一种基于复合能量收集技术的指纹式解锁装置的制作方法

本实用新型涉及能量收集技术应用领域，具体涉及一种基于复合能量收集技术的指纹式解锁装置。

背景技术：

当今社会，不可再生能源逐渐枯竭和环境污染问题日益尖锐。寻求新能源和寻找新型高效的能量收集方法成为世界各国正在努力的方向。

自然界蕴含着巨大的能量，这些能量主要包括动能、光能、电磁能、热能等。能量收集技术就是将这些能量高效地收集起来并且转化为人类生活和生产所需的能量类型。能量收集技术的系统设计和应用方向已经成为一个重要的研究领域并且发展迅速。

针对于智能化社会的发展，微型部件或器件是能量收集技术的主要应用方向，也是物联网智能化社会发展的基石。在工业类和汽车类产品中，电源无处不在。本专利主要适用于一些极端的应用场景，这些场景是消费类产品的基本趋势，更大容量电池对于这些产品不是特别适用，甚至没有空间存放这个电池，更别说对电池进行快速充电。

微型能量收集器应用广泛，包括用于结构健康监测的分布式传感器节点、医疗的嵌入式或者植入式传感器节点、为大型系统的电池供电、为无人飞行器供电以及为家用安全系统供电等。这种情况下，可能会强调一些可穿戴式的、监控的传感器网络，这些应用难以获得持续供电，只能从周围环境或传感器获取能量。

除了完全使用能量收集系统来供给能量，产品还可以采用复合能量收集技术，将能量收集系统当作辅助能量供给设备。当主电源不可用时，能量采集系统有助于延长设备的运行时间。便携式设备就是要求延长运行时间的一种主要领域，如电话、多媒体播放器、手持射频设备、POS扫描仪、便携式医疗设备、工具、电动刮胡刀等。在一些新兴国家，为手机充电是很成问题的，因为不是可以随时找到电源的。因此，能量采集就变得非常有必要了，而且能量采集比安装一整套电网要便宜很多。

针对于压电能量收集技术，近十年来，国内外学者提出了大量压电梁、板俘能量器的模型，建模分析得出了解析解或数值解，并从以下方面进行了优化：压电单双层、双压电层的串并联、基体几何参数(长度、宽度、形状)、压电层位置、电极形状位置、外激励、输出电路的最优电阻等，最后通过实验对理论模型进行修正，以寻找精确解。总结文献可知，目前压电振动能量采集主要考虑的重点和难点问题有：给定的环境条件下装置最大的电能输出、不同环境条件下的力学调谐与电学调谐、响应频带的扩展、非线性因素的影响等等。2007年，Anton和Sodano对压电材料制成的电能采集器的评述回顾指出,大部分的研究集中在物理和几何结构设计和自适应电路改进上，而其面临的挑战是产生的电能与储能元件本身的耗能。研究主题向完整的实用性装置(电能采集，存储和应用电路的组合)转变是新的发展方向。

近些年，国内外学者迎合电能采集器新发展方向，针对能量存储电路与存储元件进行了大量研究。科学研究发现通过DC-DC转换电路提高能量采集效率达400％，另外一同步电荷存储技术，称之为电感同步开关能量存储技术，简称为SSH I，经过理论和实验研究，其相比标准能量采集电路能量传输效率可提高400％。而研究结果表明通过引入SSH I和DC-DC存储电路的电量存储效率高于只有其中一种电路的电量存储效率。关于存储元件，研究表明超级电容作为能量存储元件具有相对于可充电镍氢电池、可充电锂离子有着明显优势。

在商用以及家用智能锁领域，有人已经在该领域有相关专利申请。但是还未有人将能量收集技术和指纹锁结合起来。例如“一种带按压式指纹传感器的门锁”[专利申请号CN201611217491.0]，采用按压式指纹识别装置控制锁芯，其能源供给方式为内置电源。而“具有无线充电功能的指纹锁”[专利申请号CN201710074602.5]，尝试对能源供给模块进行优化，采用无线充电装置，将感应模块安装于门体上并与充电座的位置相对应，用于感应高频电磁波，并将高频电磁波的能量转换为电能。上述两个专利并没有完全抛弃内置电源的传统能量供给方式，内部仍然含有电池且能量供给方式单一。来自哈尔滨工业大学的袁江波等人在其所著的论文《压电俘能技术研究现状综述》中进一步阐述了压电能量收集技术的应用领域，但是没有结合指纹锁，国内也还没有发表相关论文。

市面指纹锁的电池寿命理论上可以达到一年，但在实际应用中，好多厂家的指纹锁寿命都不到半年，而且指纹锁没有提示用户更换电池，往往造成把用户拒之门外的现象，造成不必要的麻烦。本专利抛弃传统的电源，采用能量收集技术，以复合式压电、电磁模块收集外界的能量，供给装置工作，一方面解决装置内电池衰竭和破坏锁体更换电池的问题，另一方面，可以减少对电池的使用，从而减轻有毒物质对环境的污染。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于复合能量收集技术的指纹式解锁装置，采用多模能量收集技术为装置提供能量。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于复合能量收集技术的指纹式解锁装置，包括柱状壳体，从柱状壳体的一端至另一端依次设有指纹识别单元、按压单元、线圈、悬臂梁单元、超级电容和控制器；所述按压单元弹性滑动连接在壳体上，按压单元的外侧面连接有指纹识别单元，按压单元的内侧面设有磁体块；所述悬臂梁单元包括多个沿壳体径向分布的悬臂梁、连接在各悬臂梁活动端的磁体和连接在各悬臂梁上的压电晶体，悬臂梁活动端的磁体与按压单元内侧面的磁体块互相排斥；所述线圈设于按压单元和悬臂梁单元之间，周向分布于壳体内侧；所述压电晶体的输出端和线圈的输出端与超级电容的输入端连接，超级电容的输出端与控制器的输入端连接，指纹识别单元分别与超级电容和控制器连接。

优选地，所述柱状壳体的一端设有供按压单元滑动的槽道，按压单元通过弹簧弹性连接在壳体上，沿槽道滑动。

优选地，所述壳体为圆柱状。

优选地，所述指纹识别单元采用半导体指纹采集器。

优选地，压电晶体为聚偏氟乙稀材质。

本实用新型的有益效果：

本实用新型采用的是多模能量收集技术，糅合了压电能量收集技术和电磁能量收集技术，利用压电材料形变产生电流的特点收集能量。本装置采用多模能量收集方案，稳定可靠。

附图说明

图1：本实用新型装置图；

图2：按压单元内侧面的磁体块与悬臂梁活动端的磁体的位置关系示意图；

图3：磁铁块的磁力线分布示意图；

图中：1、圆柱状壳体；2、指纹识别单元；3、按压单元；4、线圈；5、超级电容；6、控制器；7、弹簧；8、磁体块；9、悬臂梁；10、磁体；11、压电晶体。

具体实施方式

下面结合附图具体介绍本实用新型的技术方案。

如图1-3所示的一种基于复合能量收集技术的指纹式解锁装置，包括圆柱状壳体1，从圆柱状壳体的一端至另一端依次设有指纹识别单元2、按压单元3、线圈4、悬臂梁单元、超级电容5和控制器6。圆柱状壳体1的一端设有供按压单元3滑动的槽道，按压单元3通过弹簧7弹性连接在壳体1上，沿槽道滑动。按压单元3的外侧面连接有指纹识别单元2，按压单元3的内侧面设有磁体块8。悬臂梁单元包括多个沿壳体1径向分布的悬臂梁9、连接在各悬臂梁9活动端的磁体10和连接在各悬臂梁9上的压电晶体11，悬臂梁9活动端的磁体10与按压单元3内侧面的磁体块8互相排斥；线圈4设于按压单元3和悬臂梁单元之间，周向分布于壳体1内侧。压电晶体11的输出端和线圈4的输出端与超级电容5的输入端连接，超级电容5的输出端与控制器6的输入端连接，指纹识别单元2分别与超级电容5和控制器6连接。指纹识别单元2采用半导体指纹采集器。压电晶体11为聚偏氟乙稀材质。

指纹识别单元采用半导体指纹采集器，半导体指纹采集器是通过人的指纹凹凸原理对采集器上的电流产生影响，从而实现其唯一性，半导体指纹采集器相对于光学指纹采集具有相对稳定，反应速度快，拒真能力强等特点。压电晶体材料选择聚偏氟乙稀(PVDF)，PVDF是一种压电聚合体，相比于与PZT，具有更好柔韧性。研究表明PVDF更适合应用于交变载荷的场合。由于PVDF的柔韧性能更好，其使用寿命更长，俘获的能量将更多。

工作原理：

用户将手指放在指纹采集器上并按压，按压单元受力向壳体内运动。因为按压单元内侧面设有磁体块，且该磁体块与悬臂梁活动端的磁体是互相排斥的，所以磁体被排斥导致悬臂梁发生形变。在这个过程中，一方面磁体块运动排斥磁体导致磁体块和磁体之间的线圈的磁通量发生变化，线圈内产生电流，另一方面悬臂梁形变压迫压电晶体产生电流。线圈和压电晶体产生的电流存储到超级电容中为控制器和指纹采集器供电。控制器根据指纹采集器采集的指纹与预置的指纹进行对比，控制锁芯开启与否。

本实用新型采用的是多模能量收集技术，糅合了压电能量收集技术和电磁能量收集技术，利用压电材料形变产生电流的特点收集能量。本装置采用多模能量收集方案，稳定可靠。

上述实施例的作用仅在于说明本实用新型的实质性内容，但并不以此为限定，本实用新型基础上的简单修改或替换不脱离本实用新型技术方案的实质和保护范围。