專利名稱：寬頻微型電磁式振動能量采集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)技術領域的能量采集器，具體是一種寬頻微型電磁式振動能量采集器。
背景技術：
隨著MEMS (微機電系統(tǒng))技術和無線傳感器等技術的迅速發(fā)展，與之相關的微能源技術變得越來越重要。目前的微能源一般有兩種電池和微型能量采集器。電池由于存儲能量有限、壽命短等缺陷極大的限制了其廣泛應用，因此克服了此致命缺陷的微型能量采集器越來越受到人們的重視。機械振動是自然界中廣泛存在的一種能量，因此振動能量采集器便應運而生。振動能量采集器能源源不斷地為系統(tǒng)提供能量，這就很好地解決了電池供電時間短的問題。 但振動能量采集器的輸出電壓比較低，采集頻率比較窄，這在很大程度上限制了其應用。因此提高采集器的輸出電壓和增大采集頻率寬度是亟待解決的關鍵問題。根據理論分析，振動能量采集器在外界振動頻率達到其共振頻率附近時，輸出電壓最大。經過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?00810042168. 3，名稱為基于升頻轉換的動圈式微機械電磁能量采集器，該發(fā)明提出了利用兩個振動頻率相差較大的拾振臺通過升頻來提高電壓輸出。該升頻設計雖能達到提高電壓輸出的目的，但并沒有解決能量采集器采集頻率窄的問題。Bin Yang 等在 J. Micromech. Microeng. 2009，(19) :035001 中利用的懸臂梁在 346Hz，948Hz和1145Hz三個振動模態(tài)設計了一種新型的多頻能量采集器，在Ig的加速度下 346Hz和948Hz獲得的電壓輸出分別約為0. 3mV和0. 03mV,而1145Hz振動模態(tài)的特殊振動方式導致該頻率下的電壓輸出更小。該設計的電壓輸出比較小，另外只是利用多振動模態(tài)設計的多頻能量采集器并沒有真正地克服能量采集器采集頻率窄的缺陷?，F(xiàn)有的電磁式能量采集器由于輸出電壓較低，頻寬比較窄，因此采集器轉換效率不高，應用受到很大的限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種寬頻微型電磁式振動能量采集器，能夠提高電壓輸出，增大應用頻寬，擴大使用范圍，提高轉換效率，易于批量化生產。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括依次由下而上固定連接的底座、 中頻振動臺、低頻振動臺、墊框、高頻振動臺和頂蓋。所述的底座為U形結構。所述的中頻振動臺包括第一線圈、中頻懸臂梁、第一引腳、第一焊盤和第二焊盤， 其中第一線圈固定在中頻懸臂梁上，中頻懸臂梁的一端處于自由狀態(tài)，第一引腳固定在第一線圈最內圈的端點處，第一焊盤和第二焊盤分別固定在中頻懸臂梁上，第一線圈從兩個焊盤引出。
所述的中頻懸臂梁包括第一方形平臺、第一懸臂梁腿和第二懸臂梁腿，其中懸臂梁腿的兩端分別與第一方形平臺和底座相連。

所述的低頻振動臺包括外框、彈簧連接組件和永磁體，其中彈簧連接組件固定在外框上，永磁體固定在彈簧連接組件上，位于線圈的正上方。所述的外框為硅質正方形環(huán)狀結構；所述的永磁體為立方體或圓柱體形狀。所述的彈簧連接組件包括第二方形平臺、平面彈簧和邊框，其中四根平面彈簧的兩端分別與位于中間位置的第二方形平臺的每個側邊并與邊框相連。所述的平面彈簧包括彈簧臂和特制環(huán)，特制環(huán)兩頭與彈簧臂連接；所述的特制環(huán)為橢圓環(huán)、圓環(huán)或S形環(huán)。所述的高頻振動臺包括第二線圈、高頻懸臂梁、第二引腳、第三焊盤和第四焊盤， 其中高頻懸臂梁的一端固定在墊框上，另一端處于自由狀態(tài)，第二線圈固定在高頻懸臂梁上，第二引腳固定在第二線圈最內圈的端點處，第三焊盤和第四焊盤固定在高頻懸臂梁上， 第二線圈從第三焊盤和第四焊盤引出。所述的第一引腳及第二引腳為方形柱或圓形柱。所述的頂蓋為倒U形結構。本發(fā)明是采用低頻、中頻和高頻振動臺的有效結合產生共振，當外界振源頻率較低時(150 250Hz)，低頻振動臺可產生共振，中頻和高頻振動臺基本處于靜止狀態(tài)，從而永磁體和線圈之間產生相對運動，根據法拉第電磁感應定律，線圈中會有感應電動勢產生； 當外界振源頻率高于低頻振動臺的起振頻率范圍時，外界振源頻率正好進入了中頻振動臺的起振頻率范圍(200 350Hz)，中頻振動臺可產生共振，低頻和高頻振動臺基本處于靜止狀態(tài)，永磁體和線圈之間再次產生相對運動，線圈中會再次產生感應電動勢；當外界頻率繼續(xù)升高到達高頻振動臺的起振頻率范圍時(320 450Hz)，低頻和中頻振動臺基本處于靜止狀態(tài)，永磁體和線圈之間再次產生相對運動，線圈中會再次產生感應電動勢。三者在外界振源的激勵下，均可以在各自的共振頻率附近產生共振，通過改變低頻振動臺平面彈簧的厚度、彈簧臂的寬度、橢圓環(huán)形狀或S形環(huán)和永磁體的大小等參數(shù)可改變低頻振動臺的共振頻率，通過改變中頻振動臺懸臂梁的厚度和兩腿的寬度等參數(shù)可改變中頻振動臺的共振頻率，通過改變高頻振動臺懸臂梁的厚度等參數(shù)可改變高頻振動臺的共振頻率，從而有效地擴大了采集器的頻率使用范圍，提高了能量采集效率，克服了單個振動臺采集頻率窄的缺點。另外，中頻和高頻振動臺懸臂梁采用單端固定方式來增大振幅，從而進一步提高了感應電動勢，其最大開路電壓達140mV。


圖1為本發(fā)明截面示意圖。圖2為中頻振動臺的俯視圖。圖3為中頻振動臺的懸臂梁的結構示意圖。圖4為低頻振動臺的截面示意圖。圖5為彈簧連接組件的結構示意圖。圖6為實施例橢圓環(huán)平面彈簧的結構示意圖。圖7為高頻振動臺的結構示意圖。
圖8為實施例S形環(huán)平面彈簧結構示意圖。
具體實施方式
b 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括底座1、中頻振動臺2、低頻振動臺3、墊框4、高頻振動臺5和頂蓋6，這些結構從下至上依次粘結成一個整體結構。所述的底座1為鋁制U形結構，縱向長度為7mm，截面U形寬度W1為7mm，邊棱厚度W2為0. 5mm,底部厚度Ii1為0. 5mm,兩條邊棱高度h2為1mm。如圖2、3所示，所述的中頻振動臺2包括第一線圈7、中頻懸臂梁8、第一引腳9、 第一焊盤10和第二焊盤11，其中第一線圈7固定在中頻懸臂梁8的方形平臺12上，第一引腳9固定在線圈7最內圈的端點處，第一引腳9與第一線圈7連接，第一焊盤10和第二焊盤11分別固定在中頻懸臂梁8的第一懸臂梁腿13、第二懸臂梁腿14上，線圈7從第一焊盤10和第二焊盤11引出。如圖3所示，所述的中頻懸臂梁8包括方形平臺12和第一懸臂梁腿13、第二懸臂梁腿14，其中懸臂梁腿13和14的兩端分別與方形平臺12和底座1的一條邊棱相連， 中頻懸臂梁8的一端為自由狀態(tài)。所述的方形平臺12為聚酰亞胺材料，邊長為4mm，厚度為100 μ m。。所述的懸臂梁腿13和14為聚酰亞胺材料，長度為3mm，寬度為1mm，厚度為 100 μ m0所述的線圈7是以銅為材料的兩層結構，兩層通過第一引腳9連接，厚度為5 μ m， 線寬為10 μ m，每匝之間的距離為10 μ m。所述的焊盤10和11邊長為0.5mm。所述的引腳9為100 μ mX 100 μ mX 10 μ m方形柱。如圖4所示，所述的低頻振動臺3包括外框15、彈簧連接組件16和永磁體17，其中彈簧連接組件16固定在外框15上，永磁體17固定在彈簧連接組件16的方形平臺18 上，位于線圈7的正上方。所述的外框15為硅質正方形環(huán)狀結構，內緣邊長為6mm，外緣邊長為7mm，厚度為 0. 5mm。所述的永磁體17為立方體形狀，其尺寸為2mmX2mmX 1mm。如圖5所示，所述的彈簧連接組件16包括方形平臺18、平面彈簧19和邊框20， 其中方形平臺18位于中間位置，方形平臺18的每邊通過平面彈簧19與邊框20連接。所述的彈簧連接組件16為鎳材料。所述的方形平臺邊長為2mm，厚度為20 μ m。所述的平面彈簧19包括彈簧臂21和的特制環(huán)22，其中特制環(huán)22兩頭與彈簧臂21連接；所述的平面彈簧19的線寬W3為0. 2mm,厚度為20 μ m。如圖6所示和圖8所示，所述的特制環(huán)22為橢圓環(huán)或S形環(huán)，其中橢圓環(huán)的內半長軸為0. 4mm，外半長軸為0. 6mm,內半短軸為0. 2mm，外半短軸為0. 4mm ；S形環(huán)的內半長軸為0. 4mm，外半長軸為0. 6mm,內半短軸為0. 2mm，外半短軸為0. 4mm。所述的邊框20是一個方形環(huán)結構，內緣邊長為6mm，外緣邊長為7mm，厚度為 20 μ m0如圖1所示，所述的墊框4為鋁制方形環(huán)狀結構，內緣邊長為6mm，外緣邊長為 7mm，厚度為 1. 5mmο

如圖7所示，所述的高頻振動臺5包括第二線圈23、高頻懸臂梁24、第二引腳25、 第三焊盤26和第四焊盤27，其中高頻懸臂梁24的一端固定在墊框4上，另一端處于自由狀態(tài)。線圈23固定在高頻懸臂梁24上，第二引腳25固定在線圈23最內圈的端點處，第三焊盤26和第四焊盤27固定在高頻懸臂梁24上，線圈23從第三焊盤26和第四焊盤27引
出ο所述的高頻懸臂梁24為聚酰亞胺材料，長度為7mm，寬度為4mm，厚度為100 μ m。所述的第二線圈23是以銅為材料的兩層結構，兩層通過第二引腳25連接，厚度為 10 μ m，線寬為10 μ m，每匝之間的距離為10 μ m。所述的第三焊盤26和第四焊盤27的邊長為0. 5mm。所述的第二引腳25為100 μ mX 100 μ mX 10 μ m方形柱。頂蓋6為鋁制倒U形結構，其縱向長度為7mm，截面U形寬度W4為7mm，邊棱厚度 W5為0. 5mm,頂部厚度h3為0. 5mm,兩條邊棱高度h4為1mm。
權利要求
1.一種寬頻微型電磁式振動能量采集器，包括依次由下而上固定連接的底座、中頻振動臺、低頻振動臺、墊框、高頻振動臺和頂蓋，其特征在于所述的中頻振動臺包括第一線圈、中頻懸臂梁、第一引腳、第一焊盤和第二焊盤，其中第一線圈固定在中頻懸臂梁上，中頻懸臂梁的一端為自由狀態(tài)，第一引腳固定在第一線圈最內圈的端點處，第一焊盤和第二焊盤分別固定在中頻懸臂梁上，第一線圈從兩個焊盤引出；所述的低頻振動臺包括外框、彈簧連接組件和永磁體，其中彈簧連接組件固定在外框上，永磁體固定在彈簧連接組件上，位于線圈的正上方；所述的高頻振動臺包括第二線圈、高頻懸臂梁、第二引腳、第三焊盤和第四焊盤，其中高頻懸臂梁的一端固定在墊框上，另一端處于自由狀態(tài)，第二線圈固定在高頻懸臂梁上，第二引腳固定在第二線圈最內圈的端點處，第三焊盤和第四焊盤固定在高頻懸臂梁上， 第二線圈從第三焊盤和第四焊盤引出。
2.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的底座為U 形結構。
3.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的中頻懸臂梁包括第一方形平臺、第一懸臂梁腿和第二懸臂梁腿，其中懸臂梁腿的兩端分別與第一方形平臺和底座相連。
4.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的第一引腳及第二引腳均為方形柱或圓形柱。
5.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的低頻振動臺中的外框為硅質正方形環(huán)狀結構；永磁體為立方體或圓柱體形狀。
6.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的彈簧連接組件包括第二方形平臺、平面彈簧和邊框，其中四根平面彈簧的兩端分別與位于中間位置的第二方形平臺的每個側邊以及邊框相連。
7.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的平面彈簧包括彈簧臂和特制環(huán)，特制環(huán)兩頭與彈簧臂連接。
8.根據權利要求7所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的特制環(huán)為橢圓環(huán)、圓環(huán)或S形環(huán)。
9.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的高頻振動臺包括懸臂梁和線圈，其中懸臂梁的一端與墊框相連，懸臂梁的另一端為自由狀態(tài)。
10.根據權利要求1所述的寬頻微型電磁式振動能量采集器，其特征是，所述的頂蓋為倒U形結構。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)技術領域的寬頻微型電磁式振動能量采集器，依次由下而上固定連接的底座、中頻振動臺、低頻振動臺、墊框、高頻振動臺和頂蓋，中頻振動臺包括第一線圈、中頻懸臂梁、第一引腳、第一焊盤和第二焊盤；低頻振動臺包括外框、彈簧連接組件和永磁體；高頻振動臺包括第二線圈、高頻懸臂梁、第二引腳、第三焊盤和第四焊盤。本發(fā)明能夠提高電壓輸出，增大應用頻寬，擴大使用范圍，提高轉換效率，易于批量化生產。
文檔編號H02K35/02GK102158039SQ20111004916
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權日2011年3月2日
發(fā)明者胡銳軍, 袁濤, 陳景東, 陳翔, 陳迪 申請人:上海交通大學