CN107465325A - 微型电磁式振动能量采集器及自主供电模块 - Google Patents

Abstract

一种微型电磁式振动能量采集器及自主供电模块，该能量采集器包括绝缘衬底、感应线圈、中间层、铜基底、固定永磁体、固支梁与振动永磁体，所述感应线圈形成在所述绝缘衬底上，所述固定永磁体和所述铜基底，中间层由上至下层叠形成在所述绝缘衬底上，所述固支梁悬空在所述绝缘衬底之上，所述固支梁的两端固定于所述中间层的上方，与所述铜基底处于同一层，所述振动永磁体形成在所述固支梁中间的托盘上，所述固支梁、所述振动永磁体及所述固定永磁体组成拾振结构，所述拾振结构工作时产生变化的磁场，使所述感应线圈随磁场的变化而产生感应电流。该能量采集器采集效率高，输出电压高且输出稳定，系统集成度高，制作工艺简单。

Description

微型电磁式振动能量采集器及自主供电模块

技术领域

本发明涉及一种微型电磁式振动能量采集器及采用该微型电磁式振动能量采集器的无线传感器网络节点自主供电模块。

背景技术

物联网技术是现在的研究热点之一，无线传感器技术作为物联网系统的重要组成部分，发挥着重要的作用，而能源问题已经成为了一个限制无线传感器节点寿命的重要因素，进一步会影响整个物联网系统的工作。使用传统电池供电的传感器节点，存在电池寿命有限，传感器数量众多，更换电池困难的缺点。收集环境中的能源为传感器节点供电可以大大增加系统寿命。

振动能广泛的存在于自然环境中，采集较为方便，电磁式振动能量采集器主要针对低频振动，输出功率可以满足传感器供电的要求。振动能量采集器整体使用微机电工艺制造，使用电镀工艺制作永磁体，可以简化工艺流程，缩小系统体积。

超级电容和电路系统的作用是将采集到的不稳定的振动能转化为稳定的电能储存在超级电容中，并保证超级电容输出稳定的电压。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型电磁式振动能量采集器及采用该微型电磁式振动能量采集器的无线传感器网络节点自主供电模块。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微型电磁式振动能量采集器，包括绝缘衬底、感应线圈、固定永磁体、铜基底、固支梁与振动永磁体，所述感应线圈形成在所述绝缘衬底上，所述固定永磁体和所述铜基底由上至下层叠形成在所述绝缘衬底上，所述固支梁悬空在所述绝缘衬底之上，所述固支梁的两端固定于所述中间层的上方，与所述铜基底处于同一层，所述振动永磁体形成在所述固支梁中间的托盘上，所述固支梁、所述振动永磁体及所述固定永磁体组成拾振结构，所述拾振结构工作时产生变化的磁场，使所述感应线圈随磁场的变化而产生感应电流。

进一步地：

所述固支梁与所述铜基底由同一层电镀铜形成，两者联结在一起。

所述固支梁设置成平行于所述绝缘衬底的平面S形结构，所述托盘设置在平面S形结构的中间位置。

包括对称设置在矩形区域内的四组所述拾振结构，每组拾振结构共同使用一组感应线圈，所述感应线圈为平面绕组结构，所述平面绕组结构沿着所述矩形区域的四条边和相邻的拾振结构之间的间隙延伸布置。

单匝线圈的高度、宽度和间距为20-40微米，总体长度为500-800毫米。

所述振动永磁体为均匀分布在所述托盘上的圆柱体阵列结构。

所述固支梁的长度为25-26毫米，所述托盘为正方形，所述托盘的边长为3-4毫米，高度为10-20微米，所述振动永磁体包括4×4个圆柱体，圆柱体的直径为0.5-0.6毫米，高度为10-30微米。

所述固定永磁体为多个矩形体组合成的形状，各矩形体的边长为0.35-17.1毫米，高度为10-30微米。

所述绝缘衬底为覆盖二氧化硅的硅晶片。

一种无线传感器网络节点自主供电模块，包括所述的微型电磁式振动能量采集器和与所述微型电磁式振动能量采集器相连的电路模块；优选地，所述电路模块包括能量转换和处理电路、以及与所述能量转换和处理电路相连的超级电容器。

本发明的有益效果有：

本发明针对无线传感器节点的能源需求以及现有的振动能量采集器输出电压过低而且系统集成度不够高等问题，提出了一种可基于微机电系统工艺制造的微型电磁式低频振动能量采集器，其能量采集效率高，能够获得更高和更稳定的输出电压，可将不稳定的振动能转化为稳定的电能储存在超级电容中，并保证超级电容输出稳定的电压，同时，本发明的振动能量采集器显著提高了系统集成度，且其制作工艺简单。优选实施例的结构可以进一步增大磁场强度，提高采集效率、输出电压及稳定性。

本发明中的振动能量采集器尤其适于采集环境中低于100赫兹的低频振动，通过固支梁和振动永磁体与环境中的振动发生共振，闭合线圈中由于磁通量的变化产生感生电流，以此发电。由于产生共振时的振幅最大，产生的电流也最大，因此在设计固支梁时，通过改变梁的长度可形成不同的谐振频率，使得固支梁在更宽的频率范围内可以产生共振现象，以扩大采集器在不同频率区间的工作效率。振动能量采集器可全部使用MEMS工艺制造，并电镀永磁体，从而解决粘接永磁体产生的精度问题和制作步骤繁琐的问题。

附图说明

图1为本发明一种实施例的振动能量采集器结构示意图。

图2为本发明一种实施例的整体系统框架图。

图3为本发明一种实施例的整流电路电路图。

图4为基于bq25504芯片的电压转换模块电路。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，一种微型电磁式振动能量采集器，包括绝缘衬底1、感应线圈2、固定永磁体3、铜基底、固支梁4与振动永磁体5，中间层6，所述感应线圈形成在所述绝缘衬底上，所述固定永磁体和所述铜基底以及所述中间层由上至下层叠形成在所述绝缘衬底上，所述固支梁悬空在所述绝缘衬底之上，所述固支梁的两端固定于所述中间层的上方，与所述铜基底处于同一层。中间层起到将固支梁架空的作用，给予其振动的空间。所述振动永磁体形成在所述固支梁中间的托盘上，所述固支梁、所述振动永磁体及所述固定永磁体组成拾振结构，所述拾振结构工作时产生变化的磁场，使所述感应线圈随磁场的变化而产生感应电流。

在优选实施例中，所述绝缘衬底可以为覆盖二氧化硅的硅晶片。所述的感应线圈、固支梁、振动永磁体和固定永磁体皆可通过电镀工艺制作。整个能量采集器可采用MEMS工艺制造。所述托盘可由电镀铜得到。感应线圈是铜感应线圈。

在优选实施例中，所述固支梁与所述铜基底由同一层电镀铜形成，两者联结在一起。

在优选实施例中，所述固支梁设置成平行于所述绝缘衬底的平面S形结构，所述托盘设置在平面S形结构的中间位置。

在优选实施例中，包括对称设置在矩形区域内的四组所述拾振结构，每组拾振结构共同使用一组感应线圈，所述感应线圈为平面绕组结构，所述平面绕组结构沿着所述矩形区域的四条边和相邻的拾振结构之间的间隙延伸布置。

在优选实施例中，单匝线圈的高度、宽度和间距为20-40微米，总体长度为500-800毫米。

在优选实施例中，所述振动永磁体为均匀分布在所述托盘上的圆柱体阵列结构。

在优选实施例中，所述固支梁的长度为25-26毫米，所述托盘为正方形，所述托盘的边长为3-4毫米，高度为10-20微米，所述振动永磁体包括4×4个圆柱体，圆柱体的直径为0.5-0.6毫米，高度为10-30微米。

在优选实施例中，所述固定永磁体为多个矩形体组合成的形状，各矩形体的边长为0.35-17.1毫米，高度为10-30微米。

所述固定永磁体设置成填充能量采集器的绝缘衬底上除固支梁、振动永磁体和线圈外的空余位置，同时发挥增强磁场的作用。

在另一种实施例中，一种无线传感器网络节点自主供电模块，包括所述的微型电磁式振动能量采集器和与所述微型电磁式振动能量采集器相连的电路模块；优选地，所述电路模块包括能量转换和处理电路、以及与所述能量转换和处理电路相连的超级电容器。

超级电容作为储能装置负责存储采集器收集到的电能并为后续电路供能。超级电容可以采用例如极化电解质电容，电容量在1至10F之间。该电容相较传统电池具有高容量、高充放电次数的优点，适于对处在自然界中的传感器节点进行供电。

在优选实施例中，能量转换和处理电路可包括一个整流模块、一个电压转换模块、一个电压比较器和一个稳压模块，其作用是将振动能量采集器采集的电能稳定的输入超级电容并保证超级电容输出稳定的电压。其中，整流模块由电容和二极管组成，可以根据需要调整整流电路的阶数，从而改变整流模块输出的电压值，电压转换模块配合外围电路实现稳定的电压输出。电压比较器实现对超级电容存储电压的检测，并对后续的线性稳压器的工作状态进行控制，稳压模块保证超级电容的输出电压保持在一个稳定的数值范围。

以下结合附图进一步详细描述具体实施例。

如图1所示，具体来说，振动能量采集器包括绝缘衬底1、电镀铜感应线圈2、固定永磁体3、固支梁及所在的铜基底层4、振动永磁体5、中间层6。电镀铜感应线圈2固定在绝缘衬底1上，中间层6固定在绝缘衬底1上，铜基底4固定在中间层6上，固支梁4的两端支撑部分固定在中间层6的上方，固支梁4悬空在绝缘衬底2之上，固定永磁体3固定在铜基底4上，振动永磁体5固定在固支梁4中部的方形托盘上。

所述的绝缘衬底1为覆盖一层二氧化硅薄膜的硅晶片。

所述的电镀铜感应线圈2由一层多匝铜线圈螺旋排列在能量采集器上，单匝线圈的高度和宽度为20-40微米，线圈之间的间距为20-40微米，线圈总长度长度为500-800毫米。

所述的固定永磁体3为多个矩形租组合成的不规则形状，由电镀工艺制作，边长在0.35-17.1毫米，高度在10-30微米，作用是增强磁场强度。

所述的拾振结构由固支梁4与振动永磁体5组成，振动永磁体5电镀在固支梁4中间的方形托盘上。固支梁为S形，可以在环境中受迫振动，带动托盘上的振动永磁体5振动，形成感应线圈2中的磁通变化，产生感应电流。固支梁4长度25-26毫米，中部正方形托盘的边长为3-4毫米，高度10-20微米。振动永磁体为圆形，共16个，4×4均匀分布在固支梁4的托盘上，直径为0.5-0.6毫米，高度为10-30微米。

如图2所示，本实施例的无线传感器网络节点自主供电模块包括一个振动能量采集器、一个整流模块、一个电压转换模块、一个超级电容、一个电压比较器和一个稳压模块。振动能量采集器将环境中的振动转换成交流电输入整流模块中，整流电路将不规律的交流电转化为直流电，然后输入电压转换模块，将不稳定的电压转换为稳定的电压为超级电容充电，电压比较器通过比较超级电容两端的电压与基准值的高低从而决定超级电容应处于充电阶段或是放电阶段，稳压器则保证超级电容放电时输出稳定的电压，为所需器件供能。

所述后续电路部分中，整流模块为倍压整流电路，由二极管和电容组成，作用是将振动能量采集器输出的交流电压转成直流电压，以便于进行后续处理，如果增加整流电路阶数，可以在一定程度下实现电压值的抬升和电流值的减小，以满足一些电路芯片的最小输入电压要求。

所述的电压转换模块可以是以bq25504芯片为基础的电路模块，bq25504芯片是一个具有可编程最大功率点跟踪和欠压过压保护功能的超低功耗的直流升压转换器。布置在整流电路之后，将振动能量采集器收集到的电能输送到超级电容中。所述的电压比较器可选择MIC841以及类似芯片。所述的稳压模块可以选择TPS757以及类似芯片。

如图3所示，整流模块由二极管与电容构成。倍压整流电路与传统桥式整流电路相比，在输入交流电压相同时，可以输出更高的直流电压，造成的电路损耗较小，同时可以通过增加电路阶数，在一定程度上提高输出电压值。

如图4所示，为bq25504的应用实例。bq25504芯片是一个具有可编程最大功率点跟踪和欠压过压保护功能的超低功耗的直流升压转换器。可以通过电阻R5与R6的电阻分压设置需要的最大功率点；以及电阻R1，R2和R3，电阻R4的电阻分压设定芯片的欠压UV和过压OV保护值。

优选实施例中，电压比较器主要作用是比较超级电容两端的电容值与比较器内部设置的基准值，当电容器电压大于基准值时，电路导通，电容器正常放电；当超级电容电压值低于基准值时，电路断开，电容器停止放电，以此确保超级电容不会过放电导致电压过低，无法驱动后续电路。

优选实施例中，振动能量采集器以及后续电路需要为无线传感器节点的传感器和无线信号发射部分供电，这些部分需要稳定的电压值供电，而超级电容两端的电压会随着电量的下降而降低，稳压器的作用就是在超级电容两端的电压值高于基准值时，将超级电容输出的电压转换为稳定电压输出，使传感器和无线信号发射模块可以正常工作。

以上内容是结合具体/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方式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)

1.一种微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,包括绝缘衬底、感应线圈、固定永磁体、铜基底、固支梁与振动永磁体，所述感应线圈形成在所述绝缘衬底上，所述固定永磁体和所述铜基底、中间层由上至下层叠形成在所述绝缘衬底上，所述固支梁悬空在所述绝缘衬底之上，所述固支梁的两端固定于所述中间层上方，与所述铜基底处于同一层，所述振动永磁体形成在所述固支梁中间的托盘上，所述固支梁、所述振动永磁体及所述固定永磁体组成拾振结构，所述拾振结构工作时产生变化的磁场，使所述感应线圈随磁场的变化而产生感应电流。

2.如权利要求1所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,所述固支梁与所述铜基底由同一层电镀铜形成，两者联结在一起。

3.如权利要求1至2任一项所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,所述固支梁设置成平行于所述绝缘衬底的平面S形结构，所述托盘设置在平面S形结构的中间位置。

4.如权利要求1至3任一项所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,包括对称设置在矩形区域内的四组所述拾振结构，每组拾振结构共同使用一组感应线圈，所述感应线圈为平面绕组结构，所述平面绕组结构沿着所述矩形区域的四条边和相邻的拾振结构之间的间隙延伸布置。

5.如权利要求4所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,单匝线圈的高度、宽度和间距为20-40微米，总体长度为500-800毫米。

6.如权利要求1至5任一项所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,所述振动永磁体为均匀分布在所述托盘上的圆柱体阵列结构。

7.如权利要求6所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,所述固支梁的长度为25-26毫米，所述托盘为正方形，所述托盘的边长为3-4毫米，高度为10-20微米，所述振动永磁体包括4×4个圆柱体，圆柱体的直径为0.5-0.6毫米，高度为10-30微米。

8.如权利要求1至7任一项所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于,所述固定永磁体为多个矩形体组合成的形状，各矩形体的边长为0.35-17.1毫米，高度为10-30微米。

9.如权利要求1至8任一项所述的微型电磁式振动能量采集器，其特征在于，所述绝缘衬底为覆盖二氧化硅的硅晶片。

10.一种无线传感器网络节点自主供电模块，其特征在于,包括如权利要求1至9任一项所述的微型电磁式振动能量采集器和与所述微型电磁式振动能量采集器相连的电路模块；优选地，所述电路模块包括能量转换和处理电路、以及与所述能量转换和处理电路相连的超级电容器。