線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及了一種線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，它包括壓電懸臂梁和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊粘結(jié)在壓電懸臂梁自由端，還包括N階扁平長(zhǎng)方體形的傳動(dòng)梁，N為等于或大于2的自然數(shù)；第一階傳動(dòng)梁的兩端固定，第二階傳動(dòng)梁的前端垂直粘結(jié)在第一階傳動(dòng)梁表面中心處；N=2時(shí)，第二階傳動(dòng)梁的末端與壓電懸臂梁垂直粘結(jié)固定；N＞2時(shí)，第二階傳動(dòng)梁以及其它更高階傳動(dòng)梁相互垂直并依次首尾粘接固定，第N階傳動(dòng)梁的末端與壓電懸臂梁垂直粘結(jié)固定。本發(fā)明可以在100Hz以下的超低頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較寬頻帶的振動(dòng)能量采集，增加了能量可采集范圍，提高了環(huán)境振動(dòng)能量利用率，有效解決了環(huán)境振動(dòng)能量的低頻采集問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】的環(huán)境能量采集裝置，具體而言，是一種振動(dòng)能量采集器的拾振結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子器件的體積和功耗不斷降低，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域的微型化趨勢(shì)日益明晰，并廣泛應(yīng)用于人體健康檢測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、軍事安全應(yīng)用系統(tǒng)和野外跟蹤等方面。然而，對(duì)于應(yīng)用在生物體內(nèi)、野外環(huán)境等特殊領(lǐng)域的無(wú)線傳感器件的電能供給而言，傳統(tǒng)的能源供給方式如電池和電力線等存在一些固有的供能缺陷:質(zhì)量大、體積大、供能壽命有限，能量耗盡需要重復(fù)充電等；新型核電池體積小、供電壽命長(zhǎng)，但具有一定放射性，需要特殊防護(hù)措施，尚未獲得廣泛應(yīng)用。在這種背景下，基于MEMS技術(shù)的環(huán)境能量采集器已成為特殊環(huán)境中微納器件能量供給研究的熱點(diǎn)。
[0003]“能量采集”實(shí)際上特指將其他形式的能量采集、轉(zhuǎn)換為電能。環(huán)境中能量采集的來(lái)源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、噪聲、溫度梯度等多種能源。其中振動(dòng)機(jī)械能是一種較普遍的能源形式，廣泛存在于車輛、樓宇、飛行器、橋梁、機(jī)電設(shè)備等各種生產(chǎn)和生活設(shè)備，也存在于人體的血液循環(huán)、肢體活動(dòng)以及心臟跳動(dòng)等生命過(guò)程中。因此機(jī)械振動(dòng)能量采集將在特殊環(huán)境中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、低能耗設(shè)備等應(yīng)用方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景。其中壓電式振動(dòng)能量采集方式具有能量密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于微型化的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。
[0004]在目前報(bào)導(dǎo)的相關(guān)科研進(jìn)展中，基于MEMS技術(shù)的壓電能量采集器雖然實(shí)現(xiàn)了微型化的目標(biāo)，卻往往存在固有頻率過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)日常環(huán)境中低頻振動(dòng)能量的采集和轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。研究和設(shè)計(jì)能夠采集低頻振動(dòng)(頻率小于100Hz)能量的壓電型微能量采集器已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。
[0005]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn):弗吉尼亞理工大學(xué)的AlErturk等于2009年設(shè)計(jì)了一種L型懸臂梁結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的直線型懸臂梁結(jié)構(gòu)的一二階固有頻率至少相差六倍，而該結(jié)構(gòu)的前兩階固有頻率之間只相差一倍。通過(guò)調(diào)節(jié)懸臂梁的參數(shù)，可以使其一階固有頻率與周圍環(huán)境振動(dòng)的主頻率相同，若環(huán)境振動(dòng)頻率稍稍變大，L型懸臂梁即會(huì)發(fā)生2B1內(nèi)共振模式，振動(dòng)能量在一、二階模態(tài)之間傳遞，其振幅甚至比共振振幅要大，輸出電能也會(huì)更大。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Min-HoSeo等于2012年提出應(yīng)用彈性材料降低頻率的方法。該采集器應(yīng)用了彈性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)，該材料楊氏模量小，彈性好。通過(guò)將附有質(zhì)量塊的單懸臂梁粘結(jié)固定在PDMS主梁上，主梁振動(dòng)從而帶動(dòng)懸臂梁的振動(dòng)，使得一、二階模態(tài)諧振頻率降低、頻帶拓寬，但是這種結(jié)構(gòu)有效頻帶間距過(guò)大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的環(huán)境振動(dòng)頻率低、帶寬覆蓋范圍大的現(xiàn)象，本發(fā)明提供一種線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，使得采集器能夠在低頻環(huán)境下實(shí)現(xiàn)較大的功率輸出，并解決傳統(tǒng)壓電器件工作頻帶較窄的問(wèn)題。
[0007]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，包括壓電懸臂梁和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊粘結(jié)在壓電懸臂梁自由端，還包括N階扁平長(zhǎng)方體形的傳動(dòng)梁，N為等于或大于2的自然數(shù)；第一階傳動(dòng)梁的兩端固定，第二階傳動(dòng)梁的前端垂直粘結(jié)在第一階傳動(dòng)梁表面中心處；N=2時(shí)，第二階傳動(dòng)梁的末端與壓電懸臂梁垂直粘結(jié)固定；N > 2時(shí)，第二階傳動(dòng)梁以及其它更高階傳動(dòng)梁相互垂直并依次首尾粘接固定，第N階傳動(dòng)梁的末端與壓電懸臂梁垂直粘結(jié)固定。
[0009]本發(fā)明的工作原理為:當(dāng)把本發(fā)明置于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，在外界振動(dòng)的激勵(lì)下，第一階傳動(dòng)梁的固定端振動(dòng)并帶動(dòng)第二階傳動(dòng)梁振動(dòng)。僅有兩階傳動(dòng)梁時(shí)，第二階傳動(dòng)梁帶動(dòng)壓電懸臂梁一起振動(dòng)；有多于兩階的振動(dòng)梁時(shí)，第二階振動(dòng)梁帶動(dòng)其他更高階的振動(dòng)梁振動(dòng)，最高階(第N階)帶動(dòng)壓電懸臂梁一起振動(dòng)，壓電懸臂梁通過(guò)在振動(dòng)中發(fā)生形變將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
[0010]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在各階傳動(dòng)梁中，第一階傳動(dòng)梁采用低楊氏模量、高結(jié)構(gòu)彈性的高分子材料，如PDMS、橡膠等；考慮到整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐問(wèn)題，即如果傳動(dòng)梁的柔性較大，首尾相接的懸臂梁結(jié)構(gòu)在不承受外部激勵(lì)的情況下，就會(huì)產(chǎn)生很大的撓度，因此第二階以及更高階的傳動(dòng)梁采用比第一階傳動(dòng)梁材料楊氏模量較高的材料。
[0011]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，各階傳動(dòng)梁的尺寸可以相等或不等。
[0012]壓電懸臂梁包括基板和壓電層，其中，基板選用彈性模量(70_170GPa)小且強(qiáng)度大，能承受較大形變的材料，優(yōu)選的是鋁、磷青銅或單晶硅；壓電層選用壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高的壓電材料，優(yōu)選的是PVDF、PZT或ZnO。
[0013]質(zhì)量塊選用密度較大、廉價(jià)、易加工的金屬材料，優(yōu)選使用鐵或鎳。
[0014]為了定量的分析結(jié)構(gòu)的可行性以及結(jié)論的正確性，將傳統(tǒng)懸臂梁、一階和二階傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等效為線性單自由度、線性二階自由度和線性三階自由度的彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(圖1所示)，其中k1、k2、k3分別為一階傳動(dòng)梁、二階傳動(dòng)梁和傳統(tǒng)懸臂梁的彈性系數(shù)，
分別為一階傳動(dòng)梁、二階傳動(dòng)梁和傳統(tǒng)懸臂梁的有效質(zhì)量。
[0015]討論η階自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)微分方程的固有頻率，不考慮阻尼與外力，其振動(dòng)微分方程為:
[0016]Mx + Kx = O⑴
[0017]式中:Μ為質(zhì)量矩陣、K為剛度矩陣、X為位移列向量。
[0018]根據(jù)微分方程組和模態(tài)分析理論，此方程有以下特解
[0019]Xj = AjSin (ω t+ Θ ) (2)
[0020]此特解表示系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)偏離平衡值時(shí)均以同一頻率ω和同一初相角Θ作不同振幅的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。寫成矩陣形式為
[0021]X = Asin (ω t+ Θ ) (3)
[0022]對(duì)于單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)阻尼系統(tǒng)的固有頻率為
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，包括壓電懸臂梁(I)和質(zhì)量塊(2)，質(zhì)量塊(2)粘結(jié)在壓電懸臂梁(I)自由端，其特征在于:還包括N階扁平長(zhǎng)方體形的傳動(dòng)梁，N為等于或大于2的自然數(shù)；第一階傳動(dòng)梁(3)的兩端固定，第二階傳動(dòng)梁(4)的前端垂直粘結(jié)在第一階傳動(dòng)梁(3)表面中心處；N=2時(shí)，第二階傳動(dòng)梁(4)的末端與壓電懸臂梁(I)垂直粘結(jié)固定；N > 2時(shí)，第二階傳動(dòng)梁(4)以及其它更高階傳動(dòng)梁相互垂直并依次首尾粘接固定，第N階傳動(dòng)梁的末端與壓電懸臂梁(I)垂直粘結(jié)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，其特征在于:在各階傳動(dòng)梁中，第二階以及更高階的傳動(dòng)梁采用比第一階傳動(dòng)梁材料楊氏模量較高的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，其特征在于:各階傳動(dòng)梁的尺寸可以相等或不等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，其特征在于:壓電懸臂梁(I)包括基板(5)和壓電層(6)，其中，基板(5)選用鋁、磷青銅或單晶硅；壓電層(6)選用PVDF、PZT或ZnO。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，其特征在于:質(zhì)量塊(2)選用鐵或鎳。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線性多自由度低頻振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，其特征在于:質(zhì)量塊(2)選用鐵或鎳。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103872946SQ201410119050
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】李朋偉, 王艷芬, 胡杰, 李剛, 劉穎, 桑勝波, 張文棟 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)