一种基于横振带隙的声子晶体发电装置制造方法
【专利摘要】本发明提供的是一种基于横振带隙的声子晶体发电装置。包括主梁和支梁，支梁上连接压电材料和质量块组成局域振子单元，多个结构相同的局域振子单元对称且等间距地安装在主梁上组成声子晶体结构。本发明利用压电技术进行能量转换，并采用声子晶体技术实现发电装置在振动环境中的宽频高效发电。整体结构简单、制造方便，并对压电振动装置的横向振动发电频带进行了有效的拓宽，无需主动控制、对工作环境的要求较低。可用于无线传感器等微电子产品的能量供应等。
【专利说明】 —种基于横振带隙的声子晶体发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种发电装置，具体地说是一种适用于在振动噪声环境中利用声子晶体横向振动带隙发电的压电振动发电装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着集成电路技术和微/纳机电系统技术的发展，微电子产品被广泛的应用于无线网络节点、环境监测、汽车、建筑等重要领域。目前微电子产品的发展受限于供能装置的微型化和寿命期限等问题，因此发展新型的微电源技术十分重要。当前，微机电系统所采用的化学电源方案多数只适于短寿命周期，并且难以应对数量不断增加的无线网络节点，而基于压电效应的振动发电装置，虽然只能产生小级别的电力，但已能满足微功耗系统要求，并其所利用的振动源无处不在，具备不受场地限制、活动性强等优点，因此采用压电振动发电装置可以解决微机电系统的自我供能问题。
[0003]目前的研究较多的悬臂梁发电结构面临“共振频率单一，发电效率低”的问题。为提高发电效率，拓宽发电频带，目前常用的方法有两种:一、主动自调整法，即通过主动控制调节装置的自身固有频率从而适应环境振动频率的变化；二、被动自调整法，即通过多个不同固有频率的发电装置组合达到拓宽频带的效果。两种方法均有缺点，前者自身耗能大，后者装置的尺寸及设计成本均显著增加。《西安交通大学学报》2010年2月第2期第44卷的中刊登的“多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究”中，提出了一种多悬臂梁压电振子结构，即属于被动自调整范畴，将若干不同的悬臂梁振子串联在同一基体上，从而将发电装置的发电频带拓宽至56-65HZ，并提高了发电量。但是这种结构是将不同的悬臂梁布置于同一基体上，悬臂梁的设计复杂，生产成本高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供能拓宽发电频带的带宽、提高发电效率，制造成本低的基于横振带隙的声子晶体发电装置。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]包括主梁和支梁，支梁上连接压电材料和质量块组成局域振子单元，多个结构相同的局域振子单元对称且等间距地安装在主梁上组成声子晶体结构，各局域振子单元上的压电材料的表面平行于主梁的轴线。
[0007]本发明还可以包括:
[0008]1、所述主梁为由硅、金属或者弹性材料制成的方形或圆形梁。
[0009]2、所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁一侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
[0010]3、所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
[0011]4、所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部两侧的质量块。
[0012]本发明主要是针对微电子产品的电能供应而设计，利用压电技术进行能量转换，并采用声子晶体技术实现发电装置在振动环境中的宽频高效发电。其原理是沿主梁长度方向等间距对称布置若干组发电支梁(局域振子)，形成局域共振型声子晶体结构，由于局域振子的动力吸振以及相互间的耦合作用，会产生不同中心频率及不同带宽的横向振动带隙，使得发电支梁在该频带范围内剧烈振动，将机械能转换为电能，最终实现横向振动的宽频发电效果。
[0013]本发明是将若干相同的悬臂梁振子，等间距对称安装在弹性主梁上，构成局域共振型声子晶体结构，利用其产生的横振带隙，使各悬臂梁振子在带隙频率范围内产生较大振动，从而将机械能转换为电能，进而有效拓宽装置发电频带的带宽，提高装置的发电效率。局域共振型声子晶体的横振带隙频率低，并可通过调节悬臂梁振子尺寸和振子之间的间距改变带隙位置和带隙宽度。适用于低频振动环境的发电。在拓宽发电频带的机理上，本发明与【背景技术】的串联方案根本不同，同时也具有发电量大、设计制造成本低等优势。
[0014]总之本发明的优点在于整体结构简单、制造方便，并对压电振动装置的横向振动发电频带进行了有效的拓宽，无需主动控制、对工作环境的要求较低。可用于无线传感器等微电子产品的能量供应等。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的基于横振带隙的声子晶体发电装置的一种实施方式的三维结构示意图。
[0016]图2是双压电片单质量块局域振子的结构示意图。
[0017]图3是本发明的基于横振带隙的声子晶体发电装置的另一种实施方式的三维结构示意图。
[0018]图4是单压电片单质量块局域振子结构示意图。
[0019]图5是双压电片双质量块局域振子结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
[0021]结合图1，本发明的技术方案主要包括主梁1、压电材料2、质量块3和支梁4。
[0022]主梁I用于与振动环境中的机座相连接或者直接作为机座，材料为硅、金属或者弹性材料等；压电材料2材料为压电陶瓷或者压电薄膜；质量块3材料为铜、镍等金属;支梁4材料为硅。压电材料2与质量块3通过粘结等合理工艺方式粘结在支梁4上，组成局域振子，局域振子作为单元通过焊接、嵌入连接等方式对称、等间距地安装在主梁I上，从而组成声子晶体结构，各局域振子上的压电材料的表面平行于主梁的轴线产生的横振带隙。发电支梁与主梁的结构尺寸、发电结构的周期数目可以根据使用环境的需要进行调整，该装置将机械振动转化为电能后，通过整流器处理用于储存或者供能。
[0023]实际使用时应考虑到以下几种因素可以对上述实施方式进行改进。
[0024](I).主梁及局域振子结构。根据工作环境的振动频率和强度以及使用设备的能量需求，可以改变主梁或局域振子结构，如图3、4、5。当所需电量较大时，可将单压电片改为双压电片，质量块数目也可改变，主梁亦可由圆截面主梁替代方截面主梁等。
[0025](2).主梁及局域振子的材料。根据工作环境振动频率，改变主梁及局域振子的组成材料,从而将带隙频率调节至与外部环境振动频率相匹配。
[0026](3).结构的周期数。根据几何尺寸要求、发电量大小、频带范围等可以调整声子晶体的周期数目。
【权利要求】
1.一种基于横振带隙的声子晶体发电装置，包括主梁和支梁，支梁上连接压电材料和质量块组成局域振子单元，其特征是:多个结构相同的局域振子单元对称且等间距地安装在主梁上组成声子晶体结构，各局域振子单元上的压电材料的表面平行于主梁的轴线。
2.根据权利要求1所述的基于横振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述主梁为由硅、金属或者弹性材料制成的方形或圆形梁。
3.根据权利要求1或2所述的基于横振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁一侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
4.根据权利要求1或2所述的基于横振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
5.根据权利要求1或2所述的基于横振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部两侧的质量块。
【文档编号】H02N2/18GK103746604SQ201410022604
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】舒海生, 董立强, 刘少刚, 赵丹, 李世丹, 林航, 刘伟, 王兴国, 李晓刚, 梁善军 申请人:哈尔滨工程大学