CN108155831B - 一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于采集风能的压电‑摩擦电复合型能量采集器，包括聚风装置和设置在封装外壳内部的质量块、阻挡板和压电悬臂梁，所述聚风装置的出风口和封装外壳连接，所述质量块设置在封装外壳内部与聚风装置连接的位置，所述阻挡板设置在质量块外侧的出风口一侧并与质量块保持一定间隙，所述压电悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与悬臂梁支撑体连接，所述悬臂梁支撑体固定在封装外壳外部并与质量块相平行的位置。本发明提供的能量采集器通过集成压电和摩擦两种换能方式从而达到同时采集自然环境中风能的目的，解决传统的只能采集一种能量转化机理的问题，并从很大程度上改善了采集能量方式单一、能量采集效率低、输出功率小等问题。
Description
技术领域
本发明涉及微型能量采集器领域，尤其涉及一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器。
背景技术
由于常规能源的日益短缺和环境问题越来越突出，新能源的研究与开发受到越来越多人的关注。自然环境中可采集的能量形式种类有很多，其中，风能是地面上一种广泛存在、取之不尽、用之不竭、易于利用的可再生绿色能源，在近年来得到了快速的发展，是新能源中发展最快的一种能源，风力发电也成为了各国研究的重要课题。
传统的风力发电机体积大，虽然可以实现大功率发电，但其适用范围比较局限，但随着无线网络以及微型电子设备的飞速发展，这些特殊环境下的设备对无线电源的需求也越来越高，采用传统的化学电池供电，需要定期更换，难以满足持续稳定的供能要求。从风能获取能量并转换为电能的微能源装置由于具有体积小、质量轻、寿命长、无需更换、绿色环保等优点，是低功耗电子器件的一种理想电源。
目前，自然环境的中可采集的风能普遍存在，但是现阶段国内外研制的微型风能能量采集器的转换机理主要集中为单一形式的电磁感应或压电效应，对多种能量采集机理复合的结构形式少有涉及，传统的只基于一种能量采集方式，极大地限制了器件的能量转换效率，使其难以达到实际应用中对功率输出的要求。因此，如何改善风能能量采集器的输出和提高能量转换效率是风能能量采集器在实际应用中的关键问题，也是目前研究和关注的热点。通过设计新颖的结构利用摩擦发电机理和压电振动能采集机理将环境中普遍存在的风能进行采集，两种换能机理复合型的复合式能量采集器是提高能量转换效率的一种有效方法。然而，迄今为止，关于可同时利用摩擦发电机理与压电机理的复合式风能能量采集器的研究仍极为有限，因为同时利用两种模式的能量采集对于微型能量采集器件来说，在结构设计上将面临更大的挑战。这种器件含有更多的功能和结构层次，因此器件结构的设计与制备过程的兼容性是关乎整个器件性能的重要问题。
公开号为CN106286139A的中国专利申请公开了一种浓缩风能压电能量收集装置，包括聚风腔体、PVDF压电薄膜、夹持部件、底板、螺柱，所述聚风腔体和夹持部件分别通过螺钉固定在底板上，所述的夹持部件具有上下两块夹板，通过螺钉将PVDF压电薄膜的一端固定，使得PVDF压电薄膜处在一端固定一端自由的悬臂状态；所述聚风腔体由入风口、收缩段、出风口三部分依次连接组成，所述入风口较大，朝向来风方向，出风口较小，朝向PVDF压电薄膜；而底板通过螺母固定在螺柱上。该专利申请采用压电能量采集机理，创新性地提出了压电风能采集器结构，结构新颖，但该技术只是利用压电能量转换这一单一的能量转换机理，并没有得到理想的能量采集输出功率和理想的能量转换率。
公开号为CN106787945A的中国专利申请公开了一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括压电振动能量收集器主结构和摩擦电能量收集单元；压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座、多个梯形压电悬臂梁构成的共质量块压电悬臂梁阵列及质量块；摩擦电能量收集单元包括上、下电极和表面微结构处理的柔性介电摩擦层。该专利申请提到了压电-摩擦电两种能量转换机理同时利用的结构，使微型能量采集器的采集效率得以提高。但该专利对实际环境的适应性不强，不能很好的适应自然环境中复杂的振动条件；而且该发明仅仅将两种能量转换方式加以复合，并没有提高微型能量采集器对实际环境的适用性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，所述能量采集器包括聚风装置和设置在封装外壳内部的质量块、阻挡板和压电悬臂梁，所述聚风装置的出风口和所述封装外壳连接，所述质量块设置在所述封装外壳内部与所述聚风装置连接的位置，所述阻挡板设置在所述质量块外侧的出风口一侧并与所述质量块保持一定间隙，所述压电悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与悬臂梁支撑体连接，所述悬臂梁支撑体固定在所述封装外壳外部并与所述质量块相平行的位置。
其中，所述聚风装置为入风口宽、出风口窄的喇叭状结构。
其中，所述质量块为D型结构，且凸出面位于出风口一侧。
其中，所述质量块包括质量块基底和设于所述质量块基底表面的第一摩擦涂层，所述质量块基底为聚氨酯泡沫，所述第一摩擦涂层为铝或锌。
其中，所述阻挡板为上下两个与所述质量块匹配的弧形结构。
其中，所述阻挡板包括阻挡板基底、第一电极层和第二摩擦涂层，所述第一电极层设于所述阻挡板基底表面，所述第二摩擦涂层设于所述第一电极层表面，所述阻挡板基底为聚氯乙烯。
其中，所述第一电极层为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到。
其中，所述第二摩擦涂层为聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯。
其中，所述压电悬臂梁采用硅作为基底，从下至上依次包括磷青铜支撑层、导电银胶层、锆钛酸铅压电陶瓷层和第二电极层。
其中，所述第二电极层为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到。
相比公开号为CN106787945A的中国专利申请，本发明中也使用聚风通道的设计，但能量转换机理方面，采用的压电能量转换和摩擦电能量转换同时进行的能量转换机理。相比于单一压电式的能量器，本发明中器件的单位体积能量密度提高了30%左右。器件整体的输出功率比单一压电式能量采集器提高了25%。进而本发明的设计结构具有更好的输出性能，能够满足自然环境中更多的供能要求。
相比公开号为CN106787945A的中国专利申请，本发明的整体结构为“悬臂梁+阻挡块”结构，这个新型结构使得压电悬臂梁的工作频带得以拓宽，所以能够采集频带范围更宽的振动能。另一方面，本发明中使用的聚风通道结构设计，能够聚集更高能量密度的风能，但不同能量密度的风能产生的振动频率有很大的差别，创新性地将“悬臂梁+阻挡块”结构与聚风通道结构相结合，使得发明中的设计能够很大程度上提升能量采集器对实际环境的适应性。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，具有以下优点：
1、通过集成压电和摩擦两种换能方式从而达到同时采集自然环境中风能的目的，解决传统的只能采集一种能量转化机理的问题，并从很大程度上改善了采集能量方式单一、能量采集效率低、输出功率小等问题；
2、利用碰撞式非线性影响因素使得压电悬臂梁的工作频带范围得到拓宽，从而突破单一工作频带的局限，实现振动能量采集输出功率的显著提升，并且共用的D型质量块和阻挡板结构可以同时实现摩擦发电的机理；
3、聚风装置的设计使得风能得到聚集，从而获得更高的能量密度，另外D型质量块结构和弧形阻挡板结构的设计，满足流体力学的特性，能够更好的利用风能，使得质量块和压电悬臂梁的上下振动更为剧烈；
4、借助磨抛减薄技术、溅射技术、激光切割技术、摩擦微结构图形化集成制造等压电材料加工工艺技术将器件微型化、集成化，提高和改善微型能量采集器的输出性能。
因此，本发明将从很大程度上改善微型能量采集器采集能量形式单一、输出功率低、等输出性能无法满足实际应用的缺点，具有重要的科学意义和巨大的经济与社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的压电-摩擦电复合型能量采集器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的压电-摩擦电复合型能量采集器中质量块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的压电-摩擦电复合型能量采集器中阻挡板的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的压电-摩擦电复合型能量采集器中压电悬臂梁的结构示意图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-聚风装置，2-质量块，201-质量块基底，202-第一摩擦涂层，3-阻挡板，301-阻挡板基底，302-第一电极层，303-第二摩擦涂层，4-压电悬臂梁，401-磷青铜支撑层，402-导电银胶层，403-锆钛酸铅压电陶瓷层，404-第二电极层，5-封装外壳，6-悬臂梁支撑体。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，如图1所示，所述能量采集器包括聚风装置1和设置在封装外壳5内部的质量块2、阻挡板3和压电悬臂梁4，所述聚风装置1的出风口和所述封装外壳5连接，所述质量块2设置在所述封装外壳5内部与所述聚风装置1连接的位置，所述阻挡板3设置在所述质量块2外侧的出风口一侧并与所述质量块2保持一定间隙，所述压电悬臂梁4一端与所述质量块2连接，另一端与悬臂梁支撑体6连接，所述悬臂梁支撑体6固定在所述封装外壳5外部并与所述质量块2相平行的位置。
所述聚风装置1为入风口宽、出风口窄的喇叭状结构，所述聚风装置1和所述封装外壳5均采用硬质聚氯乙烯材料制备，并通过环氧树脂胶粘合在一起；所述质量块2为D型结构，且凸出面位于出风口一侧，所述质量块2包括质量块基底201和设于所述质量块基底201表面的第一摩擦涂层202，如图2所示，所述质量块基底201为聚氨酯泡沫，所述第一摩擦涂层202为铝箔，铝箔作为摩擦涂层的同时也作为摩擦发电的电极层固定在质量块2上。所述阻挡板3为上下两个与所述质量块2匹配的弧形结构，所述质量块2设置在弧形阻挡板3之间，所述阻挡板3包括阻挡板基底301、第一电极层302和第二摩擦涂层303，如图3所示，所述第一电极层302设于所述阻挡板基底301表面，所述第二摩擦涂层303设于所述第一电极层302表面，所述阻挡板基底301为聚氯乙烯，所述第一电极层302为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到，所述第二摩擦涂层303为聚二甲基硅氧烷。所述压电悬臂梁4采用硅作为基底，从下至上依次包括磷青铜支撑层401、导电银胶层402、锆钛酸铅压电陶瓷层403和第二电极层404，如图4所示，所述磷青铜支撑层401和所述锆钛酸铅压电陶瓷层403通过所述导电银胶层402实现粘贴键合，所述第二电极层404为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到。
实施例2
本发明提供的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，如图1所示，所述能量采集器包括聚风装置1和设置在封装外壳5内部的质量块2、阻挡板3和压电悬臂梁4，所述聚风装置1的出风口和所述封装外壳5连接，所述质量块2设置在所述封装外壳5内部与所述聚风装置1连接的位置，所述阻挡板3设置在所述质量块2外侧的出风口一侧并与所述质量块2保持一定间隙，所述压电悬臂梁4一端与所述质量块2连接，另一端与悬臂梁支撑体6连接，所述悬臂梁支撑体6固定在所述封装外壳5外部并与所述质量块2相平行的位置。
所述聚风装置1为入风口宽、出风口窄的喇叭状结构，所述聚风装置1和所述封装外壳5均采用硬质聚氯乙烯材料制备，并通过环氧树脂胶粘合在一起；所述质量块2为D型结构，且凸出面位于出风口一侧，所述质量块2包括质量块基底201和设于所述质量块基底201表面的第一摩擦涂层202，如图2所示，所述质量块基底201为聚氨酯泡沫，所述第一摩擦涂层202为锌，锌作为摩擦涂层的同时也作为摩擦发电的电极层固定在质量块2上。所述阻挡板3为上下两个与所述质量块2匹配的弧形结构，所述质量块2设置在弧形阻挡板3之间，所述阻挡板3包括阻挡板基底301、第一电极层302和第二摩擦涂层303，如图3所示，所述第一电极层302设于所述阻挡板基底301表面，所述第二摩擦涂层303设于所述第一电极层302表面，所述阻挡板基底301为聚氯乙烯，所述第一电极层302为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到，所述第二摩擦涂层303为聚氯乙烯。所述压电悬臂梁4采用硅作为基底，从下至上依次包括磷青铜支撑层401、导电银胶层402、锆钛酸铅压电陶瓷层403和第二电极层404，如图4所示，所述磷青铜支撑层401和所述锆钛酸铅压电陶瓷层403通过所述导电银胶层402实现粘贴键合，所述第二电极层404为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到。
本发明提供的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器包括压电振动能量采集部分和摩擦能量采集部分，所述压电振动能量采集部分包括压电材料加工工艺制备的质量块2、阻挡板3和压电悬臂梁4，所述摩擦能量采集部分为质量块2与阻挡板3之间的分离式接触结构。
所述的压电能量采集部分的主体是以硅为基底经过材料加工工艺制备的压电悬臂梁4，摩擦发电部分的主体是由激光切割等工艺加工的摩擦涂层所构成，其涉及到的具体工艺流程有：
1、压电悬臂梁的制备
S1：采用Si基片，在其表面热氧化生成一层SiO2。
S2：为改善支撑层的柔性和抗疲劳性，选取厚度约为50μm的磷青铜作为悬臂梁的支撑层，与此同时磷青铜也可以作为压电悬臂梁4的下电极，并使用环氧树脂胶将磷青铜支撑层401与硅基片进行粘合;
S3：采用导电银胶将磷青铜支撑层401与锆钛酸铅压电陶瓷层403进行键合，锆钛酸铅压电陶瓷层403的厚度约为400μm；
S4：通过减薄工艺将锆钛酸铅压电陶瓷层403减薄至20-30µm；
S5：采用磁控溅射的方法在锆钛酸铅压电陶瓷层403上溅射Au电极作为第二电极层404，并采用光刻、显影方法得到第二电极层404所需的图形掩膜，离子铣电极；
S6：正面采用紫外激光切割方法对锆钛酸铅压电陶瓷层403、磷青铜支撑层401进行图形化；
S7：背部采用深硅刻蚀，将硅层和二氧化硅层完全刻蚀，并释放悬臂梁，完成器件主结构制作，如图4所示。
2、摩擦电材料层的制备
（1）选择具有较小密度的聚氨酯泡沫材料作为质量块基底201材料；
（2）选择具有较好硬度的聚氯乙烯作为阻挡板基底301材料；
（3）利用紫外激光切割技术将铝箔层加工成矩形或者梯形凸槽，并将铝箔层附着于质量块基底201材料上作为第一摩擦涂层202，铝箔层本身可以作为摩擦电的电极，如图2所示；
（4）利用激光切割技术在硅片上切割出适当深度的摩擦凹槽，将聚二甲基硅氧烷均匀铺设在所加工的凹槽内作为第二摩擦涂层303，待其固化后取下；
（5）采用磁控溅射方法在阻挡板基底301内测溅射金电极作为摩擦发电的第一电极层302；
（6）将固化完成的第二摩擦涂层303使用导电胶粘贴在在阻挡板基底301内侧的第一电极层302上，如图3所示。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述能量采集器包括聚风装置和设置在封装外壳内部的质量块、阻挡板和压电悬臂梁，所述聚风装置的出风口和所述封装外壳连接，所述质量块设置在所述封装外壳内部与所述聚风装置连接的位置，所述阻挡板设置在所述质量块外侧的出风口一侧并与所述质量块保持一定间隙，所述压电悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与悬臂梁支撑体连接，所述悬臂梁支撑体固定在所述封装外壳外部并与所述质量块相平行的位置；
所述压电悬臂梁的材料层通过以下步骤制备得到：
S1：采用Si基片，在其表面热氧化生成一层SiO2；
S2：为改善支撑层的柔性和抗疲劳性，选取厚度为50μm的磷青铜作为悬臂梁的支撑层，与此同时磷青铜作为压电悬臂梁(4)的下电极，并使用环氧树脂胶将磷青铜支撑层(401)与硅基片进行粘合;
S3：采用导电银胶将磷青铜支撑层(401)与锆钛酸铅压电陶瓷层(403)进行键合，锆钛酸铅压电陶瓷层(403)的厚度为400μm；
S4：通过减薄工艺将锆钛酸铅压电陶瓷层(403)减薄至20-30µm；
S5：采用磁控溅射的方法在锆钛酸铅压电陶瓷层(403)上溅射Au电极作为第二电极层(404)，并采用光刻、显影方法得到第二电极层(404)所需的图形掩膜，离子铣电极；
S6：正面采用紫外激光切割方法对锆钛酸铅压电陶瓷层(403)、磷青铜支撑层(401)进行图形化；
S7：背部采用深硅刻蚀，将硅层和二氧化硅层完全刻蚀，并释放悬臂梁，完成器件主结构制作；
摩擦电材料层通过以下步骤制备得到：
SA：选择聚氨酯泡沫材料作为质量块基底(201)材料；
SB：选择聚氯乙烯作为阻挡板基底(301)材料；
SC：利用紫外激光切割技术将铝箔层加工成矩形或者梯形凸槽，并将铝箔层附着于质量块基底(201)材料上作为第一摩擦涂层(202)，铝箔层本身作为摩擦电的电极；
SD：利用激光切割技术在硅片上切割出适当深度的摩擦凹槽，将聚二甲基硅氧烷均匀铺设在所加工的凹槽内作为第二摩擦涂层(303），待其固化后取下；
SE：采用磁控溅射方法在阻挡板基底（301）内测溅射金电极作为摩擦发电的第一电极层（302）；
SF：将固化完成的第二摩擦涂层(303)使用导电胶粘贴在阻挡板基底(301)内侧的第一电极层(302)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述聚风装置为入风口宽、出风口窄的喇叭状结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述质量块为D型结构，且凸出面位于出风口一侧。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述质量块包括质量块基底和设于所述质量块基底表面的第一摩擦涂层，所述质量块基底为聚氨酯泡沫，所述第一摩擦涂层为铝或锌。
5.根据权利要求1所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述阻挡板为上下两个与所述质量块匹配的弧形结构。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述阻挡板包括阻挡板基底、第一电极层和第二摩擦涂层，所述第一电极层设于所述阻挡板基底表面，所述第二摩擦涂层设于所述第一电极层表面，所述阻挡板基底为聚氯乙烯。
7.根据权利要求6所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述第一电极层为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到。
8.根据权利要求6所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述第二摩擦涂层为聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯。
9.根据权利要求1所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述压电悬臂梁采用硅作为基底，从下至上依次包括磷青铜支撑层、导电银胶层、锆钛酸铅压电陶瓷层和第二电极层。
10.根据权利要求9所述的一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器，其特征在于：所述第二电极层为金电极，所述金电极通过测控溅射技术制备得到。
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