專利名稱：一種基于壓電材料的發(fā)電地板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電地板，具體說，是涉及一種基于壓電單晶材料制作的可收集人踩踏、步行、跳躍以及各種車輛行駛產(chǎn)生的機械能并將其轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電地板，屬于新型能源器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境是21世紀(jì)人類所關(guān)注的最重要的兩大主題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤、石油等化石能源資源因不斷消耗而日益減少，世界各國都在大力發(fā)展各種可再生能源，希望能夠?qū)h(huán)境中可以回收利用的能量進行收集和轉(zhuǎn)換。壓電能量收集器就是實現(xiàn)這一功能的一種器件，它是通過壓電材料的壓電效應(yīng)，將環(huán)境中的各種振動能收集轉(zhuǎn)換為電能。壓電能量收集器具有機電轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于滿足集成化要求、無需外加偏置等特點，并且不產(chǎn)生噪聲，不受電磁干擾，所以壓電能量收集器受到了越來越多的關(guān)注。Cymbal (鐃鈸)結(jié)構(gòu)的換能器「參考文獻(I)Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics,1996, (ISAF' 96.), 1 (1996)，213-216 ； (2) Ferroelectrics, 273 (2002)，315-320.]是由中間的壓電圓盤和上下兩面上各一個鐃鈸形的金屬帽粘結(jié)而成；Moonie (彎月)結(jié)構(gòu)「參考文獻(1) IEEE 1993 Ultrasonics Symposium,509-513 ； (2)Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 6 (1995)，447-455.]與Cymbal (鐃鈸)結(jié)構(gòu)相似，只是金屬帽為Moonie形狀； 當(dāng)受到豎直方向的壓力時，金屬帽會將部分豎直方向的力傳遞給壓電片并轉(zhuǎn)變成水平方向的力，壓電片即會受到拉伸作用而發(fā)生形變，從而誘導(dǎo)出電荷。該結(jié)構(gòu)可以使材料的壓電常數(shù)得以有效的放大。以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(化學(xué)組成為(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3,簡稱為PMNT) 壓電單晶為代表的高性能壓電材料在準(zhǔn)同型相界附近具有非常優(yōu)異的壓電和機電耦合性能，d33，d31 > 2000pC/N, k33，k31 > 90%，這些性能都遠遠高于常用的壓電陶瓷材料。國內(nèi)已經(jīng)采用改進的Bridgman方法成功地實現(xiàn)了高質(zhì)量大尺寸PMNT單晶的批量生產(chǎn)(ZL專利號99113472. 9)，為新型壓電單晶在能量收集器上的應(yīng)用提供了材料上的保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于壓電單晶材料制作的可收集人踩踏、步行、跳躍以及各種車輛行駛產(chǎn)生的機械能并將其轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電地板，為本領(lǐng)域增添一種新型壓電能量收集器件。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下—種基于壓電材料的發(fā)電地板，包括底座和蓋板，其底座上粘結(jié)有若干用作電極的金屬條，每根金屬條上等間距的設(shè)有若干結(jié)構(gòu)基元；所述金屬條之間通過導(dǎo)線相連接； 所述底座上金屬條之間的間隔處粘結(jié)有用于限制結(jié)構(gòu)基元形變量的安全墊片；所述蓋板上與底座的結(jié)構(gòu)基元相接觸的位置粘結(jié)有若干金屬條，金屬條之間通過導(dǎo)線相連接；所述結(jié)構(gòu)基元由壓電片和金屬帽粘結(jié)而成；所述底座的四角粘結(jié)有固定帽，蓋板的四角粘結(jié)有與固定帽相適配的固定栓。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其結(jié)構(gòu)基元采用鐃鈸(Cymbal)結(jié)構(gòu)或彎月(Moonie)結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其壓電片采用壓電陶瓷材料或壓電單晶材料或復(fù)合壓電材料。所述壓電單晶材料優(yōu)選PMNT單晶材料，進一步優(yōu)選取向為<001>或<110>的PMNT 單晶材料。所述PMNT單晶材料的組成通式為(I-X) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3,最優(yōu)組分為 0. 20 彡 χ 彡 0. 40。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其壓電片為壓電陶瓷材料時，結(jié)構(gòu)基元采用圓形。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其壓電片為壓電單晶材料時，結(jié)構(gòu)基元采用矩形。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其底座和蓋板采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS或有機玻璃等聚合物材料或膠木等木質(zhì)材料。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其結(jié)構(gòu)基元所使用的金屬帽采用錳鋼、不銹鋼、鎢鋼、鈹銅、磷青銅、紫銅或其它彈性較好的金屬或合金材料。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其安全墊片采用鋼材制成。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其固定帽和固定栓采用金屬或塑料制成，固定栓的外徑與固定帽的內(nèi)徑相匹配。作為優(yōu)選方案，上述基于壓電材料的發(fā)電地板，其金屬條可采用銅、鋁或其他金屬制成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于壓電材料，尤其是基于高性能壓電單晶材料制作的壓電發(fā)電地板可對施加于其上的力學(xué)激勵產(chǎn)生較大的電學(xué)輸出，響應(yīng)時間快，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，造價便宜，可被廣泛用于收集人踩踏、步行、跳躍以及各種車輛行駛產(chǎn)生的機械能， 并可將收集的機械能轉(zhuǎn)換成電能用于傳感器等器件的自助供電，因此，本發(fā)明提供的發(fā)電地板與傳感器結(jié)合，在醫(yī)療檢測、射頻識別、飛機橋梁檢測及各種環(huán)境監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明所述的發(fā)電地板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例1提供的發(fā)電地板的底座結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例1提供的發(fā)電地板的結(jié)構(gòu)基元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述的發(fā)電地板中的蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明所述的發(fā)電地板中的固定帽和固定栓的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明所述的發(fā)電地板中的安全墊片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為實施例2提供的發(fā)電地板的底座結(jié)構(gòu)示意圖；CN 102409833 A
說明書
3/3頁圖8為實施例2提供的發(fā)電地板的結(jié)構(gòu)基元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、固定帽；2、安全墊片；3、金屬條；4、結(jié)構(gòu)基元；5、導(dǎo)線；6、底座；7、固定栓；8、蓋板；9、壓電片；10、金屬帽。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)地說明實施例1如圖1至圖6所示本發(fā)明提供的一種基于壓電材料的發(fā)電地板，包括底座6和蓋板8，其底座6上粘結(jié)有若干用作電極的金屬條3，每根金屬條3上等間距的設(shè)有若干結(jié)構(gòu)基元4 ；所述金屬條3之間通過導(dǎo)線5相連接；所述底座6上金屬條3之間的間隔處粘結(jié)有用于限制結(jié)構(gòu)基元4形變量的安全墊片2 ；所述蓋板8上與底座6的結(jié)構(gòu)基元4相接觸的位置粘結(jié)有若干金屬條3，金屬條3之間通過導(dǎo)線5相連接；所述結(jié)構(gòu)基元4由壓電片9和金屬帽10粘結(jié)而成；所述底座6的四角粘結(jié)有固定帽1，蓋板8的四角粘結(jié)有與固定帽1相適配的固定栓7。結(jié)構(gòu)基元4采用Cymbal結(jié)構(gòu)。壓電片9可采用壓電陶瓷材料或壓電單晶材料或復(fù)合壓電材料。結(jié)構(gòu)基元4采用矩形。底座6和蓋板8可采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS或有機玻璃等聚合物材料或膠木等木質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)基元4所使用的金屬帽10可采用錳鋼、不銹鋼、鎢鋼、鈹銅、磷青銅、紫銅或其它彈性較好的金屬或合金材料。 安全墊片2推薦采用鋼材制成。固定帽1和固定栓7可采用金屬或塑料制成，固定栓7的外徑與固定帽1的內(nèi)徑相匹配。金屬條3可采用銅質(zhì)、鋁質(zhì)或其它金屬材質(zhì)制成。壓電片 9優(yōu)選PMNT單晶材料，進一步優(yōu)選取向為<001>或<110>，組成通式(l_x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3中的0. 20彡χ彡0. 40的PMNT單晶材料。金屬帽10采用線切割或模具沖壓的方法加工出來。在底座6上，將薄銅片3、安全墊片2、固定帽1和結(jié)構(gòu)基元4整齊地粘結(jié)在合適的位置，用導(dǎo)線5將3條薄銅片連接起來；在蓋板8上，將固定栓7和薄銅片3粘結(jié)在合適的位置，用導(dǎo)線5將3條薄銅片連接起來；將蓋板8蓋在底座6上，即獲得了本發(fā)明所述的發(fā)電地板。實施例2本實施例與實施例1中相同的部分不再贅述，區(qū)別僅在于其壓電片9為陶瓷材料，結(jié)構(gòu)基元采用圓形，詳見圖7所示的底座結(jié)構(gòu)示意圖；結(jié)構(gòu)基元4采用Moonie結(jié)構(gòu)，如圖8所示。由于本發(fā)明基于壓電材料，尤其是基于高性能壓電單晶材料制作的發(fā)電地板可對施加于其上的力學(xué)激勵產(chǎn)生較大的電學(xué)輸出，響應(yīng)時間快，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，造價便宜， 可被廣泛用于收集人踩踏、步行、跳躍以及各種車輛行駛產(chǎn)生的機械能，并可將收集的機械能轉(zhuǎn)換成電能用于傳感器等器件的自助供電，因此，本發(fā)明提供的發(fā)電地板與傳感器結(jié)合， 在醫(yī)療檢測、射頻識別、飛機橋梁檢測及各種環(huán)境監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例僅是用來闡明本發(fā)明的設(shè)計思路及方案的目的， 而并非用作對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電材料的發(fā)電地板，包括底座和蓋板，其特征在于所述底座上粘結(jié)有若干用作電極的金屬條，每根金屬條上等間距的設(shè)有若干結(jié)構(gòu)基元；所述金屬條之間通過導(dǎo)線相連接；所述底座上金屬條之間的間隔處粘結(jié)有用于限制結(jié)構(gòu)基元形變量的安全墊片；所述蓋板上與底座的結(jié)構(gòu)基元相接觸的位置粘結(jié)有若干金屬條，金屬條之間通過導(dǎo)線相連接；所述結(jié)構(gòu)基元由壓電片和金屬帽粘結(jié)而成；所述底座的四角粘結(jié)有固定帽，蓋板的四角粘結(jié)有與固定帽相適配的固定栓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述結(jié)構(gòu)基元采用鐃鈸(Cymbal)結(jié)構(gòu)或彎月(Moonie)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述壓電片采用壓電陶瓷材料或壓電單晶材料或復(fù)合壓電材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述壓電片為壓電陶瓷材料時，結(jié)構(gòu)基元采用圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述壓電片為壓電單晶材料時，結(jié)構(gòu)基元采用矩形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述壓電單晶材料為PMNT單晶材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述壓電單晶材料為PMNT單晶材料，取向為<001>或<110>。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述壓電單晶材料為P麗T單晶材料，組成通式為(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3，其中0. 20彡χ彡0. 40。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述底座和蓋板采用聚合物材料或木質(zhì)材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述聚合物材料是指聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS或有機玻璃；所述木質(zhì)材料是指膠木。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述金屬帽采用錳鋼、不銹鋼、鎢鋼、鈹銅、磷青銅或紫銅。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述安全墊片采用鋼材制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述的固定帽和固定栓采用金屬或塑料制成，固定栓的外徑與固定帽的內(nèi)徑相匹配。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的發(fā)電地板，其特征在于所述金屬條采用銅或鋁制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓電材料的發(fā)電地板，包括底座和蓋板，所述底座上粘結(jié)有若干用作電極的金屬條，每根金屬條上等間距的設(shè)有若干結(jié)構(gòu)基元；所述金屬條之間通過導(dǎo)線相連接；所述底座上金屬條之間的間隔處粘結(jié)有用于限制結(jié)構(gòu)基元形變量的安全墊片；所述蓋板上與底座的結(jié)構(gòu)基元相接觸的位置粘結(jié)有若干金屬條，金屬條之間通過導(dǎo)線相連接；所述結(jié)構(gòu)基元由壓電片和金屬帽粘結(jié)而成；所述底座的四角粘結(jié)有固定帽，蓋板的四角粘結(jié)有與固定帽相適配的固定栓。本發(fā)明的發(fā)電地板用于收集人踩踏、步行、跳躍以及各種車輛行駛產(chǎn)生的機械能，并可將收集的機械能轉(zhuǎn)換成電能用于傳感器等器件的自助供電，且結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，造價便宜，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號E04F15/02GK102409833SQ20111027960
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者任博, 徐海清, 李曉兵, 林迪, 梁柱, 狄文寧, 王東, 王升, 羅豪甦, 許春東, 趙祥永 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所