CN108306544A - 具有通气孔结构的振动能量采集器 - Google Patents

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Abstract

一种具有通气孔结构的振动能量采集器，包括：谐振结构，用于在外部驱动的作用下运动，并将运动产生的机械能转换为电能；至少一个通气孔，设置于所述谐振结构上，用于通气以减小所述谐振结构运动时的空气阻尼力。上述具有通气孔结构的振动能量采集器的谐振结构上设置有通气孔，当运动极板运动时，部分阻碍运动的薄膜空气会被挤压进入通气孔并被排出，可以降低空气阻尼力，增加器件的对外输出电能。

Description

具有通气孔结构的振动能量采集器
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，特别是涉及具有通气孔结构的振动能量采集器。
背景技术
振动能量采集器可以将环境中普遍存在的振动能转换为电能，为负载供电。振动能量采集器有电磁式、静电式和压电式。其中，静电式振动能量采集器与IC(IntegratedCircuit，集成电路)和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)工艺相兼容，通过简单的MEMS加工过程，就可以得到小尺寸、高能量密度和高转换效率的器件。压电式振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长等优点，因此得到广泛使用。
振动能量采集器的主要结构是一个谐振结构，谐振结构在外部驱动源驱动下运动，并将机械能转换电能，从而对外输出电信号。
在实现传统技术的过程中发明人发现：
谐振结构在受外部驱动时，会由于谐振结构内部的薄膜空气产生阻碍运动的空气阻尼力，从而导致能量损失，降低对外输出电能。
发明内容
基于此，有必要针对谐振结构运动时受空气阻尼力的影响导致能量损失的问题，提供一种具有通气孔结构的振动能量采集器。
一种具有通气孔结构的振动能量采集器，包括：
谐振结构，用于在外部驱动的作用下运动，并将运动产生的机械能转换为电能；
至少一个通气孔，设置于所述谐振结构上，用于通气以减小所述谐振结构运动时的空气阻尼力。
上述具有通气孔结构的振动能量采集器的谐振结构上设置有通气孔，当运动极板运动时，部分阻碍运动的薄膜空气会被挤压进入通气孔并被排出，可以降低空气阻尼力，增加器件的对外输出电能。
在其中一个实施例中，所述谐振结构包括静电单元，所述静电单元包括固定极板和相对所述固定极板设置的运动极板。
在其中一个实施例中，所述固定极板和/或所述运动极板上设置有至少一个通气孔。当运动极板朝向固定极板运动时，部分阻碍运动的薄膜空气会被挤压进入通气孔并被排出，可降低空气阻尼力，使得运动极板的运动移位增加，器件的对外输出电能增加。
在其中一个实施例中，所述固定极板和/或所述运动极板上设置有防静电吸附凸点。防吸附凸点可防止由于静电吸附力导致的固定极板和运动极板的相互接触粘附。
在其中一个实施例中，所述运动极板包括支撑框、悬臂梁和静电质量块，所述支撑框为中空结构，用于放置所述静电质量块，所述悬臂梁连接所述支撑框和所述静电质量块。
在其中一个实施例中，所述静电单元还包括偏置电压生成装置，用于生成偏置电压，为所述固定极板和所述运动极板提供固定电场。
在其中一个实施例中，所述偏置电压生成装置包括驻极体，所述驻极体中存在电荷分布。
在其中一个实施例中，所述谐振结构包括压电单元，所述压电单元包括固定端和振动端，所述振动端的一端连接所述固定端，所述振动端的另一端悬空。
在其中一个实施例中，所述振动端包括支撑结构和压电质量块，所述支撑结构的一端连接固定端，所述支撑结构的另一端连接压电质量块。
在其中一个实施例中，所述支撑结构上设置有至少一个通气孔。
附图说明
图1为本申请的一个实施例提供的通气孔设置在运动极板上的静电式振动能量采集器截面示意图；
图2为本申请的一个实施例提供的通气孔设置在固定极板上的静电式振动能量采集器截面示意图；
图3为本申请的一个实施例提供的通气孔设置在固定极板和运动极板上的静电式振动能量采集器截面示意图；
图4为本申请的一个实施例提供的带通气孔的压电式振动能量采集器结构示意图；
图5为本申请的一个具体实施例提供的通气孔设置在固定极板上的静电式振动能量采集器结构图；
图6为本申请的一个实施例提供的带通气孔的静电式振动能量采集器与不带通气孔的静电式振动能量采集器在不同加速度下的最大输出功率比较图；
图7为本申请的一个实施例提供的带通气孔的静电式振动能量采集器与不带通气孔的静电式振动能量采集器在三个加速度下、不同频率的输出功率比较图。
其中：
110 固定极板
111 凹槽
120 运动极板
121 支撑框
122 悬臂梁
123 静电质量块
130 通气孔
140 防静电吸附凸点
210 固定端
220 振动端
221 支撑结构
222 压电质量块
223 压电层
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请的一个实施例提供一种具有通气孔结构的振动能量采集器，可以将环境中普遍存在的振动能转换为电能进行存储或为负载供电。所述具有通气孔结构的振动能量采集器包括：谐振结构，用于在外部驱动的作用下运动，并将运动产生的机械能转换为电能；至少一个通气孔，设置于谐振结构上，用于通气以减小谐振结构运动时的空气阻尼力。通过在谐振结构上设置通气孔，当谐振结构运动时，部分阻碍运动的空气通过排气孔被排出，从而降低空气阻尼力，增加器件的对外的输出电能。
在其中一个实施例中，谐振结构包括静电单元。即所述振动能量采集器为静电式振动能量采集器。
具体的，所述静电单元包括固定极板，和相对所述固定极板设置的运动极板。
进一步的，在其中一个实施例中，固定极板和/或运动极板上设置有至少一个通气孔。
具体的，请参见图1，在其中一个实施例中，通气孔130设置在运动极板120上。其中，运动极板120包括支撑框121、悬臂梁122和静电质量块123。支撑框121为中空结构，可以放置静电质量块123。悬臂梁122用于连接支撑框121和静电质量块123。静电质量块123可以在外部驱动的作用下运动。与静电质量块123连接的悬臂梁122具有一定的弹性，可在静电质量块123运动时支撑所述静电质量块123。通气孔130设置在静电质量块123上。当静电质量块123受外部驱动朝向固定极板110运动时，位于运动极板120和固定极板110之间的薄膜空气受静电质量块123的挤压，从通气孔130和静电质量块123与悬臂梁122之间的间隙中排出，可降低空气阻尼力，使得静电质量块123的运动移位增加，从而增加器件的对外输出功率。
可选的，悬臂梁122的数量可以是四条或两条，只要能支撑静电质量块123即可。
请参见图2，在其中一个实施例中，通气孔130设置在固定极板110上。固定极板110上具有凹槽(图中未示出)，通气孔130可以设置在凹槽中。当静电质量块123在外部振动下朝向固定极板110运动时，两极板间的薄膜空气被挤压进入通气孔130并被排出，从而降低了空气阻尼力，使得静电质量块123的运动位移增加，进而增加对外的输出功率。
请参见图3，在其中一个实施例中，通气孔130设置在固定极板110和运动极板120上。当静电质量块123受外部驱动朝向固定极板110运动时，位于运动极板120和固定极板110之间的薄膜空气受静电质量块123的挤压，从通气孔130以及静电质量块123与悬臂梁122之间的间隙中排出。在固定极板110和静电质量块123上同时设置通气孔130，降低空气阻尼力的效果更好，静电质量块123的运动位移增加的更多，从而大大提高了对外的输出功率。
可选的，通气孔130的数量不限，形状可以是圆形、椭圆形或方形。通气孔130可以是设置在极板上的柱状通气孔或曲折的通气孔，类似阶梯状，只要能通气即可。优选的，通气孔130可以是圆柱状的通气孔，均匀分布在极板上。
进一步的，在其中一个实施例中，固定极板110和/或所述运动极板120上设置有防静电吸附凸点140，可以阻隔运动极板120和固定极板110之间由于静电吸附导致的两极板相互接触粘附。
可选的，防静电吸附凸点140的数量不限，可均匀分布在固定极板110和运动极板120上。
进一步的，在其中一个实施例中，静电单元还包括偏置电压生成装置，用于生成偏置电压，为固定极板110和运动极板120提供固定电场。
具体的，偏置电压生成装置可以是驻极体。驻极体覆盖在极板的电极层上。对驻极体进行电晕充电可使驻极体表面及内部形成稳定的高密度的电荷分布。在本实施例中，可在固定极板110上形成正电荷，在运动极板120上形成负电荷；或在固定极板110上形成负电荷，在运动极板120上形成正电荷。当对固定极板110及运动极板120施加外部电压时，两极板间即可形成稳定电场。
在本申请提供的又一个实施例中，所述谐振结构包括压电单元。即本实施例中，振动能量采集器为压电式振动能量采集器。
具体的，请参见图4，所述压电式能量采集器包括固定端210和振动端220。振动端220包括支撑结构221和压电质量块222。其中，支撑结构221的一端连接固定端210，另一端悬空。支撑结构221悬空的一端连接有压电质量块222。支撑结构221表面覆盖有压电层223。所述支撑结构221上设置有通气孔130。当支撑结构221受到垂直于压电层223的外部振动，支撑结构221发生弯曲形变。压电层223内部由于应力变化会产生电荷极化现象，从而将振动机械能转换为电能。由于存在空气阻尼力，支撑结构221的振动受到影响。在支撑结构221上设置通气孔130，可有效减小空气阻尼力对运动的影响，从而提高能量转换效率和输出能量密度。
下面提供本申请一个具体实施例的应用场景：
请参见图5，为本申请的一个具体的实施例提供的通气孔130设置在固定极板110上的静电式振动能量采集器结构图。其中，固定极板110上具有凹槽111。凹槽111具有一定的深度，为可变电容提供初始间距。在本实施例中，凹槽深度为300μm。凹槽111内设置有6*6方形阵列排布的通气孔130，通气孔130的直径为750μm。运动极板120由支撑框121、位于支撑框121内的方形静电质量块123和连接支撑框121与静电质量块123的悬臂梁122构成。静电质量块123上具有五个防静电吸附凸点140，可以防止由于驻极体表面电势引起的静电吸合现象。驻极体材料为全氟树脂(CYTOP)，通过电晕充电的方式，使得驻极体的表面电势为-450V。
将图5所述实施例中制备的静电式振动能量采集器固定在振动信号可控的激振台上，通过给激振台输入不同驱动加速度的正弦信号，驱动带通气孔的静电式振动能量采集器工作。采用数据采集卡采集带通气孔的静电式振动能量采集器工作时的输出电压信号，并计算出器件在不同驱动加速度下的最大输出功率并绘制曲线。对不带通气孔的器件做同样的实验，并计算出不带通气孔的静电式振动能量采集器在同样条件下的最大输出功率并绘制曲线。比较结果如图6所示。比较两者的最大输出功率可发现，在同一驱动加速度下，本实施例的带通气孔的静电式振动能量采集器的最大输出功率更大。
在又一个具体实施例中，分别对比了三种加速度下，带通气孔的静电式振动能量采集器和不带通气孔的静电式振动能量采集器在不同频率下的输出功率。图7(a)为加速度为4.9m/s2时，带通气孔的静电式振动能量采集器与不带通气孔的静电式振动能量采集器在不同频率下的输出性能；图7(b)为加速度为8.2m/s2时，带通气孔的静电式振动能量采集器与不带通气孔的静电式振动能量采集器在不同频率下的输出性能；图7(c)为加速度为29.3m/s2时，带通气孔的静电式振动能量采集器与不带通气孔的静电式振动能量采集器在不同频率下的输出性能。比较三幅图可以发现，带通气孔的静电式振动能量采集器比不带通气孔的静电式振动能量采集器的输出性能更优越。当加速度达到8.2m/s2时，带通气孔的器件的输出功率达到最大值。当加速度继续增加到29.3m/s2时，带通气孔的器件输出功率不再增加，而带宽明显拓宽。不带通气孔的静电式振动能量采集器在加速度为29.3m/s2输出功率最大，开始出现宽频带现象。对于不带通气孔的器件，由于极板间的空气阻尼力较大，运动极板的运动位移相较带通气孔的器件运动位移小，故如图7(c)所示，在最大输出功率时，带通气孔的静电式振动能量采集器性能仍优于不带通气孔的静电式振动能量采集器。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述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)

1.一种具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，包括：
谐振结构，用于在外部驱动的作用下运动，并将运动产生的机械能转换为电能；
至少一个通气孔，设置于所述谐振结构上，用于通气以减小所述谐振结构运动时的空气阻尼力。
2.根据权利要求1所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述谐振结构包括静电单元，所述静电单元包括固定极板和相对所述固定极板设置的运动极板。
3.根据权利要求2所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述固定极板和/或所述运动极板上设置有至少一个通气孔。
4.根据权利要求2所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述固定极板和/或所述运动极板上设置有防静电吸附凸点。
5.根据权利要求2所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述运动极板包括支撑框、悬臂梁和静电质量块，所述支撑框为中空结构，用于放置所述静电质量块，所述悬臂梁连接所述支撑框和所述静电质量块。
6.根据权利要求2所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述静电单元还包括偏置电压生成装置，用于生成偏置电压，为所述固定极板和所述运动极板提供固定电场。
7.根据权利要求6所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述偏置电压生成装置包括驻极体，所述驻极体中存在电荷分布。
8.根据权利要求1所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述谐振结构包括压电单元，所述压电单元包括固定端和振动端，所述振动端的一端连接所述固定端，所述振动端的另一端悬空。
9.根据权利要求8所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述振动端包括支撑结构和压电质量块，所述支撑结构的一端连接固定端，所述支撑结构的另一端连接压电质量块。
10.根据权利要求8所述的具有通气孔结构的振动能量采集器，其特征在于，所述支撑结构上设置有至少一个通气孔。
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