一種基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及折疊式發(fā)電技術(shù)，具體涉及一種基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微電源是MEMS技術(shù)最重要的研究方向之一，是近年來世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。我們針對(duì)某些分布式系統(tǒng)、無線通信、交通、航空航天、戰(zhàn)地偵查、靈巧炸彈等對(duì)微能源的迫切需求，研究設(shè)計(jì)一種在理論上可以無限期使用的將外界環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的折疊式駐極體微型發(fā)電機(jī)，具有重要的理論意義和迫切的應(yīng)用需求。
[0003]傳統(tǒng)的能源供應(yīng)裝置逐漸不能滿足MEMS技術(shù)發(fā)展的需求，很難為各種微型便攜式微系統(tǒng)裝置或自主式微系統(tǒng)提供能量，而機(jī)械能是環(huán)境里最為廣泛的能源之一，折疊式發(fā)電機(jī)通過拾振裝置將外部的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，可以應(yīng)用于某些存在微振動(dòng)的環(huán)境中。近年來科學(xué)工作者開展了對(duì)基于將外界環(huán)境振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的微型發(fā)電機(jī)探索研究，研究表明在無法實(shí)現(xiàn)電池充電或燃料更換等使用條件受限的情況下，這種折疊式微型發(fā)電機(jī)具有巨大的應(yīng)用前景。微型折疊式發(fā)電機(jī)是利用電磁、靜電、壓電等效應(yīng)，通過拾振裝置將外部的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能。折疊式微型發(fā)電機(jī)按原理的不同分為電磁式、靜電式和壓電式等?；贛EMS技術(shù)的微能源已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。已有的微型折疊式發(fā)電機(jī)多為剛性材料，不可折疊，且材料不易得，本設(shè)計(jì)所得的駐極體折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)具有柔性可折疊和材料易得的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上現(xiàn)有發(fā)電方法在MEMS領(lǐng)域中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法，將生活中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)。
[0006]本發(fā)明的基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)包括:基底、金屬極板、駐極體層和電源管理電路；其中，基底采用柔性絕緣有機(jī)材料；在基底上沿直線均勻分布有2N塊金屬極板；在每一塊金屬極板上粘接有一層駐極體層；所有第(2i_l)駐極體層上分布有同種電荷，所有第2i駐極體層上分布有與所有第(2i_l)駐極體層相異的電荷；所有第(2i_l)金屬極板通過一根導(dǎo)線串聯(lián)，所有第2i金屬極板通過另一根導(dǎo)線串聯(lián)，分別連接至電源管理電路的兩端；在基底上，每相鄰的兩塊金屬極板之間具有折痕，沿折痕將基底折疊成截面的形狀為三角波或者梯形波；從而，第(2i_l)駐極體層與第2i駐極體層，與原基底所在的平面具有傾斜角，二者相對(duì)且不互相接觸，分別具有異性的電荷，由于電荷感應(yīng)，緊貼駐極體層下的第(21-l)金屬極板與第2i金屬極板分別產(chǎn)生異性的感應(yīng)電荷，形成電容；當(dāng)發(fā)生振動(dòng)，折疊的基底進(jìn)行周期性的拉伸和壓縮，相對(duì)的第(2i_l)金屬極板與第2i金屬極板之間的傾斜角發(fā)生變化，從而二者的正對(duì)面積發(fā)生周期性變化，形成電容值周期性的改變；相對(duì)的金屬極板之間的感應(yīng)電荷發(fā)生周期性變化，進(jìn)而在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)的交變電流；導(dǎo)線將交變的電流傳輸至電源管理電路，將交變的電流轉(zhuǎn)化為直流并儲(chǔ)存起來；其中，N和i均為自然數(shù)，且 i G {1、......、N}。
[0007]駐極體的材料采用派瑞林(Parylene)、特氟龍(Teflon)和二氧化娃等駐極體材料中的一種。
[0008]電源管理電路包括橋式整流電路、匹配電阻、電能存儲(chǔ)單元、變電器和輸出端口 ；其中，所有第(2i_l)金屬極板與所有第2i金屬極板分別通過導(dǎo)線電學(xué)連接在橋式整流電路的兩端；橋式整流電路與后端的匹配電阻、電能存儲(chǔ)單元和變電器在電學(xué)上并聯(lián)；輸出端口包括電源線和地線，分別連接至外部接口。
[0009]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電方法。
[0010]本發(fā)明的基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電方法，包括以下步驟:
[0011]1)在柔性的基底上沿直線均勻分布2N塊金屬極板，在每一塊金屬極板上粘接一層駐極體層，其中，N為自然數(shù)；
[0012]2)將所有第(2i_l)駐極體層充上同種電荷，所有第2i駐極體層充上與所有第(2?-1)駐極體層相異的電荷，其中，i為自然數(shù)，且i e {1、……、N};
[0013]3)所有第(2i_l)金屬極板通過一根導(dǎo)線串聯(lián)，所有第2i金屬極板通過另一根導(dǎo)線串聯(lián)，分別連接至電源管理電路的兩端；
[0014]4)沿基底上相鄰的兩塊金屬極板之間的折痕，將基底折疊成截面的形狀為三角波或者梯形波，第(2i_l)駐極體層與第2i駐極體層，與原基底所在的平面具有傾斜角，從而二者相對(duì)且不互相接觸，分別具有異性的電荷，由于電荷感應(yīng)，緊貼駐極體層下的第(2i_l)金屬極板與第2i金屬極板分別產(chǎn)生異性的感應(yīng)電荷，形成電容；
[0015]5)當(dāng)發(fā)生振動(dòng)，折疊的基底進(jìn)行周期性的拉伸和壓縮，相對(duì)的第(2i_l)金屬極板與第2i金屬極板的傾斜角發(fā)生變化，從而二者之間的正對(duì)面積發(fā)生周期性變化，形成電容值周期性的改變；
[0016]6)相對(duì)的金屬極板之間的感應(yīng)電荷發(fā)生周期性變化，進(jìn)而在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)的交變電流；
[0017]導(dǎo)線將交變的電流傳輸至電源管理電路，將交變的電流轉(zhuǎn)化為直流并儲(chǔ)存起來。
[0018]其中，在步驟2)中，對(duì)駐極體層的充電方法采用電暈充電，或者紫外線充電，或者α射線、β射線、γ射線的充電手段；充電時(shí)施加的偏置電壓絕對(duì)值超過300伏。
[0019]在步驟6)中，所有第(2i_l)金屬極板與所有第2i金屬極板分別通過導(dǎo)線電學(xué)連接在橋式整流電路的兩端；橋式整流電路將感應(yīng)的交變電流轉(zhuǎn)化為直流，繼而在匹配電阻形成直流電壓并存儲(chǔ)在電能存儲(chǔ)單元上，在需要供能時(shí)通過外部接口向外部傳感器供電。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0021]本發(fā)明采用在柔性的基底上相對(duì)的面設(shè)置金屬極板，并且在相鄰且相對(duì)的金屬極板上設(shè)置相反電性的駐極體層，從而相鄰的金屬極板間產(chǎn)生感應(yīng)電荷并形成電容；基底折疊時(shí)，相鄰的金屬極板間的正對(duì)面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變，金屬極板間的感應(yīng)電荷因此發(fā)生周期性變化，向電源管理電路輸出交變的電流；本發(fā)明在目前微風(fēng)力MEMS發(fā)電技術(shù)中展現(xiàn)高發(fā)電密度的特性，同時(shí)具有尺寸和體積小、輕質(zhì)、高集成度等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的各類無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電，如便捷式可穿戴設(shè)備、無人值守的無線智能系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)的基板未折疊的示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為正視圖;
[0023]圖2為本發(fā)明的基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)的基板折疊后的正視圖，其中，
(a)為兩塊金屬極板之間具有兩條折痕形成的梯形波，(b)為兩塊金屬極板之間具有一條折痕形成的三角波；
[0024]圖3為本發(fā)明的基于駐極體的折疊式振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0026]如圖1所示，本實(shí)施例本發(fā)