CN111245294A - 一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其中，内圈永磁体质量块设置于内圈可动平台处，内圈可动平台通过内圈非线性弹簧固定在外圈振子内缘；外圈质量块设置于外圈可动平台处，外圈可动平台通过外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘。支撑块上开有贯通的通孔。平面线圈设置于支撑块下表面。内圈永磁体质量块上下运动，改变通过平面线圈的磁通大小，从而实现振动能量到电能的转换。本发明通过独立改变内圈振子与外圈振子参数，可以实现两个非线性模态之间间距与单个非线性模态带宽特性的调整，可以显著增加振动能量采集器工作带宽，且器件易于集成化制造。
Description
技术领域
本发明涉及微尺度环境振动能量采集器技术领域，具体地，涉及一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器。
背景技术
振动能量采集器将环境中的振动能通过不同的机制(电磁式、静电式、压电式与摩擦发电式)转换为电能以驱动电子器件工作。其中电磁式振动能量采集器以其低输出阻抗，高输出电流，可在恶劣环境中稳定工作得到了较多的关注，在可植入式医疗健康监测设备，无线传感器网络节点，无人值守传感器的供电中有着广泛的应用前景。
目前微型化振动能量采集器存在工作带宽较窄，输出功率较低的问题，极大的限制了其工程化应用。现有研究或者利用多模态机制，或者利用非线性机制拓宽振动能量采集器的工作带宽，大多局限于使用单一机制实现宽频能量采集。已有研究中的多模态结构通过在特定频带范围内产生多个线性模态，拓宽工作频带，但是无法克服模态之间能量输出几乎为零的“低谷”，因此难以利用多模态有效采集振动能量的频率范围。已有研究中的非线性结构，如基于磁力非线性和止挡块非线性机制，主要对振荡结构的第一阶振动模态进行频带拓宽，但在级联工况下，各级非线性结构之间存在窜扰现象，因此难以对级联状态下的非线性结构进行独立调整，进而达到拓宽工作带宽的效果，且现有研究需要基于复杂三维结构引入非线性，难以集成制造。如何综合应用多模态和非线性机制拓宽能量采集器带宽，并实现集成制造，已成为亟待解决的关键问题。经过对现有技术文献的检索发现，K.Tao等人在《Journal of Microelectromechanical Systems》(微机电系统杂志)，撰文“Investigation of Multimodal Electret-Based MEMS Energy Harvester withImpact-Induced Nonlinearity”(基于止挡块非线性效应的多模态微型振动能量采集器)，提出了一种整合基于止挡块非线性效应与多模态结构的宽频振动能能量采集器。作者一方面利用二自由度多模态结构，产生两个间距较近，功率输出接近的模态；另一方面将基于止挡块的非线性效应引入内部共振系统，实现其中一个模态的工作频带的拓宽。最终实现非线性响应与线性响应的组合，和传统使用单一拓频方法的研究相比，极大的拓宽了振动能量采集器的工作范围。以上设计方案虽然整合利用非线性与多模态结构特点，实现了工作频带的拓宽，但是仍然存在以下不足：
首先，基于止挡块或磁力非线性机制难以实现级联工况下各级非线性的独立调整，因此难以消除模态之间功率输出近似为零的“低谷”，极大的限制了能量采集器在复杂的频率环境下稳定采集能量的性能。
其次，需要复杂的三维结构引入基于止挡块与磁力的非线性效应，因此相关研究只能将非线性效应引入其中一阶模态，无法同时将非线性响应引入多个模态，极大的限制了能量采集器工作频带的进一步拓宽。
另一方面，用于引入非线性复杂的三维结构，也限制了利用半导体工艺缩小器件体积的可行性。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，兼顾了微尺度下调节多个非线性模态间距与调节单个非线性模态频带宽度的要求，能够充分利用多模态结构与非线性机制在拓宽器件工作频率范围方面的作用，从而提高振动能量的收集与转换效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，包括：平面二自由度非线性弹簧振子、支撑块以及平面线圈，所述支撑块布置在平面线圈与平面二自由度非线性弹簧振子之间；其中：
所述平面二自由度非线性弹簧振子包括：内圈振子与外圈振子；所述内圈振子包括内圈可动平台、内圈非线性弹簧和内圈永磁体质量块，所述内圈永磁体质量块设置于所述内圈可动平台处，并与内圈可动平台共同构成振动磁极，所述振动磁极能够沿上下方向运动，所述内圈可动平台通过所述内圈非线性弹簧固定在所述外圈振子的内缘；所述外圈振子包括外圈可动平台、外圈非线性弹簧和外圈质量块，所述外圈质量块设置于所述外圈可动平台处，所述外圈可动平台通过所述外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘。
优选地，所述内圈永磁体质量块设于内圈可动平台的中央位置，所述平面线圈位于所述内圈永磁体质量块的一侧；所述平面线圈、内圈永磁体质量块、内圈可动平台、外圈质量块、外圈可动平台和支撑块的中心轴线重合，通过所述内圈永磁体质量块与所述平面线圈的相对运动，实现振动能量转换为电能。
优选地，所述支撑块上开有通孔，所述通孔能够容纳所述内圈可动平台和所述外圈可动平台上下运动，所述平面线圈设置于所述支撑块的下表面。
优选地，所述平面线圈包括感应线圈绕组、中央磁轭和绝缘层；所述感应线圈绕组固定在绝缘层中，所述中央磁轭固定在所述感应线圈绕组的中央。
优选地，所述感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成。
优选地，所述感应线圈绕组的高度、线宽以及匝与匝之间的距离均在10～30微米范围内。
优选地，所述绝缘层采用聚酰亚胺、氧化铝或聚氯代对二甲苯材料制备得到。
优选地，所述内圈永磁体质量块为立方体结构，采用钕铁硼、钐钴材料制备得到。
优选地，所述内圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的形状。
优选地，所述内圈非线性弹簧的厚度在10-40微米范围内。
优选地，所述内圈非线性弹簧的宽度在30-90微米范围内。
优选地，所述内圈可动平台面积在1-4平方毫米范围内。
优选地，所述内圈可动平台采用镍、铜、铁镍材料制备得到。
优选地，所述具有几何非线性特性的形状包括：蟹脚形、Z字形以及L字形。
优选地，所述外圈质量块采用SU-8环氧树脂、聚酰亚胺材料制备得到。
优选地，所述外圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的固定导向结构。
优选地，所述外圈非线性弹簧的厚度在10-40微米范围内。
优选地，所述外圈非线性弹簧的宽度在30-90微米范围内。
优选地，所述外圈可动平台面积在5-10平方毫米范围内。
优选地，所述外圈可动平台采用镍、铜、铁镍材料制备得到。
优选地，所述内圈非线性弹簧和外部非线性弹簧分别为多个；其中，多个所述内圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述内圈可动平台的四周，并与所述外圈可动平台将所述内圈可动平台及所述内圈永磁体质量块悬空支承在所述平面线圈上方；多个所述外圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述外圈可动平台的四周，并与所述内圈可动平台将所述外圈可动平台及所述外圈质量块悬空支承在所述平面线圈上方。
优选地，所述集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，还包括如下任意一项或任意多项：
-所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数保持不变，通过增大所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，并且使所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率的比值偏离1，实现扩大所述内圈振子两个模态的间距，增加器件工作带宽；相反的，通过减小所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，减小所述内圈振子两个模态的间距，进而实现所述内圈振子两个非线性模态的融合；
-通过调节所述内圈非线性弹簧刚度特性、所述内圈永磁体质量块质量、所述外圈非线性弹簧刚度特性与所述外圈质量块质量，实现所述内圈振子两个非线性模态间距保持不变的情况下，调整单个模态工作频率范围，进而满足不同的工况对工作频率范围的要求；具体的，所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率保持不变下，通过增大所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数，实现拓宽所述内圈振子的单个模态的工作频率范围，进而拓宽能量采集工作频率范围；
-通过改变所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的形状和/或尺寸，实现对所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的线性与非线性刚度的调整；通过改变所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的厚度，实现对所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块质量的调整；
-通过所述振动磁极在第一阶和第二阶的振荡实现所述平面线圈的磁通量大小变化，实现所述振荡磁极在所述内圈非线性弹簧和所述外圈非线性弹簧作用下的双宽频响应。
本发明提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，在外界激励下，所述内圈振子与所述外圈振子在第一和第二阶模态均会发生大幅振荡，且由于所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的作用，所述内圈振子与所述外圈振子在第一和第二阶的工作频率范围将被拓宽，意味着所述内圈振子与所述外圈振子分别具有两个宽频的响应。在本发明中，利用所述内圈振子的两个宽频响应实现振动能量收集，通过调节所述内圈非线性弹簧刚度特性、所述内圈永磁体质量块质量、所述外圈非线性弹簧刚度特性与所述外圈质量块，可以实现对所述内圈振子的模态间距与单个模态工作频率范围的调整，进而拓宽振动能量收集的频率范围。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，将具有几何非线性特性的弹簧设置为平面二自由度非线性弹簧振子的内圈与外圈的支撑结构，与基于止挡块非线性与磁力非线性相比，可以实现级联工况下，对各级非线性的独立调整；通过调整内圈与外圈非线性弹簧的形状宽度、厚度、与长度，就可以实现各级非线性特性的独立调节。
2、本发明提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，通过对内圈振子与外圈振子的参数调节，包括，内圈非线性弹簧、内圈永磁体质量块、外圈非线性弹簧以及外圈质量块，可以兼顾模态间距与单个非线性模态特性的调节；实现根据不同工况，振幅优先与频宽优先的调节；可以在保持单个非线性振动模态宽度不变的同时，适当缩小相邻模态间距，通过增加相邻模态的重叠程度，增大重叠范围内谐振振幅，从而增加工作范围内的输出功率，实现功率优先的调整；也可以在增加相邻模态的间距的同时，增加单个非线性振动模态的宽度，抵消相邻模态重叠程度降低的不利影响，实现在较宽的频率范围内输出功率不出现明显降低，即频宽优先调节。
3、本发明提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，与基于磁力非线性和止挡块非线性结构相比，采用基于几何非线性的弹簧结构，这是一个完全平面化的方案，不需要复杂三维结构引入非线性，可以基于集成制造对内圈与外圈弹簧的宽度、长度、以及厚度实现微米量级的调整，从而实现对各级非线性特性的精确调节；能够充分发挥光刻、微电铸等集成制造方法加工精度高的优势实现微米量级机械结构参数设定与调整，确保实现线性刚度与非线性刚度的精度要求，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于利用集成电路加工技术实现批量化生产。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例所提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器整体结构示意图；
图2为图1所示的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器的爆炸示意图；
图3为本发明一优选实施例所提供的内圈非线性弹簧采用L字形，外圈非线性弹簧采用固定导向结构的结构示意图；
图4为本发明一优选实施例所提供的内圈非线性弹簧采用Z字形，外圈非线性弹簧采用固定导向结构的结构示意图。
图中：
1为平面二自由度非线性弹簧振子、2为支撑块、3为平面线圈、4为内圈振子、5为外圈振子、6为内圈可动平台、7为内圈非线性弹簧、8为内圈永磁体质量块、9为外圈可动平台、10为外圈非线性弹簧、11为外圈质量块、12为感应线圈绕组、13为中央磁轭、14为绝缘层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
本发明实施例提供了一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，所述集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，包括：平面二自由度非线性弹簧振子、支撑块以及平面线圈，所述支撑块布置在平面线圈与平面二自由度非线性弹簧振子之间；其中：
所述平面二自由度非线性弹簧振子包括：内圈振子与外圈振子；所述内圈振子包括内圈可动平台、内圈非线性弹簧和内圈永磁体质量块，所述内圈永磁体质量块设置于所述内圈可动平台下方或上方，所述内圈可动平台通过所述内圈非线性弹簧固定在所述外圈振子的内缘；所述外圈振子包括外圈可动平台、外圈非线性弹簧和外圈质量块，所述外圈质量块设置于所述外圈可动平台上方或者下方，所述外圈可动平台通过所述外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘。
进一步地，所述支撑块上开有通孔，所述平面线圈设置于所述支撑块的下表面。
进一步地，所述平面线圈、内圈永磁体质量块、内圈可动平台、外圈质量块、外圈可动平台和支撑块的中心轴线重合。
进一步地，所述平面线圈包括感应线圈绕组、中央磁轭和绝缘层；所述感应线圈绕组固定在绝缘层中，所述中央磁轭固定在所述感应线圈绕组的中央。
进一步地，所述感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成。
进一步地，所述感应线圈绕组的高度、线宽以及匝与匝之间的距离均在10～30微米范围内；更进一步地，所述感应线圈绕组的高度、线宽、匝与匝之间的距离均为15微米。
进一步对，所述绝缘层采用聚酰亚胺、氧化铝或聚氯代对二甲苯等材料制备得到；更进一步地，所述绝缘层采用聚酰亚胺制备得到。
进一步地，所述外圈质量块采用SU-8环氧树脂、聚酰亚胺等材料制备得到；更进一步地，外圈质量块采用SU-8环氧树脂制备得到。
进一步地，所述内圈永磁体质量块为立方体结构，采用钕铁硼、钐钴等材料制备得到；更进一步地，内圈永磁体质量块采用钕铁硼材料制备得到。
进一步地，所述内圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的形状，所述外圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的固定导向结构；更进一步地，所述具有几何非线性特性的形状包括但不限于：蟹脚形、Z字形以及L字形。
进一步地，所述内圈非线性弹簧和外圈非线性弹簧分别为多个，优选地，所述内圈非线性弹簧和外圈非线性弹簧分别为四个；四个所述内圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述内圈可动平台四周，所述内圈可动平台通过所述内圈非线性弹簧固定在所述外圈振子内缘；四个所述外圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述外圈可动平台四周，所述外圈可动平台通过所述外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘。
进一步地，所述内圈非线性弹簧与外圈非线性弹簧的厚度均在10-40微米范围内，更进一步地，所述内圈非线性弹簧的厚度为15微米，所述外圈非线性弹簧的厚度为15微米。
进一步地，所述内圈非线性弹簧与外圈非线性弹簧的宽度均在30-90微米范围内；更进一步地，所述内圈非线性弹簧与外圈非线性弹簧的宽度均为30微米。
进一步地，所述内圈可动平台面积在1-4平方毫米范围内，采用镍、铜、铁镍等材料制备得到；更进一步地，所述内圈可动平台面积为2平方毫米，采用电镀镍材料制备得到。
进一步地，所述外圈可动平台面积在5-10平方毫米范围内，采用镍、铜、铁镍等材料制备得到；更进一步地，所述外圈可动平台面积为2平方毫米，采用电镀镍材料制备得到。
本发明实施例所提供的一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，内圈永磁体质量块上下运动，改变通过平面线圈的磁通大小，从而实现振动能量到电能的转换。通过独立改变内圈振子与外圈振子参数，包括：内圈非线性弹簧形状和/或尺寸、内圈永磁体质量块质量、外圈非线性弹簧形状和/或尺寸以及外圈质量块质量，可以实现两个非线性模态之间间距与单个非线性模态带宽特性的调整，可以显著增加振动能量采集器工作带宽，且器件易于集成化制造。
本发明实施例所提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器：
通过调节所述内圈非线性弹簧刚度特性、所述内圈永磁体质量块质量、所述外圈非线性弹簧刚度特性与所述外圈质量块，可以实现保持所述内圈振子的单个模态带宽不变的情况下，调整模态间距的要求，进而满足不同的工况对工作频率范围的要求。具体的，保证所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数不变的情况下，通过增大所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，并且使所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率的比值偏离1，可以实现扩大所述内圈振子两个模态的间距，可以增加器件工作带宽；相反的，通过减小所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，可以减小所述内圈振子两个模态的间距，进而实现所述内圈振子两个非线性模态的融合。
另一方面，通过调节所述内圈非线性弹簧刚度特性、所述内圈永磁体质量块质量、所述外圈非线性弹簧刚度特性与所述外圈质量块，可以实现保持所述内圈振子两个非线性模态间距不变的情况下，调整单个模态工作频率范围，进而满足不同的工况对工作频率范围的要求。具体的，保证所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率不变的情况下，通过增大所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数，可以实现拓宽所述内圈振子的单个模态的工作频率范围，进而拓宽能量采集工作频率范围。
通过改变所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的形状和/或尺寸，就可以实现对所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的线性与非线性刚度的调整；通过改变所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的厚度，就可以实现对所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块质量的调整。
通过以上参数调整，就可以实现对所述内圈振子的模态特性的调节，从而综合提高振动能量采集的效率。
下面结合附图对本发明实施例所提供的技术方案进一步详细描述。
请同时参阅图1至图4，给出了本发明一优选实施例中所提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器的结构示意图。
如图1和图2所示，本发明优选实施例中提供的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，包括：平面二自由度非线性弹簧振子1、支撑块2与平面线圈3，支撑块2布置在平面线圈3与平面二自由度非线性弹簧振子1之间。支撑块2上开有贯通的通孔，平面线圈3设置于支撑块2下表面。平面二自由度非线性弹簧振子1包括内圈振子4与外圈振子5。内圈振子4包括内圈可动平台6、内圈非线性弹簧7与内圈永磁体质量块8；内圈永磁体质量块8设置于内圈可动平台6上方，内圈可动平台6通过内圈非线性弹簧7固定在外圈振子5内缘。外圈振子5包括外圈可动平台9、外圈非线性弹簧10和外圈质量块11，外圈质量块11设置于外圈可动平台9上方，外圈可动平台9通过外圈非线性弹簧10固定在支撑块2内缘。平面线圈3、内圈永磁体质量块8、内圈可动平台6、外圈质量块11、外圈可动平台9与支撑块2的中心轴线重合。
平面线圈3包括感应线圈绕组12、中央磁轭13和绝缘层14，感应线圈绕组12由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成，并固定在绝缘层14中，中央磁轭13固定在所述感应线圈绕组12的中央。
在一些实施例中，感应线圈绕组的高度、线宽、匝与匝之间的距离都为10-30微米范围内；进一步地，应线圈绕组的高度、线宽、匝与匝之间的距离都为15微米。
在一些实施例中，绝缘层由聚酰亚胺、氧化铝或聚氯代对二甲苯等材料构成；进一步地，绝缘层采用聚酰亚胺构成。
在一些实施例中，外圈质量块由SU-8环氧树脂、聚酰亚胺等材料构成；而优选的，外圈质量块采用SU8构成；内圈永磁体质量块8的形状为立方体，材料为钕铁硼、钐钴等材料；而优选的，内圈永磁体质量块8采用钕铁硼材料。如图3和图4所示，内圈非线性弹簧7可以采用如蟹脚形、Z字形、L字形等具有几何非线性特性的形状，外部非线性弹簧10可以采用具有几何非线性特性的固定导向结构，上述弹簧的选择是本发明优选的一些方案，但本发明并不局限于上述形状，内圈非线性弹簧7与外圈非线性弹簧10的厚度需要根据具体要求选定，通常在10-40微米内选择，优选的，内圈非线性弹簧7的厚度为15微米，优选的，外圈非线性弹簧10的厚度为15微米。内圈非线性弹簧7与外圈非线性弹簧10宽度约30-90微米；而优选的，内圈非线性弹簧7与外圈非线性弹簧10的宽度均为30微米。内圈可动平台6面积约为1-4平方毫米，材料为镍、铜、铁镍等材料，优选的，内圈可动平台6面积约为2平方毫米，材料为电镀镍。外圈可动平台9面积约为5-10平方毫米，材料为镍、铜、铁镍等材料，优选的，外圈可动平台9面积约为2平方毫米，材料为电镀镍。
在外界激励下，由于所述内圈非线性弹簧7与所述外圈非线性弹簧10的作用，所述内圈振子4与所述外圈振子5在第一和第二阶的工作频率范围将被拓宽，意味着所述内圈振子4与所述外圈振子5分别具有两个宽频的响应。在本发明实施例中，利用所述内圈振子4的两个宽频响应实现振动能量收集，通过调节所述内圈非线性弹簧7刚度特性、所述内圈永磁体质量块8质量、所述外圈非线性弹簧10刚度特性与所述外圈质量块11，可以实现对所述内圈振子4的模态间距与单个模态工作频率范围的调整，进而拓宽振动能量收集的频率范围。
上述实施例通过采用平面二自由度非线性弹簧振子1的结构，可以从内圈非线性弹簧7和外圈非线性弹簧10的布局、形状、尺寸等多方面调整结构非线性刚度，克服了现有技术基于止挡块或磁力非线性机制难以实现级联工况下各级非线性的独立调整的局限，为根据外界环境工况特点、兼顾工作带宽和输出功率的要求，合理配置多个模态特性提供了灵活的调整手段。
上述实施例通过叠层结构设计，降低了利用集成制造方法实现非线性机制与多模态结构所需的复杂三维结构的难度，能够充分发挥光刻、微电铸等集成制造方法加工精度高的优势实现微米量级机械结构参数设定与调整，确保实现灵活调控多个离散模态对于磁路、机械结构参数的精度要求，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于利用集成电路加工技术实现批量化生产。
在一具体实施例中，通过将内圈永磁体质量块8与平面线圈3的间距设置为2毫米，内圈永磁体质量块8的材料设置为钕铁硼、体积设置为2立方毫米，重量为0.02克，外圈非线性弹簧10设置为固定导向结构，厚度为24微米，内圈非线性弹簧7设置为L形悬臂梁，厚度为15微米，内圈可动平台6厚度为30微米，外圈可动平台9厚度为30微米，外圈质量块11的材料设置为SU-8环氧树脂，重量为1g，通过调整内圈非线性弹簧7和外部非线性弹簧10的线性刚度与非线性刚度，器件工作带宽可达100赫兹和输出功率可达95.2微瓦，对应的归一化体积功率密度可达952微瓦每立方厘米每平方g。
本发明上述实施例提供的一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，对于集成制造的非线性级联振动能量采集器的结构设计能够充分利用多模态和非线性机制在拓宽频带方面的叠加效果，兼顾拓宽工作带宽和输出功率的双重要求，同时实现了多自由度结构与双非线性弹簧的集成制造，可以针对不同应用环境工况的激振频谱特性，在微尺度下实现了多个宽频响应，并且模态特性可调，实现振动能量的高效转换与利用。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，包括：平面二自由度非线性弹簧振子、支撑块以及平面线圈，所述支撑块布置在平面线圈与平面二自由度非线性弹簧振子之间；其中：
所述平面二自由度非线性弹簧振子包括：内圈振子与外圈振子；所述内圈振子包括内圈可动平台、内圈非线性弹簧和内圈永磁体质量块，所述内圈永磁体质量块设置于所述内圈可动平台处，并与内圈可动平台共同构成振动磁极，所述振动磁极能够沿上下方向运动，所述内圈可动平台通过所述内圈非线性弹簧固定在所述外圈振子的内缘；所述外圈振子包括外圈可动平台、外圈非线性弹簧和外圈质量块，所述外圈质量块设置于所述外圈可动平台处，所述外圈可动平台通过所述外圈非线性弹簧固定在支撑块内缘。
2.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述内圈永磁体质量块设于内圈可动平台的中央位置，所述平面线圈位于所述内圈永磁体质量块的一侧；所述平面线圈、内圈永磁体质量块、内圈可动平台、外圈质量块、外圈可动平台和支撑块的中心轴线重合，通过所述内圈永磁体质量块与所述平面线圈的相对运动，实现振动能量转换为电能。
3.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述支撑块上开有通孔，所述通孔能够容纳所述内圈可动平台和所述外圈可动平台上下运动，所述平面线圈设置于所述支撑块的下表面。
4.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述平面线圈包括感应线圈绕组、中央磁轭和绝缘层；所述感应线圈绕组固定在绝缘层中，所述中央磁轭固定在所述感应线圈绕组的中央。
5.根据权利要求4所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述平面线圈还包括如下任意一项或任意多项：
-所述感应线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈按螺旋渐开的方式组合构成；
-所述感应线圈绕组的高度、线宽以及匝与匝之间的距离均在10～30微米范围内；
-所述绝缘层采用聚酰亚胺、氧化铝或聚氯代对二甲苯材料制备得到。
6.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述内圈振子还包括如下任意一项或任意多项：
-所述内圈永磁体质量块为立方体结构，采用钕铁硼、钐钴材料制备得到；
-所述内圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的形状；
-所述内圈非线性弹簧的厚度在10-40微米范围内；
-所述内圈非线性弹簧的宽度在30-90微米范围内；
-所述内圈可动平台面积在1-4平方毫米范围内；
-所述内圈可动平台采用镍、铜、铁镍材料制备得到。
7.根据权利要求6所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述具有几何非线性特性的形状包括：蟹脚形、Z字形以及L字形。
8.根据权利要求1所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述外圈振子还包括如下任意一项或任意多项：
-所述外圈质量块采用SU-8环氧树脂、聚酰亚胺材料制备得到；
-所述外圈非线性弹簧采用具有几何非线性特性的固定导向结构；
-所述外圈非线性弹簧的厚度在10-40微米范围内；
-所述外圈非线性弹簧的宽度在30-90微米范围内；
-所述外圈可动平台面积在5-10平方毫米范围内；
-所述外圈可动平台采用镍、铜、铁镍材料制备得到。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，所述内圈非线性弹簧和外部非线性弹簧分别为多个；其中，多个所述内圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述内圈可动平台的四周，并与所述外圈可动平台将所述内圈可动平台及所述内圈永磁体质量块悬空支承在所述平面线圈上方；多个所述外圈非线性弹簧按照顺时针或逆时针方向等角度间距排列于所述外圈可动平台的四周，并与所述内圈可动平台将所述外圈可动平台及所述外圈质量块悬空支承在所述平面线圈上方。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的集成制造的非线性级联多自由度振动能量采集器，其特征在于，还包括如下任意一项或任意多项：
-所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数保持不变，通过增大所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，并且使所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率的比值偏离1，实现扩大所述内圈振子两个模态的间距，增加器件工作带宽；相反的，通过减小所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的比值，减小所述内圈振子两个模态的间距，进而实现所述内圈振子两个非线性模态的融合；
-所述内圈振子与所述外圈振子的固有频率保持不变下，通过增大所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的非线性系数，实现拓宽所述内圈振子的单个模态的工作频率范围，进而拓宽能量采集工作频率范围；
-通过改变所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的形状和/或尺寸，实现对所述内圈非线性弹簧与所述外圈非线性弹簧的线性与非线性刚度的调整；通过改变所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块的厚度，实现对所述内圈永磁体质量块与所述外圈质量块质量的调整；
-通过所述振动磁极在第一阶和第二阶的振荡实现所述平面线圈的磁通量大小变化，实现所述振荡磁极在所述内圈非线性弹簧和所述外圈非线性弹簧作用下的双宽频响应。
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| KR100546953B1 (ko) * | 2004-07-30 | 2006-01-26 | 가부시끼가이샤시코기껜 | 렌즈 구동장치 |
| CN101924451A (zh) * | 2010-07-30 | 2010-12-22 | 安徽大学 | 易于集成制造的高性能微型电磁式振动能量采集器 |
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2020
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