CN205142049U - 一种压电悬臂梁能量采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电悬臂梁能量采集器，包括基板(3)、质量块(4)和压电晶片(2)，在基板(3)的上表面覆盖有压电晶片(2)，在压电晶片(2)末端的上表面承载有质量块(4)，在压电晶片(2)上有M个镂空区域(1)，在基板(3)上有N个镂空区域(1)，M和N均为正整数，且M与N的和不小于1。本实用新型的结构有利于低频能量的采集，并在此基础上，获得最优电压值。

Description

一种压电悬臂梁能量采集器

技术领域

本实用新型涉及一种悬臂梁采集器，特别是涉及一种压电悬臂梁能量采集器。

背景技术

随着微机电系统的发展，微型电子器件应用范围广的优势逐渐凸显出来。当前，通过采集微电子器件工作环境中的振动能，从而将其转换成电能的方式，已成为一种新的研究趋势和热点研究问题。对于压电振动能量采集器而言，压电振子的固有频率与开路输出电压是衡量其工作效率的重要输出参数。

为了获得更低的固有频与更高的输出电压，国外一些研究人员把研究重点放在压电悬臂梁的几何形状上。目前，矩形的悬臂梁结构被广泛应用于压电振动能量采集器，国外研究员用在悬臂梁末端添加多个质量块这种方法来降低器件固有频率，但为了避免悬臂梁因振动发生断裂，器件总体尺寸较大。这种方法虽然降低了器件固有频率，但不利于微型集成化，无法为大量分散的网络传感器节点供电。而基于MEMS技术的压电能量采集器虽然实现了微型化目标，却往往固有频率较高。

然而在生产生活以及国防等某些领域需要实现低频环境的能量采集时，这些方案会由于采用矩形压电晶片而增大器件的固有频率，不利于低频能量的采集，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种压电悬臂梁能量采集器。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种压电悬臂梁能量采集器，包括基板、质量块和压电晶片，在所述基板的上表面覆盖有压电晶片，在压电晶片末端的上表面承载有质量块，在压电晶片上有M个镂空区域，在基板上有N个镂空区域，所述M和N均为正整数，且M与N的和不小于1。

有利于低频能量的采集，获得最优电压输出性能。

在本实用新型的一种优选实施方式中，M＝N时，压电晶片上的镂空区域与基板上的镂空区域处于相同位置。有利于镂空区域制作方便。

在本实用新型的一种优选实施方式中，M、N均为双数时，镂空区域相对于基板的中心线成对称结构，且由最边缘向中心线镂空。对称结构的镂空区域更容易找到规律，并且稳定性更好。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述镂空区域为长方体。该形状的镂空区域制作方便。利用机械微切割方法可以准确地获得直线类型的设计形状尺寸，镂空区域的长度和宽度可通过机器的走刀位移精确控制，且切片具有0.1μm的切割精度，能够精确保证切割图形的均匀性。

在本实用新型的一种优选实施方式中，镂空区域的长度l为10-230μm，宽度d为10-180μm，M、N为2-44个。

镂空区域的长度和宽度以及镂空区域个数的选择,都能降低器件固有频率，使压电晶片的输出电压更高。

在本实用新型的一种更加优选实施方式中，镂空区域的长度l为200μm，宽度d为165μm，M、N分别为12个。

此时的固有频率更低，开路输出电压更高；避免器件所受应力过大，导致悬梁臂断裂。

在本实用新型的一种优选实施方式中，其特征在于,压电晶片的长度L_p为3200μm，宽度W_p为800μm，厚度t_p为14μm；基板的长L_S为3200μm，宽W_S为800μm，厚度t_S为18μm；质量块的长l_m为900μm，宽w_m为800μm，厚度h_m为450μm。

该尺寸有利于调整降低器件谐振频率，而且可提高器件的输出性能。

在本实用新型的一种优选实施方式中，压电晶片的材料为PZT-4H压电陶瓷。

PZT压电陶瓷体材是由一定比例的钛酸铅、二氧化铅、锆酸铅在1200℃高温下烧结结晶而成，是应用于MEMS领域最广泛的压电材料，其压电常数和介电性能都比较优异，且制备工艺成熟，是用于制作微压电能量采集器的理想选择。在本实用新型的一种优选实施方式中，基板的材料为硅。

采用该材料具有弹性模量大，并且能承受较大的形变，使得效果更加明显。

在本实用新型的一种优选实施方式中，质量块的材料为镍。

质量块材料的选择采用具有较大密度的镍金属块不但有利于调整降低器件谐振频率，而且可提高器件的输出性能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：采用本实用新型的结构有利于低频能量的采集，并在此基础上，获得最优电压值。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型镂空区域长度与固有频率之间的示意图。

图3是本实用新型镂空区域宽度与固有频率之间的示意图。

图4是本实用新型镂空区域个数与电压之间的示意图。

图5是本实用新型镂空区域长度与电压之间的示意图。

图6是本实用新型镂空区域宽度与电压之间的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供了一种压电悬臂梁能量采集器，如图1所示，包括基板3、质量块4和压电晶片2，在基板3的上表面覆盖有压电晶片2，在压电晶片2末端的上表面承载有质量块4，在压电晶片2上有M个镂空区域1，在基板3上有N个镂空区域1，M和N均为正整数，且M与N的和不小于1。在本实施方式中，镂空区域1不限于为长方体，也可以是其它形状，例如，圆形、正方形或者三角形之一或者组合。压电晶片2上的镂空区域与基板3上的镂空区域处于相同位置。

在本实用新型的一种优选实施方式中，M、N均为双数时，镂空区域相对于基板的中心线成对称结构，且由最边缘向中心线镂空。

在本实用新型的一种优选实施方式中，镂空区域的长度l为10-230μm，宽度d为10-180μm，M、N为2-44个。在本实施方式中，优选镂空区域的长度l为200μm，宽度d为165μm，M、N分别为12个。

在本实用新型的一种优选实施方式中，其特征在于,压电晶片的长度L_p为3200μm，宽度W_p为800μm，厚度t_p为14μm；基板的长L_S为3200μm，宽W_S为800μm，厚度t_S为18μm；质量块的长l_m为900μm，宽w_m为800μm，厚度h_m为450μm。

在本实用新型的一种优选实施方式中，压电晶片的材料为PZT-4H压电陶瓷。

在本实用新型的一种优选实施方式中，基板的材料为硅。

在本实用新型的一种优选实施方式中，质量块的材料为镍。

在本实施方式中，压电晶片、基板和质量块的长均以x轴方向为准，压电晶片、基板和质量块的宽均以y轴方向为准，压电晶片的厚度、基板的厚度和质量块的厚度均以z轴方向为准；镂空区域的宽以x轴方向为准，镂空区域的长以y轴方向为准。

应当注意的，镂空区域不应在质量块正下方设置，即是说镂空区域在-L_S到-l_m，0到W这块区域设置镂空区域。

对于传统末端加质量块的矩形悬臂梁压电振动能量采集器，忽略其电极层影响，其固有频率公式为：

$f_n=\frac{v_n^{\′2}}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{M_e+\mathrm{\Δ}m}},$

其中f_n是第N阶基振频率，(v_n为N阶频率系数，一阶频率系数为v₁＝1.875)，Δm＝ρ_ml_mw_mh_m，(m＝ρ_st_s+ρ_pt_p)式中ρ_m、l_m、w_m、h_m依次代表质量块密度和长、宽、厚；ρ_s、ρ_p依次代表硅层、压电层密度；W、L依次为悬臂梁宽度和长度；为器件总体等效刚度，其中代表器件各层的转动惯量，Y_i、t_i、A_i、O_i依次代表器件各材料杨氏模量、第i层厚度、第i层矩形横截面积、第i层中性轴位置。

由上述公式可知，影响器件频率的关键参数包括各材料的特征参数及梁结构的长、高以及质量块的大小与位置，而梁结构的宽度对其固有频率并无影响。由于存在镂空区域，器件不再是均匀梁，公式中梁的等效质量M_e和总体等效刚度不再为常数，这就引起了公式的变化，使梁宽成为影响器件固有频率的因素之一。

采用上述结构尺寸(镂空区域的长度l为200μm，宽度d为165μm，M＝N为12个且为相同位置时；压电晶片的长度L_p为3200μm，宽度W_p为800μm，厚度t_p为14μm；基板的长L_S为3200μm，宽W_S为800μm，厚度t_S为18μm；质量块的长l_m为900μm,宽l_m为800μm，厚度h_m为450μm)的采集器能够采集到低频振动的能量，即在固有频率为399.7Hz，电压将达到最优值0.271V。

如图2所示，镂空区域宽度和数量不变的情况下，镂空区域长度l越大，固有频率越低；其中当d＝100μm，M＝N＝2且为相同位置时，l从10μm增加到50μm的过程中，固有频率从504.8Hz降低到499.2Hz。

如图3所示，镂空区域长度和数量不变的情况下，镂空区域的宽度d越小，固有频率越低；其中当镂空区域的长度l＝100μm，镂空数量M＝N＝2且为相同位置时，镂空宽度d从10μm增加到50μm的过程中，固有频率从500.2Hz逐渐降低到494.3Hz。

如图4所示，镂空区域的长度和宽度不变的情况下，数量M＝N越多，固有频率越低；其中，当l＝100μm，d＝50μm不变时，数量M＝N从2个增加到10个的过程中，固有频率从494.3Hz降低到468.9Hz，变化范围为25.4Hz。

由上述结论可知，增加镂空区域的长度、镂空区域的宽度以及增加镂空区域的数量都能降低器件固有频率，而镂空区域的宽度变化对器件固有频率的影响要大于镂空区域的长度变化对其的影响。

如图4所示，未添加镂空区域时，器件固有频率为546.2Hz，无负载峰值电压为0.057V；在镂空长宽不变的情况下，当M＝N从2增加到6时，固有频率从518.4Hz降低到499.8Hz，无负载峰值电压出现较大增长，从0.128V增加到0.265V达到最大值；当M＝N从6增加到16时，固有频率从499.8Hz降低到465.1Hz，峰值电压下降幅度较大，从0.265V降低到0.059V。

如图5所示，当l从180μm增加到230μm时，固有频从419.0Hz降低到372.3Hz，而输出电压峰峰值呈现先增长后降低的趋势；当l从180μm增加到200μm时，输出电压峰峰值从0.116V增加到0.227V达到最大值，当l从200μm增加到230μm时，电压峰峰值从0.227V降低到0.07V。

如图6所示，当d由180μm减小到160μm时，固有频率由401.9Hz降低到399.2Hz，而输出电压峰峰值呈现先增大后减小的趋势，当d从180μm减小到165μm时，电压由0.108V增加到0.271V达到最大值，当d减小到160μm时，电压降低到0.204V。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，包括基板(3)、质量块(4)和压电晶片(2)，在所述基板(3)的上表面覆盖有压电晶片(2)，在压电晶片(2)末端的上表面承载有质量块(4)，在压电晶片(2)上有M个镂空区域(1)，在基板(3)上有N个镂空区域(1)，所述M和N均为正整数，且M与N的和不小于1。

2.根据权利要求1所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，M＝N时，压电晶片(2)上的镂空区域与基板(3)上的镂空区域处于相同位置。

3.根据权利要求2所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，M、N均为双数时，镂空区域相对于基板的中心线成对称结构，且由最边缘向中心线镂空。

4.根据权利要求1-3之一所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，所述镂空区域(1)为长方体。

5.根据权利要求4所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，镂空区域的长度l为10-230μm，宽度d为10-180μm，M、N为2-44个。

6.根据权利要求5所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，镂空区域的长度l为200μm，宽度d为165μm，M、N分别为12个。

7.根据权利要求1所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于,压电晶片的长度L_p为3200μm，宽度W_p为800μm，厚度t_p为14μm；基板的长L_S为3200μm，宽W_S为800μm，厚度t_S为18μm；质量块的长l_m为900μm，宽w_m为800μm，厚度h_m为450μm。

8.根据权利要求1所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，压电晶片的材料为PZT-4H压电陶瓷。

9.根据权利要求1所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，基板的材料为硅。

10.根据权利要求1所述的压电悬臂梁能量采集器，其特征在于，质量块的材料为镍。