CN207625468U - 一种多级耦合结构的振动能量收集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多级耦合结构的振动能量收集器，包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合。本实用新型通过采用悬臂梁多级耦合的连接方式，并使得不同级之间的弹性系数不同，从而拓宽能量收集器的频带范围。

Description

一种多级耦合结构的振动能量收集器

技术领域

本实用新型涉及能量收集领域，具体涉及一种多级耦合结构的振动能量收集器。

背景技术

随着科技的发展，人们生活水平的提高以及国家的大力支持，物联网取得了极大的发展，也成为各高校、研究机构及公司研究的热点。其中，无线传感网络（WSN）为物联网的关键，为物联网提供物质的信息。无线传感网络的传感器节点具有数量大、体积小的特点，需要小型的、持久供能的能量供给模块。而基于环境能量收集（Energy Harvesting）的MEMS微能源从理论上讲，可以为无线传感器节点提供取之不尽的能量，因此无论是学术界还是工业界，都对基于微纳能量收集的自供电技术产生了极大的兴趣。

此外，振动能量是自然界中最普遍存在的一种能量，收集的方式包括压电式、电磁式静电式等。压电式能量收集器一般采用悬臂梁结构，与其他方式的收集方式相比，具有相当简单的结构，能量密度高，可采用微机械（MEMS）加工工艺制作等优点，成为近年能量收集器领域的热点。

目前大部分基于压电效应的振动能量收集器都存在着一些缺点:(1)目前现有的压电能量收集器的输出电压/功率过低，难以满足能量存储及驱动器件的要求;(2)工作带宽较窄，只能在共振频率附近很小范围内才有较大输出。基于此，一些专利也提出了一些解决办法。如中国专利CN103647475A（公开日：2014.03.19）采用尖端与基底碰撞发生变形，从而带动压电片发生变形，进而产生电荷的方式进行能量收集。该收集器的尖端需与基底发生碰撞，尖端强度本就较小，多次碰撞会导致损坏。中国专利CN105262371A（公开日：2016-01-20）采用不同参数结构的收集单元阵列来拓宽频带范围。该方式的能量收集器的各个收集单元谐振频率不同，因此无论工作在哪个频率上，阵列中其他能量收集单元由于振动的频率不是其谐振频率而处于停滞工作状态，所以该能量收集器的总体工作效率较低。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种多级耦合结构的振动能量收集器，采用悬臂梁多级耦合的连接方式，并使得不同级之间的弹性系数不同，从而拓宽能量收集器的频带范围。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多级耦合结构的振动能量收集器，包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合。

进一步地，每个悬梁结构上的悬梁臂通过横梁相耦合，所述横梁连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块。

作为其中一个实施方式，每个悬梁结构上的悬梁臂通过横梁相耦合，所述横梁的还连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块；每个悬臂梁结构的悬臂梁连接于同一质量块，该质量块还连接于所述横梁。

作为另一种实施方式，其中一个悬臂结构的悬臂梁为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂结构的呈三角形结构的悬臂梁位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁的自由端连接于一质量块，而另一三角形结构的悬臂梁的固定端的固定端连接于该质量块，自由端则连接有另一质量块。

作为另一种实施方式，悬臂梁呈三角形结构，其中一个悬臂梁的自由端连接于方框形状的质量块，所述方框形状的质量块内连接于另一三角形结构的悬臂梁的固定端，该悬臂梁的自由端连接有质量块。

作为另一种实施方式，每个悬臂梁结构之间并联，每个悬臂梁结构的质量块连接于所述悬臂梁的自由端并且每个悬臂梁的自由端通过弹簧连接，所述弹簧的弹性系数比每个悬臂梁的弹性系数小，且谐振频率不同。进一步地，所述弹簧形状为S形弯曲状或者矩形框架状。

作为另一种实施方式，每个悬臂梁结构之间通过弹簧并联，且每个悬臂梁结构的质量块均设于悬臂梁的中部，所述弹簧的两端分别连接于所耦合的两个悬臂梁结构的悬臂梁的中部；所述压电层布满所述悬臂梁的表面；所述弹簧的弹性系数小于所述悬臂梁的弹性系数。进一步地，所述弹簧为S形弯曲状或者矩形框架状。

作为另一种实施方式，所有的悬臂梁结构组成一个阵列，每个悬臂梁结构之间通过梁连接。

本实用新型的有益效果在于：采用悬臂梁多级耦合的连接方式，并使得不同级之间的弹性系数不同，从而拓宽能量收集器的频带范围。

附图说明

图1为本实用新型结构的总设计构思示意图；

图2为图1中AA’剖面图；

图3为图1中所示结构的能量收集输出的电能示意图。

图4-图13均为实施例1-10的结构示意图；

图14为实施例1的仿真结果示意图；

图15为实施例3的仿真结果示意图；

图16为实施例4的仿真结果示意图；

图17为实施例5的仿真结果示意图；

图18为实施例8的仿真结果示意图；

图19为实施例9的仿真结果示意图；

图20为实施例10的仿真结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

如图1、图2所示，一种多级耦合结构的振动能量收集器，包括悬臂梁结构1，所述悬臂梁结构1主要由悬臂梁11、质量块12和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极13、压电材料14和下电极15，16所示为悬臂梁11的固定端，用于将悬臂梁结构固定在载体上；所述压电层设于所述悬臂梁11的表面，所述质量块12连接于所述悬臂梁11；所述振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构1，每个悬臂梁结构1之间相耦合。

需要说明的是，悬臂梁、次级悬臂梁和质量块的材料可为硅Si，上电极和下电极可采用铝Al、镍Ni、钼Mo等，压电材料可采用锆钛酸铅薄膜PZT，氮化铝薄膜AlN、氧化锌薄膜ZnO、氮化铝钪薄膜Sc_xAl_1-xN、PVDF薄膜、PVDF-TrFE薄膜和PDMS薄膜等。

当振动能量收集器感应到外界能量而使得质量块振动起来时，质量块带动悬臂梁振动，悬臂梁进而带动压电材料发生弯曲变形，压电材料会出现压电现象，上下电极将压电材料所生成的电荷转移出去，从而实现能量采集功能。

宽频原理：当如图1所示两悬臂梁采用横梁2连接起来，且两梁的谐振频率不同但相近时，两悬臂梁便会产生耦合现象，一方振动会带动另一方振动，这种耦合在能量收集输出的电能上会出现如图3所示的现象。在图3中，每条曲线都出现了两个波峰，及在更宽的频率范围内都能够收集到能量，实现了宽频效果。此外，随着外界环境的振动越剧烈，出现的波峰幅值越大，收集到的能量也越大。

实施例1

如图4所示，每个悬梁结构1上的悬梁臂11通过横梁2相耦合，自由端上连接有质量块12。所述横梁2连接于次级悬臂梁3的一端；悬梁臂11上设有压电层，组成如图2所示。所述次级悬臂梁3上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块31。如图4所示。所述次级悬臂梁的压电层的组成和图2所示的悬臂结构的压电层设置方式相同。在本实施例中还包括有外框架101，每个悬臂结构的悬臂梁的固定端均固定于所述外框架101。

实施例1的仿真结果如图14所示，图中的横坐标为频率，纵坐标为振幅。从图中可以看出存在两处谐振点，且在两次谐振点之间的频率区间内，能量收集器的输出电能都比较大，达到宽频目的。

实施例2

如图5所示，每个悬梁结构1上的悬梁臂11通过横梁2相耦合，所述横梁2的还连接于次级悬臂梁3的一端；所述次级悬臂梁3上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块31；每个悬臂梁结构1的悬臂梁11连接于同一质量块12，该质量块12还连接于所述横梁2。悬梁臂11上设有压电层，组成如图2所示。所述次级悬臂梁的压电层的设置方式和图2所示的悬臂结构的压电层设置方式相同。在本实施例中，所述横梁2连接悬臂梁的自由端，并且质量块12叠合在横梁上。在本实施例中还包括有外框架101，每个悬臂结构的悬臂梁的固定端均固定于所述外框架101。

实施例3

本实施例原理与实施例2类似，如图6所示，实质上为在实施例2的基础上，进一步增加了悬臂梁11和次级悬臂梁3的数量（悬臂梁数量为四个，次级悬臂梁数量为两个），悬臂梁11的固定端连接于框架101，自由端共同连接于横梁2，并且共用同一质量块12。在本实施例中，所述质量块12叠合在悬臂梁11的自由端和横梁2上。悬梁臂11上设有压电层，组成如图2所示。

实施例3的仿真结果图15所示。

实施例4

在本实施例中，所述悬臂梁11均呈三角形结构。如图7所示，其中一个悬臂结构的悬臂梁11为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂结构的呈三角形结构的悬臂梁11位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁11的自由端连接于一质量块12，而另一三角形结构的悬臂梁11的固定端的固定端连接于该质量块12，自由端则连接有另一质量块12。悬臂梁11的固定端连接于外框架101。悬梁臂11上设有压电层，组成如图2所示。

实施例4的仿真结果图如图16所示。

实施例5

在本实施例中，如图8所示，悬臂梁11呈三角形结构。悬臂梁11的自由端连接于方框形状的质量块12，所述质量块12内连接于三角形结构的悬臂梁11的固定端，该悬臂梁11的自由端连接有质量块12。所述质量块12相当于横梁耦合了两个悬臂梁11。位于方框形状的质量块12外的悬臂梁11的固定端连接于外框架101。悬梁臂11上设有压电层，组成如图2所示。

实施例5的仿真结果如图17所示。

实施例4和实施5的结构属于悬臂梁串联式连接方式，两悬臂梁不直接连接，第二级悬臂梁固定在第一级质量块上（类似电路中电阻串联形式），且每一悬臂梁上都有压电功能薄膜材料将振动能转为电能。

实施例6

如图9所示，每个悬臂梁结构11之间并联，每个悬臂梁结构11的质量块12连接于所述悬臂梁11的自由端并且每个悬臂梁11的自由端通过弹簧5连接，考虑到两悬臂梁必须弹性连接才能实现拓频效果，所述弹簧的弹性系数必须比每个悬臂梁的弹性系数小。通过控制悬臂梁上质量块的尺寸大小不同，使得两悬臂梁的固有谐振频率不同。压电层4设于悬臂梁11的表面，组成如图2所示。悬臂梁11的固定端连接于外框架101。进一步地，所述弹簧5形状为S形弯曲状。

实施例7

本实施例的结构和实施例6的结构基本相同，但是所述弹簧5形状为矩形框架状，如图10所示。

实施例8

如图11所示，每个悬臂梁结构之间通过弹簧5并联，且每个悬臂梁结构的质量块12均设于悬臂梁11的中部，所述弹簧5的两端分别连接于所耦合的两个悬臂梁结构的悬臂梁11的中部；所述压电层4布满所述悬臂梁的表面（组成如图2所示）；所述弹簧5的弹性系数小于所述悬臂梁11的弹性系数。悬臂梁11的固定端连接于外框架101。进一步地，所述弹簧为S形弯曲状或矩形框架状（本实施例中为S形弯曲状）。

实施例8的仿真结果图18所示。

实施例9

本实施例与实施例8的结构基本相同，区别主要在于并联的悬臂梁结构有三个，如图12所示。

实施例9的仿真结果图19所示。

实施例10

所有的悬臂梁结构1组成一个阵列，每个悬臂梁结构1之间通过梁6连接。如图13所示。

实施例10的仿真结果图20所示。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级耦合结构的振动能量收集器，包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；其特征在于，所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合。

2.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，每个悬梁结构上的悬梁臂通过横梁相耦合，所述横梁连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块。

3.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，每个悬梁结构上的悬梁臂通过横梁相耦合，所述横梁的还连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块；每个悬臂梁结构的悬臂梁连接于同一质量块，该质量块还连接于所述横梁。

4.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，其中一个悬臂结构的悬臂梁为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂结构的呈三角形结构的悬臂梁位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁的自由端连接于一质量块，而另一三角形结构的悬臂梁的固定端的固定端连接于该质量块，自由端则连接有另一质量块。

5.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，悬臂梁呈三角形结构，其中一个悬臂梁的自由端连接于方框形状的质量块，所述方框形状的质量块内连接于另一三角形结构的悬臂梁的固定端，该悬臂梁的自由端连接有质量块。

6.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，每个悬臂梁结构之间并联，每个悬臂梁结构的质量块连接于所述悬臂梁的自由端并且每个悬臂梁的自由端通过弹簧连接，所述弹簧的弹性系数比每个悬臂梁的弹性系数小，且谐振频率不同。

7.根据权利要求6所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，所述弹簧形状为S形弯曲状或者矩形框架状。

8.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，每个悬臂梁结构之间通过弹簧并联，且每个悬臂梁结构的质量块均设于悬臂梁的中部，所述弹簧的两端分别连接于所耦合的两个悬臂梁结构的悬臂梁的中部；所述压电层布满所述悬臂梁的表面；所述弹簧的弹性系数小于所述悬臂梁的弹性系数。

9.根据权利要求8所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，所述弹簧为S形弯曲状或者矩形框架状。

10.根据权利要求1所述的多级耦合结构的振动能量收集器，其特征在于，所有的悬臂梁结构组成一个阵列，每个悬臂梁结构之间通过梁连接。