磁铁的半径为1500um，厚度1000um，磁铁的材料为NdFeB，密度7750 kg/m3，磁化强度915KA/m；弹性臂Ⅰ的结构如图2中所示，该弹性臂Ⅰ宽度为200um,厚度为60um,弹性臂Ⅰ间距300um。该磁铁层的材料为100晶向的硅，密度2300 kg/m3。
上述弹性臂Ⅰ的结构使该磁铁层具有如图5所示的Z轴方向的振动模态、如图6所示的XY对角线轴旋转方向的振动模态以及如图7所示的X-Y对角线轴旋转方向的振动模态三种模态。
线圈层如图4所示，包括有硅材质的外边框Ⅲ3-1、弹性臂Ⅲ3-2、和中间质量块Ⅲ3-3。中间质量块Ⅲ的左上、左下、右上、右下四个区域上制备有4个匝数相同的回字型线圈3-4，中间质量块Ⅲ3-3与外边框Ⅲ的前、后两个相对面间分别通过2个硅弹性臂Ⅲ3-2连接，弹性臂Ⅲ为线圈的振动提供支持。
线圈层中，外边框Ⅲ的外边长8600um，内边长6600um，厚度为200um；质量块Ⅲ的边长为5000um，质量块Ⅲ的厚度为200um；线圈的线宽和间距均为10um，高度20um，匝数为20匝，内边长为1mm,外边长1.8mm，材料为金；弹性臂Ⅲ宽度为100um,厚度为30um，弹性臂Ⅲ间距为200um；线圈层的材料和磁铁层一致。
上述弹性臂Ⅲ的结构使该线圈层具有如图8所示的Z轴方向的振动模态、如图9所示的X轴旋转方向的振动模态以及如图10所示的Y轴旋转方向的振动模态三种模态。
支撑层如图3所示，包括有硅材质的外边框Ⅱ2-1，该外边框Ⅱ与磁铁层的外边框Ⅰ、线圈层的外边框Ⅲ通过粘结的方式形成整体以为磁铁层上磁铁和线圈层上线圈的振动提供空间。
支撑层中外边框Ⅱ的外边长8600um，内边长6600um，厚度为200-500um；支撑层的材料和磁铁层一致。
通过仿真，磁铁层和线圈层的共振模态云图分别如图5、6、7和图8、9、10所示，磁铁层和线圈层的共振频率点见表1：
表1：前三阶特征频率
。
该实施例中，线圈层上设计4个独立的回字型线圈，磁铁层和线圈层的绕轴旋转的模态同样可以引起线圈内磁通量的变化，只是各个线圈的感应电动势的方向不一致，由此，整个器件的六种模态都可以产生感应电动势。
本发明设计的磁铁和线圈都能振动的能量采集器，能把磁铁和线圈二者共振的频率点错开，并且通过COMSOL软件进行模态、静态和谐响应仿真，该电磁式振动能量采集器的结构可以实现400Hz以下6个振动模态（如图5、6、7、8、9、10所示），5个方向（Z轴方向、X轴旋转、Y轴旋转、XY对角线轴旋转和X-Y对角线轴旋转）采集振动能量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，特征在于：其是由磁铁层（1）、中间支撑层（2）和线圈层（3）构成的三明治结构；其中，所述磁铁层包括有外边框Ⅰ（1-1）、中间质量块Ⅰ（1-3）和弹性臂Ⅰ（1-2），所述中间质量块Ⅰ上腐蚀出有凹坑（1-4）并在凹坑上加载有磁铁（1-5），所述弹性臂Ⅰ连接于外边框Ⅰ与中间质量块Ⅰ之间以为磁铁的振动提供支持；所述线圈层包括有外边框Ⅲ（3-1）、中间质量块Ⅲ（3-3）和弹性臂Ⅲ（3-2），所述中间质量块Ⅲ的左上、左下、右上、右下四个区域上制备有相同的4个独立的回字型线圈（3-4），所述弹性臂Ⅲ连接于外边框Ⅲ与中间质量块Ⅲ之间以为线圈的振动提供支持；所述支撑层支撑于磁铁层和线圈层之间为磁铁和线圈的振动提供空间，所述支撑层包括有外边框Ⅱ（2-1），所述外边框Ⅱ与磁铁层的外边框Ⅰ、线圈层的外边框Ⅲ通过粘结的方式形成整体；
所述磁铁层具有Z轴方向、XY对角线轴旋转方向和X-Y对角线轴旋转方向的三种振动模态；所述线圈层具有Z轴方向、X轴旋转方向和Y轴旋转方向的三种振动模态；
所述磁铁层的外边框Ⅰ、弹性臂Ⅰ和中间质量块Ⅰ，所述线圈层的外边框Ⅲ、弹性臂Ⅲ和中间质量块Ⅲ，所述支撑层的外边框Ⅱ均为硅材质。
2.根据权利要求1所述基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其特征在于：所述磁铁层的弹性臂Ⅰ是包括有4个L形弹性臂Ⅰ且依次连接于外边框Ⅰ与中间质量块Ⅰ的4个对应面之间；所述线圈层的弹性臂Ⅲ是包括有4个弹性臂Ⅲ且连接在外边框Ⅲ和中间质量块Ⅲ的前、后两个相对面或左右两个相对面之间。
3.根据权利要求1或2所述基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其特征在于：所述磁铁层中，外边框Ⅰ的外边长8600um，内边长6600um，厚度为300um；质量块Ⅰ的边长为4000um，厚度为300um, 质量块Ⅰ中间腐蚀出半径为1800um的圆形凹坑，腐蚀掉200um，仅剩100um用来在外部加载磁铁；弹性臂Ⅰ是包括有4个L形弹性臂Ⅰ且依次连接于外边框Ⅰ与中间质量块Ⅰ的4个对应面之间，弹性臂Ⅰ宽度为200um,厚度为60um,弹性臂Ⅰ间距300um；该磁铁层的材料为100晶向的硅，密度2300 kg/m³。
4.根据权利要求3所述基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其特征在于：所述磁铁的半径为1500um，厚度1000um，磁铁的材料为NdFeB，密度7750 kg/m³，磁化强度915KA/m。
5.根据权利要求1或2所述基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其特征在于：所述线圈层中，外边框Ⅲ的外边长8600um，内边长6600um，厚度为200um；质量块Ⅲ的边长为5000um，厚度200um，质量块Ⅲ的左上、左下、右上、右下四个区域上制备有相同的4个独立的回字型线圈；弹性臂Ⅲ是包括有4个弹性臂Ⅲ且连接在外边框Ⅲ和中间质量块Ⅲ的前、后两个相对面或左右两个相对面之间，弹性臂Ⅲ宽度为100um,厚度为30um,弹性臂Ⅲ间距为200um；线圈层的材料和磁铁层一致。
6.根据权利要求1所述基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其特征在于：所述回字型线圈的线宽和间距均为10um,高度20um,匝数为20匝，内边长为1mm,外边长1.8mm，材料为金。
7.根据权利要求1所述基于MEMS的多模态低频电磁式振动型能量采集器，其特征在于：所述支撑层中外边框Ⅱ的外边长8600um，内边长6600um，厚度为200-500um，支撑层的材料和磁铁层一致。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 256600 Binzhou University, 391 the Yellow River five road, Bincheng District, Binzhou, Shandong Patentee after: Shandong University of Aeronautics and Astronautics Country or region after: China Address before: 256600 Binzhou University, 391 the Yellow River five road, Bincheng District, Binzhou, Shandong Patentee before: BINZHOU University Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240904 Address after: 230000 b-1018, Woye Garden commercial office building, 81 Ganquan Road, Shushan District, Hefei City, Anhui Province Patentee after: HEFEI WISDOM DRAGON MACHINERY DESIGN Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 256600 Binzhou University, 391 the Yellow River five road, Bincheng District, Binzhou, Shandong Patentee before: Shandong University of Aeronautics and Astronautics Country or region before: China |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240926 Address after: 710000, 1st Floor, Building 3, Intelligent Sensor Industry Base, Aviation Industry Control Station, No. 3360 Xizhou Avenue, Fengdong New City, Xixian New Area, Chang'an District, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: Xi'an Jingwei Sensing Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 230000 b-1018, Woye Garden commercial office building, 81 Ganquan Road, Shushan District, Hefei City, Anhui Province Patentee before: HEFEI WISDOM DRAGON MACHINERY DESIGN Co.,Ltd. Country or region before: China |