CN112491233B - 一种基于电磁感应原理的mems三轴能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，包括上层结构和下层结构，所述上层结构设置在下层结构的上方，所述上层结构包括支撑框架、面内振动结构、离面振动结构，所述面内振动结构、离面振动结构设置在支撑框架上，所述下层结构包括磁体基座、第一永磁体、第二永磁体，所述第一永磁体、第二永磁体均镶嵌在磁体基座内。本发明提出的三轴能量收集器利用电磁感应原理收集环境中的振动能，并且环境适应性极强，能为各种无线传感网络提供必要的能源，具有结构简单、加工方便、易集成、效率高、寿命长等优点。本发明用于能量的收集。
Description
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器。
背景技术
能量收集技术，是一种借助能量收集装置将其周围环境中蕴含的能量转化为电能的技术，能量收集装置可以为各种低功耗的的电子器件供应电能。可以解决无线传感网络中传感节点的供电问题。目前，常用的振动能源收集方式包括静电式、电磁式、磁致伸缩式和压电式。
静电式振动能量收集器一般由两块电容极板构成，其工作原理是基于可变电容，当外界振动作用在静电式振动能量收集器上时，极板间产生相对运动，存储在电容极板里的电荷流动或电压变化，引起能量的转移，实现机械能-电能的转化，静电式振动能量收集器最大的优点是具有IC工艺兼容性，可通过硅微加工技术进行批量生产，但是，静电式振动能量收集器需要独立的外加极化电源，存在许多机械结构的设计限制，所以无法用于嵌入式、无线传感器网络等需要独立自供能的系统中。
磁致伸缩式能量收集器工作原理是基于磁致伸缩材料的维拉里效应，在外界振动激励下，器件中的磁性材料将感应振动引起的应变而导致材料磁化强度的变化，磁场变化进而导致在感应线圈中产生电动势和电流，从而形成电信号，目前，磁致伸缩式能量采集器的研究还在起步阶段，相关的研究尚不多磁致伸缩式能量收集器的输出功率密度较高，但由于器件结构需要感应线圈，且有时需要偏压磁铁，使得器件整体尺寸较大，难于与MEMS器件集成。
压电式振动能量收集器的工作原理是基于压电材料的压电效应，在外部振动力的作用下，器件中的压电层产生应力应变导致内部电荷流动而形成电信号，压电能量收集器具有无需额外电压源、结构简单、寿命长的优势，但难与MEMS器件集成。
发明内容
针对上述常用的振动能源收集难与MEMS器件集成的技术问题，本发明提供了一种易加工、易集成、环境适应性强、能量收集效率高、使用寿命长的基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，包括上层结构和下层结构，所述上层结构设置在下层结构的上方，所述上层结构包括支撑框架、面内振动结构、离面振动结构，所述面内振动结构、离面振动结构设置在支撑框架上，所述下层结构包括磁体基座、第一永磁体、第二永磁体，所述第一永磁体、第二永磁体均镶嵌在磁体基座内，所述第一永磁体设置在面内振动结构的正下方，所述第二永磁体设置在离面振动结构的正下方。
所述面内振动结构包括第一外框、第一质量块、纵向回折型正交梁、横向回折型正交梁、平面矩形电感线圈，所述第一外框的外侧与支撑框架连接，所述纵向回折型正交梁、横向回折型正交梁均有四个，所述第一外框的内侧通过纵向回折型正交梁、横向回折型正交梁连接有第一质量块，所述第一质量块上设置有平面矩形电感线圈。
所述面内振动结构的第一外框上设置有第一电极、第二电极，所述平面矩形电感线圈的一端连接有第一电极，所述平面矩形电感线圈的另一端连接有第一电极引线，所述第一电极引线通过引线与第二电极连接。
所述纵向回折型正交梁、横向回折型正交梁均包括第一检测梁、第二检测梁和检测梁连接块，所述第一检测梁通过检测梁连接块与第二检测梁连接。
所述离面振动结构包括第二外框、第二质量块、离面振动梁、离面振动电感线圈，所述第二外框的外侧与与支撑框架连接，所述离面振动梁有四个，所述第二外框的内侧通过四个离面振动梁与第二质量块连接，所述第二质量块上设置有离面振动电感线圈。
所述离面振动结构的第二外框上设置有第三电极、第四电极，所述离面振动电感线圈的一端连接有第三电极，所述离面振动电感线圈的另一端连接有第二电极引线，所述第二电极引线通过第二引线连接有第四电极。
所述第一永磁体、第二永磁体均采用汝铁硼磁体，所述磁体基座的材料采用陶瓷。
所述第一永磁体由四个永磁体组成，四个永磁体沿第一永磁体的中心线轴向分布，四个永磁体靠近面内振动结构一端的极性分布为：N极、N极、S极、S极。
所述第二永磁体靠近离面振动结构的一端为N极。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明提出的三轴能量收集器利用电磁感应原理收集环境中的振动能，并且环境适应性极强，能为各种无线传感网络提供必要的能源，具有结构简单、加工方便、易集成、效率高、寿命长等优点；并且本发明可以将空间三个方向的振动能量收集起来，具有极高的效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明纵向回折型正交梁与横向回折型正交梁的结构示意图；
图4为本发明离面振动梁的结构示意图；
图5为本发明下层结构的结构示意图。
其中：1为支撑框架，2为面内振动结构，3为离面振动结构，4为磁体基座，5为第一永磁体，6为第二永磁体，201为第一外框，202为第一质量块，203为纵向回折型正交梁，204为横向回折型正交梁，205为平面矩形电感线圈，206为第一电极，207为第二电极，208为第一电极引线，209为第二电极，2031为第一检测梁，2032为第二检测梁，2033为检测梁连接块，301为第二外框，302为第二质量块，303为离面振动梁，304为离面振动电感线圈，305为第三电极，306为第四电极，307为第二电极引线，308为第二引线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，如图1所示，包括上层结构和下层结构，上层结构设置在下层结构的上方，上层结构包括支撑框架1、面内振动结构2、离面振动结构3，面内振动结构2、离面振动结构3设置在支撑框架1上，下层结构包括磁体基座4、第一永磁体5、第二永磁体6，第一永磁体5、第二永磁体6均镶嵌在磁体基座4内，第一永磁体5设置在面内振动结构2的正下方，第二永磁体6设置在离面振动结构3的正下方。环境振动时，面内振动结构2沿着x，y轴做往复运动，产生感应电动势；离面振动结构3中沿着z轴做往复运动产生变化的磁通量，产生感应电动势。
进一步，面内振动结构2包括第一外框201、第一质量块202、纵向回折型正交梁203、横向回折型正交梁204、平面矩形电感线圈205，第一外框201的外侧与支撑框架1连接，纵向回折型正交梁203、横向回折型正交梁204均有四个，第一外框201的内侧通过纵向回折型正交梁203、横向回折型正交梁204连接有第一质量块202，第一质量块202上设置有平面矩形电感线圈205。当面内振动结构2中的纵向回折型正交梁203、横向回折型正交梁204时，平面矩形电感线圈205在水平面内做切割磁感线运动，产生感应电动势。
进一步，面内振动结构2的第一外框201上设置有第一电极206、第二电极207，平面矩形电感线圈205的一端连接有第一电极206，平面矩形电感线圈205的另一端连接有第一电极引线208，第一电极引线208通过引线209与第二电极207连接。
进一步，纵向回折型正交梁203、横向回折型正交梁204均包括第一检测梁2031、第二检测梁2032和检测梁连接块2033，第一检测梁2031通过检测梁连接块2033与第二检测梁2032连接。回折型正交梁减小了正交梁的总长度，避免了工艺残余应力导致断梁的缺陷，可设计在低频下只做面内运动。
进一步，离面振动结构3包括第二外框301、第二质量块302、离面振动梁303、离面振动电感线圈304，第二外框301的外侧与与支撑框架1连接，离面振动梁303有四个，第二外框301的内侧通过四个离面振动梁303与第二质量块302连接，第二质量块302上设置有离面振动电感线圈304，可在低频下沿z轴做往复振动。当离面振动结构3中的离面振动梁303做离面振动时，穿过离面振动电感线圈304的磁通量发生变化，产生感应电动势。
进一步，离面振动结构3的第二外框301上设置有第三电极305、第四电极306，离面振动电感线圈304的一端连接有第三电极305，离面振动电感线圈304的另一端连接有第二电极引线307，第二电极引线307通过第二引线308连接有第四电极306。
进一步，优选的，第一永磁体5、第二永磁体6均采用汝铁硼磁体，磁体基座4的材料采用陶瓷。
进一步，第一永磁体5由四个永磁体组成，四个永磁体沿第一永磁体5的中心线轴向分布，四个永磁体靠近面内振动结构2一端的极性分布为：N极、N极、S极、S极。
进一步，第二永磁体6靠近离面振动结构3的一端为N极。
本发明的工作流程为：环境振动时，当面内振动结构2中的纵向回折型正交梁203、横向回折型正交梁204时，平面矩形电感线圈205在水平面内做切割磁感线运动，产生感应电动势；当离面振动结构3中的离面振动梁303做离面振动时，穿过离面振动电感线圈304的磁通量发生变化，产生感应电动势。因此本发明可以将空间三个方向的振动能量收集起来，具有极高的效率。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，其特征在于：包括上层结构和下层结构，所述上层结构设置在下层结构的上方，所述上层结构包括支撑框架(1)、面内振动结构(2)、离面振动结构(3)，所述面内振动结构(2)、离面振动结构(3)设置在支撑框架(1)上，所述下层结构包括磁体基座(4)、第一永磁体(5)、第二永磁体(6)，所述第一永磁体(5)、第二永磁体(6)均镶嵌在磁体基座(4)内，所述第一永磁体(5)设置在面内振动结构(2)的正下方，所述第二永磁体(6)设置在离面振动结构(3)的正下方； 所述面内振动结构(2)包括第一外框(201)、第一质量块(202)、纵向回折型正交梁(203)、横向回折型正交梁(204)、平面矩形电感线圈(205)，所述第一外框(201)的外侧与支撑框架(1)连接，所述纵向回折型正交梁(203)、横向回折型正交梁(204)均有四个，所述第一外框(201)的内侧通过纵向回折型正交梁(203)、横向回折型正交梁(204)连接有第一质量块(202)，所述第一质量块(202)上设置有平面矩形电感线圈(205)； 所述面内振动结构(2)的第一外框(201)上设置有第一电极(206)、第二电极(207)，所述平面矩形电感线圈(205)的一端连接有第一电极(206)，所述平面矩形电感线圈(205)的另一端连接有第一电极引线(208)，所述第一电极引线(208)通过引线(209)与第二电极(207)连接； 所述纵向回折型正交梁(203)、横向回折型正交梁(204)均包括第一检测梁(2031)、第二检测梁(2032)和检测梁连接块(2033)，所述第一检测梁(2031)通过检测梁连接块(2033)与第二检测梁(2032)连接； 所述离面振动结构(3)包括第二外框(301)、第二质量块(302)、离面振动梁(303)、离面振动电感线圈(304)，所述第二外框(301)的外侧与支撑框架(1)连接，所述离面振动梁(303)有四个，所述第二外框(301)的内侧通过四个离面振动梁(303)与第二质量块(302)连接，所述第二质量块(302)上设置有离面振动电感线圈(304)； 所述离面振动结构(3)的第二外框(301)上设置有第三电极(305)、第四电极(306)，所述离面振动电感线圈(304)的一端连接有第三电极(305)，所述离面振动电感线圈(304)的另一端连接有第二电极引线(307)，所述第二电极引线(307)通过第二引线(308)连接有第四电极(306)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，其特征在于：所述第一永磁体(5)、第二永磁体(6)均采用钕铁硼磁体，所述磁体基座(4)的材料采用陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，其特征在于：所述第一永磁体(5)由四个永磁体组成，四个永磁体沿第一永磁体(5)的中心线轴向分布，四个永磁体靠近面内振动结构(2)一端的极性分布为：N极、N极、S极、S极。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器，其特征在于：所述第二永磁体(6)靠近离面振动结构(3)的一端为N极。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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