CN110518831B - 一种面内双向振动体pzt能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面内双向振动体PZT能量收集器，包括外框架、L型压电悬臂梁、质量块、电极和封装外壳，外框架的形状为环形，L型压电悬臂梁和质量块设置于外框架的内圈，L型压电悬臂梁的一端与外框架连接，另一端与质量块连接；L型压电悬臂梁的内侧和外侧均设有电极，电极的一端延伸至封装外壳外部。L型压电悬臂梁上靠近外框架中心的一侧为L型压电悬臂梁内侧，远离外框架中心的一侧为L型压电悬臂梁外侧。本发明的面内双向振动体PZT能量收集器能够实现双向振动能量收集，其制备工艺简单，适合批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于用压电能量收集器技术领域，具体涉及一种面内双向振动体PZT能量收集器。
背景技术
为了更加有效地实现物联网，众多传感器节点布置在环境中用于各类状态检测。这些传感器节点除采用电池供电外，还可以考虑采集环境能源，实现自供电。比如采用压电能量收集器，在环境振动激励下发电，为传感器节点提供电能。对于车辆、列车、飞机等物体的振动，其竖直方向和水平方向的振动都是剧烈的，因此多方向振动能量收集很有必要。
许多学者开展过关于多方向能量收集的研究，比如，有的结构采用多方向压电悬臂梁，还有的结构采用多方向振动悬摆驱动压电悬臂梁。这些结构谐振频率低，输出可观，但存在结构较为复杂，体积大，各压电悬臂梁在不同振动方向不能同时工作，或者各自输出电荷干扰抵消等缺点。还有一类采用MEMS工艺，做出多方向振动的微弹簧质量块结构，其采用静电方式，在电容变化中收集多方向振动能量。这类结构紧凑，工艺可批量化，但静电方式发电效率低。
传感器无线信号传播距离和消耗的发射功率成正比，为了给无线传感器节点供电，能量收集的输出功率必须足够高，目前的MEMS振动能量收集器输出大都在1mW级别以下。所以研究高输出的压电能量收集器才有实际应用价值。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种面内双向振动体PZT能量收集器，本发明的面内双向振动体PZT能量收集器能够实现双向振动能量收集，其制备工艺简单，适合批量化生产。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种面内双向振动体PZT能量收集器，包括外框架、L型压电悬臂梁、质量块、电极和封装外壳，外框架的形状为环形，L型压电悬臂梁和质量块设置于外框架的内圈，L型压电悬臂梁的一端与外框架1连接，另一端与质量块连接；L型压电悬臂梁上靠近外框架中心的一侧为L型压电悬臂梁内侧，远离外框架中心的一侧为L型压电悬臂梁外侧；L型压电悬臂梁的内侧和外侧均设有电极，电极的一端延伸至封装外壳外部。
L型压电悬臂梁在其厚度方向表面分别记为上表面和下表面，L型压电悬臂梁上表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁下表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁上、下表面内侧的两个电极由外部导线连接，L型压电悬臂梁上、下表面外侧的两个电极由外部导线连接。
所述封装外壳包括封装玻璃，封装玻璃覆盖于外框架的两侧，L型压电悬臂梁和质量块封装于封装玻璃与外框架的内圈形成的空腔内。
所述外框架的形状为矩形，L型压电悬臂梁沿外框架1内圈一组邻边的边缘设置，质量块的形状与外框架的形状相似，且对应边平行。
外框架、L型压电悬臂梁和质量块的极化方向为其厚度方向。
一种能量收集方法，通过上述面内双向振动体PZT能量收集器进行，建立平面直角坐标系，L型压电悬臂梁的两条边分别与所述平面直角坐标系的X轴和Y轴平行，能量收集方法的过程包括：
所述面内双向振动体PZT能量收集器在X轴和Y轴两种方向的加速度振动激励下，外框架发生振动；外框架振动时，质量块绕中心发生旋转振动；
质量块的旋转振动带动L型压电悬臂梁发生朝向以及远离外框架中心的往复弯曲变形；L型压电悬臂梁发生朝向外框架中心的弯曲时，L型压电悬臂梁的内侧和外侧分别受到压缩和拉伸，L型压电悬臂梁的内侧和外侧的电极产生电势差，其中内侧的电极产生负电势，外侧的电极产生正电势，从电极延伸至封装外壳外部的一端收集产生的电能；L型压电悬臂梁发生远离外框架中心的弯曲时，L型压电悬臂梁的内侧和外侧分别受到拉伸和压缩，L型压电悬臂梁的内侧和外侧的电极产生电势差，其中内侧的电极产生正电势，外侧的电极产生负电势，从电极延伸至封装外壳外部的一端收集产生的电能。
一种面内双向振动体PZT能量收集器的制备方法，包括如下过程：
先将PZT片按图形化切割，释放L型压电悬臂梁和质量块；
然后在L型压电悬臂梁的内侧和外侧制备电极；
最后通过封装外壳进行封装。
电极为Pt/Ti金属导线。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的面内双向振动体PZT能量收集器采用L型压电悬臂梁，L型压电悬臂梁的内侧和外侧均设有电极，因此当受到激励时，L型压电悬臂梁上内侧和外侧分别受到拉伸或压缩，同时L型压电悬臂梁上内侧和外侧的电极产生电势差，产生可被收集的电能；由于L型压电悬臂梁的内侧和外侧均设有电极，在L型压电悬臂梁往复弯曲过程中均可以收集电能，因此本发明的能量收集器收集的能量更多；由于采用了L型压电悬臂梁，因此本发明的面内双向振动体PZT能量收集器能够收集分别垂直于L型压电悬臂梁两条边两个方向上的振动能量，实现双向振动能量收集；还由于L型压电悬臂梁和质量块设置于外框架的内圈，因此外框架能够对L型压电悬臂梁和质量块进行保护，保证了结构的稳定性和耐用性。
本发明的能量收集方法利用本发明面内双向振动体PZT能量收集器进行，L型压电悬臂梁发生朝向外框架中心的弯曲时，L型压电悬臂梁上内侧和外侧分别受到压缩和拉伸，L型压电悬臂梁上内侧和外侧的电极产生电势差，收集产生的电能；L型压电悬臂梁发生远离外框架中心的弯曲时，L型压电悬臂梁上内侧和外侧分别受到拉伸和压缩，L型压电悬臂梁上内侧和外侧的电极产生电势差，收集产生的电能；综上可以看出，本发明的能量收集方法对振动激励的利用率更高，收集的能量更多。
本发明面内双向振动体PZT能量收集器的制备方法，先将PZT片按图形化切割，释放L型压电悬臂梁和质量块；然后在L型压电悬臂梁的内侧和外侧制备电极；最后通过封装外壳进行封装。由此可以看出，该方法过程简单、适合批量化生产。
附图说明
图1为本发明一实施例的面内双向振动体PZT能量收集器的制备流程示意图；
图2为本发明面内双向振动体PZT能量收集器的侧视图；
图3为本发明实施例的面内双向振动体PZT能量收集器的一阶振动模态及在0.5g激振下动应力分布图；
图4为本发明实施例的面内双向振动体PZT能量收集器在X轴0.5 g加速度振动激励下开路电压的频响函数曲线；
图5为本发明实施例的面内双向振动体PZT能量收集器在X轴0.5 g加速度振动激励下的功率曲线；
图6为本发明实施例的面内双向振动体PZT能量收集器在Y轴0.5 g加速度振动激励下开路电压的频响函数曲线；
图7为本发明实施例的面内双向振动体PZT能量收集器在Y轴0.5g加速度振动激励下的功率曲线。
图中，1-外框架，2-L型压电悬臂梁，3-质量块，4-封装玻璃板，5-1第一内电极，5-2-第一外电极，5-3-第二内电极，5-4-第二外电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图1，本发明的面内双向振动体PZT能量收集器，包括外框架1、L型压电悬臂梁2、质量块3、电极和封装外壳，外框架1的形状为环形，L型压电悬臂梁2和质量块3设置于外框架1的内圈，L型压电悬臂梁2的一端与外框架1连接，另一端与质量块3连接；L型压电悬臂梁2的内侧和外侧均设有电极，电极的一端延伸至封装外壳外部。L型压电悬臂梁2上靠近外框架1中心的一侧为L型压电悬臂梁2内侧，远离外框架1中心的一侧为L型压电悬臂梁2外侧。
如图2所示，参照图1，作为本发明优选的实施方案，L型压电悬臂梁2在其厚度方向表面分别记为上表面和下表面，L型压电悬臂梁2上表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁2下表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁2上、下表面内侧的两个电极由外部导线连接，L型压电悬臂梁2上、下表面外侧的两个电极也由外部导线连接。
参照图1和图2，作为本发明优选的实施方案，封装外壳包括封装玻璃4，封装玻璃4覆盖于外框架1的上下两侧，L型压电悬臂梁2和质量块3封装于封装玻璃4与外框架1的内圈形成的空腔内。
如图1所示，作为本发明优选的实施方案，外框架1的形状为矩形，L型压电悬臂梁2沿外框架1内圈一组邻边的边缘设置，质量块3的形状与外框架1的形状相似，且对应边平行。
作为本发明优选的实施方案，外框架1、L型压电悬臂梁2和质量块3的极化方向为其厚度方向。
参照图1，本发明的能量收集方法，通过上述面内双向振动体PZT能量收集器进行，建立平面直角坐标系，L型压电悬臂梁的两条边分别与所述平面直角坐标系的X轴和Y轴平行，能量收集方法的过程包括：
所述面内双向振动体PZT能量收集器在X轴和Y轴两种方向的加速度振动激励下，外框架1发生振动；外框架1振动时，质量块3绕中心发生旋转振动；
建立平面直角坐标系，L型压电悬臂梁2的两条边分别与所述平面直角坐标系的X轴和Y轴平行，能量收集方法的过程包括：
所述面内双向振动体PZT能量收集器在X轴和Y轴两种方向的加速度振动激励下，外框架1发生振动；外框架1振动时，质量块3绕中心发生旋转振动；
质量块3的旋转振动带动L型压电悬臂梁2发生朝向以及远离外框架1中心的往复弯曲变形；L型压电悬臂梁2发生朝向外框架1中心的弯曲时，L型压电悬臂梁2的内侧和外侧分别受到压缩和拉伸，L型压电悬臂梁2的内侧和外侧的电极产生电势差，其中内侧的电极产生负电势，外侧的电极产生正电势，从电极延伸至封装外壳外部的一端收集产生的电能；L型压电悬臂梁2发生远离外框架1中心的弯曲时，L型压电悬臂梁2的内侧和外侧分别受到拉伸和压缩，L型压电悬臂梁2的内侧和外侧的电极产生电势差，其中内侧的电极产生正电势，外侧的电极产生负电势，从电极延伸至封装外壳外部的一端收集产生的电能。
参照图1，本发明面内双向振动体PZT能量收集器的制备方法，包括如下过程：
先将PZT片按图形化切割，释放L型压电悬臂梁2和质量块3；
然后在L型压电悬臂梁2的内侧和外侧制备电极；
最后通过封装外壳进行封装。
实施例
如图1所示，本实施例中，外框架1的形状为矩形，L型压电悬臂梁2沿外框架1内圈一组邻边的边缘设置，质量块3的形状与外框架1对应边平行；封装外壳包括封装玻璃4，封装玻璃4覆盖于外框架1的两侧，L型压电悬臂梁2和质量块3封装于封装玻璃4与外框架1的内圈形成的空腔内；L型压电悬臂梁2在其厚度方向表面分别记为上表面和下表面，L型压电悬臂梁2上表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁2下表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁2上、下表面内侧的两个电极由外部导线连接，L型压电悬臂梁2上、下表面外侧的两个电极也由外部导线连接。本实施例面内双向振动体PZT能量收集器各部分尺寸及仿真参数如表1所示；
表1
| 符号 | 参数名称 | 数值 |
| l | 能量收集器的边长 | 20 mm |
| lf | 外框架的宽度 | 1 mm |
| wg | 外框架与质量块之间的间隙 | 0.3 mm |
| wb | L型压电悬臂梁的宽度 | 0.9 mm |
| we | 电极宽度 | 0.3 mm |
| tbp | PZT片厚度 | 5 mm |
| tsi | 封装玻璃厚度 | 0.5 mm |
| te | 电极厚度 | 0.1 μm |
| Rload | 负载电阻 | 100 MΩ |
| Acc | 激振加速度 | 0.5 g (4.9m/s2) |
| ns | 阻尼损耗因子 | 0.01 |
本实施例的面内双向振动体PZT能量收集器的结构说明如下：
一种面内双向振动体PZT能量收集器的结构示意图如图1所示，切割bulk PZT形成外框架1、L型压电悬臂梁2和质量块3。电极图形化沉积在L型压电悬臂梁2的上、下表面。结构一阶振动模态及在0.5g激振下的应力分布如图3所示，最大应力小于PZT许用应力90MPa。同时，质量块3振动幅值刚好在0.3mm，因此外框架1可以保护质量块3受到超过0.5 g的激励时不破坏L型压电悬臂梁2结构。通过模态振型可以看出，事实上在外框架1振动时，质量块3绕中心旋转振动，造成L型压电悬臂梁2两条边的向内弯曲和向外弯曲。L型压电悬臂梁2的边在弯曲过程中，内外侧分别受到拉伸和压缩，通过d32压电效应产生压电电荷，并在内外侧电极上产生电势差。上表面的内侧电极为第一内电极5-1，外侧电极为第一外电极5-2，下表面的内侧电极为第二内电极5-3，外侧电极为第二外电极5-4。由于第一内电极5-1和第二内电极5-3产生正电荷，第一外电极5-2和第二外电极5-4产生负电荷，因此将第一内电极5-1和第二内电极5-3在面内双向振动体PZT能量收集器外部导线连接作为正电级，将第一外电极5-2和第二外电极5-4在面内双向振动体PZT能量收集器外部导线连接作为负电级，在振动过程中，由于产生交流电，正负电极是相对的。
COMSOL机电耦合仿真给出了本实施例面内双向振动体PZT能量收集器在X轴0.5g加速度振动激励下，开路电压的频响函数曲线，如图4所示。可以看出，在124.9Hz的谐振频率下，最大输出为108 V。在这个谐振频率激励下改变负载电阻，得到功率曲线如图5所示，在2 MΩ的最优负载电阻下，产生的最大输出功率为0.88mW。
同样的，本实施例面内双向振动体PZT能量收集器在Y轴0.5 g加速度振动激励下，开路电压的频响函数曲线，如图6所示。可以看出，在124.9 Hz的谐振频率下，最大输出为83V。在这个谐振频率激励下改变负载电阻，得到功率曲线如图7所示，在2 MΩ的最优负载电阻下，产生的最大输出功率为0.52 mW。
本实施例面内双向振动体PZT能量收集器的加工工艺包括三步，如图1所示，首先将5mm厚的块状PZT 按图形化切割，释放L型压电悬臂梁2和质量块3；切割可采用激光或者线切割的方式，切割线宽0.3mm，深宽比50：3。然后在L型压电悬臂梁2上表面和下表面图形化沉积内外两条Pt/Ti金属导线层，Pt/Ti金属导线层作为电极，其中Pt为导电层，Ti为粘结层，厚度均为0.05μm，电极厚度总计为0.1 μm。电级线宽均为0.3mm，中间非电级宽度也为0.3mm。L型压电悬臂梁上、下表面内侧的两个电极由外部导线连接，L型压电悬臂梁上、下表面外侧的两个电极也由外部导线连接。最后采用封装玻璃板对结构两侧进行封装，可以采用粘合的方式，粘合层可以采用环氧树脂胶，厚度为0.1mm。块状 PZT 的极化方向沿厚度Z方向，能量收集器的振动方向为面内的X和Y方向。
本实施例采用块状PZT切割图形化工艺，玻璃封装，体积为2.4 cm3(20 mm×20 mm×6 mm），通过COMSOL仿真，面内双向振动体PZT能量收集器在124.9Hz的一阶谐振频率下，X方向激振的开路电压为108V，2MΩ负载电阻下的峰值功率为0.88mW，功率密度为1.47mW/cm3/g2；Y方向激振的开路电压为83V，2MΩ负载电阻下的峰值功率为0.52mW，功率密度为0.87mW/cm3/g2。本实施例面内双向振动体PZT能量收集器可实现双向振动能量收集，有望应用在复杂振动环境中，为无线传感器节点供电。
Claims (7)
1.一种面内双向振动体PZT能量收集器，其特征在于，包括外框架(1)、L型压电悬臂梁(2)、质量块(3)、电极和封装外壳，外框架(1)的形状为环形，L型压电悬臂梁(2)和质量块(3)设置于外框架(1)的内圈，L型压电悬臂梁(2)的一端与外框架(1)连接，另一端与质量块(3)连接；L型压电悬臂梁(2)的内侧和外侧均设有电极，电极的一端延伸至封装外壳外部；
L型压电悬臂梁(2)在其厚度方向表面分别记为上表面和下表面，L型压电悬臂梁(2)上表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁(2)下表面的内侧和外侧均设有电极，L型压电悬臂梁(2)上、下表面内侧的两个电极由外部导线连接，L型压电悬臂梁(2)上、下表面外侧的两个电极由外部导线连接；
质量块(3)的各边与外框架(1)的对应边平行，且质量块(3)完全填满L型压电悬臂梁(2)。
2.根据权利要求1所述的一种面内双向振动体PZT能量收集器，其特征在于，所述封装外壳包括封装玻璃(4)，封装玻璃(4)覆盖于外框架(1)的两侧，L型压电悬臂梁(2)和质量块(3)封装于封装玻璃(4)与外框架(1)的内圈形成的空腔内。
3.根据权利要求1所述的一种面内双向振动体PZT能量收集器，其特征在于，所述外框架(1)的形状为矩形，L型压电悬臂梁(2)沿外框架(1)内圈一组邻边的边缘设置，质量块(3)的形状与外框架(1)的对应边平行。
4.根据权利要求1所述的一种面内双向振动体PZT能量收集器，其特征在于，外框架(1)、L型压电悬臂梁(2)和质量块(3)的极化方向为厚度方向。
5.一种能量收集方法，其特征在于，通过权利要求1-4任意一项所述的面内双向振动体PZT能量收集器进行，建立平面直角坐标系，L型压电悬臂梁(2)的两条边分别与所述平面直角坐标系的X轴和Y轴平行，能量收集方法的过程包括：
所述面内双向振动体PZT能量收集器在X轴和Y轴两种方向的加速度振动激励下，外框架(1)发生振动；外框架(1)振动时，质量块(3)绕中心发生旋转振动；
质量块(3)的旋转振动带动L型压电悬臂梁(2)发生朝向以及远离外框架(1)中心的往复弯曲变形；L型压电悬臂梁(2)发生朝向外框架(1)中心的弯曲时，L型压电悬臂梁(2)的内侧和外侧分别受到压缩和拉伸，L型压电悬臂梁(2)的内侧和外侧的电极产生电势差，其中内侧的电极产生负电势，外侧的电极产生正电势，从电极延伸至封装外壳外部的一端收集产生的电能；L型压电悬臂梁(2)发生远离外框架(1)中心的弯曲时，L型压电悬臂梁(2)的内侧和外侧分别受到拉伸和压缩，L型压电悬臂梁(2)的内侧和外侧的电极产生电势差，其中内侧的电极产生正电势，外侧的电极产生负电势，从电极延伸至封装外壳外部的一端收集产生的电能。
6.权利要求1-4任意一项所述的一种面内双向振动体PZT能量收集器的制备方法，其特征在于，其制备方法包括如下过程：
先将PZT片按图形化切割，释放L型压电悬臂梁(2)和质量块(3)；
然后在L型压电悬臂梁(2)的内侧和外侧制备电极；
最后通过封装外壳进行封装。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，电极为Pt/Ti金属导线。
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