一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器的制作方法

本发明涉及微机电系统和能源技术领域，尤其涉及一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器。

背景技术：

微机电系统mems是21世纪重要研究领域之一，它被广泛应用到生物、医疗、军事、通信等各个领域。目前能源技术中电源使用寿命短的问题亟待解决，相比于传统化学电池，微电子设备克服了化学电池体积大、寿命短、易污染环境等问题，同时它具有低能耗的特点，这为其利用环境振动而自发供电提供了可能。

利用环境振动发电的能量转换形式有三种：电磁式、静电式和压电式。电磁式一般体积较大,为能量采集器的微型化设计带来困难；静电式结构是通过振动时改变电容极板间距或面积来实现能量转换，它可以很好地与mems集成；压电式发电结构通过压电效应来实现能量转换，结构简单。

目前研究的压电发电系统多是线性系统，只具有单一的稳定状态，其响应频域极窄，能量转化率极低。为了适应实际环境中低频的、随机的振动，非线性压电发电梁应运而生。masana等设计了一种双晶压电梁，该双稳态梁适用于低频振动，能量转化率高于线性梁。jung等设计了一种突弹跳变屈曲压电梁，在适当的激励下，它可以从一个稳定状态跳到另一个稳定状态，表现为双稳态现象，具有较宽的固有频域和较高的能量转换率。因此，双稳态系统作为一种典型的非线性系统，在压电发电中的应用越来越受到关注。目前，对于有关双稳态梁的mems能量采集器大多局限于悬臂梁结构，并且只能接受来自一个方向的固体振动以实现能量采集，然而在实际环境中，振动大多是来自多个方向和多种形式的，如碰撞振动、声波振动等，尤其对于声波，它的传播方向是沿四周发散的。目前还没有同时有效地采集声波振动和固体振动的能量采集器。例如专利cn201854207u公开的一种双稳态悬臂梁型能量收集装置，无法实现多方向和多形式的能量采集。另外，例如专利cn101656493a公开的一种基于双稳态升频结构的mems宽频能量采集器，虽然双稳态梁的结构变成了两端固定型，但是依然不能实现多方向和多形式的能量采集，同时又由于装置仅靠单根梁压电集能，其能量采集的频率范围和能量转换率也受到了限制。

技术实现要素：

本发明提供一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器，以解决目前mems能量采集器存在的，难以同时采集多方向和多形式的振动能量采集的问题、以及能量采集频域范围窄、能量转换率低的问题，目的是同时采集声波振动和固体振动的能量，拓宽采集能量的频域，提高能量转换的效率。

本发明采取的技术方案是：压电能量采集单元一的外端与基体固定连接，压电能量采集单元二的外端与基体固定连接，压电能量采集单元一与压电能量采集单元二的内端共同连接集电装置，集电装置不与基体接触，处于浮动状态，静电能量采集单元一与静电能量采集单元二分别对称固定在基体的两侧。

本发明所述压电能量采集单元一与压电能量采集单元二的结构完全相同，其中双稳态梁一的中间固定连接一个质量块一，双稳态梁一的外端与支撑体一相连，支撑体一的形状是倒立的u型并键合在基体上，双稳态梁一的内端与集电装置相连，双稳态梁二的内端与集电装置连接、外端与支撑体二连接，支撑体二键合在基体上。

本发明所述双稳态梁一与双稳态梁二的结构相同，从上到下依次由压电层一、弹性层和压电层二组成，其中压电层一连接电源线，压电层二连接地线。

本发明所述静电能量采集单元一与静电能量采集单元二的结构相同，其中驻极体薄膜一的边缘设有多个小孔，基体表面开设比驻极体薄膜一尺寸稍大的通槽，通槽边缘也设有多个小孔，单根氨纶丝一依次穿过驻极体薄膜一边缘的小孔与基体表面通槽边缘的小孔，将驻极体薄膜一与基体相连；驻极体薄膜二采用单根氨纶丝二依次穿过驻极体薄膜二边缘的小孔与基体表面通槽边缘的小孔，将驻极体薄膜二与基体相连；

本发明所述集电装置的结构是：电极板一与电极板二结构相同并与软铁两侧连接，软铁的两侧分别连接电源线和接地线；

本发明所述驻极体薄膜一与集电装置中的电极板一相对，中间有一个极小的空气隙；同样的，驻极体薄膜二与集电装置中的电极板二相对，中间有一个极小的空气隙。

本发明的优点是结构新颖，尺寸极小，其中压电能量采集单元实现横向的固体振动能量转换，静电能量采集单元实现纵向的声波振动能量转换，整个集电器能够同时在两个方向上分别采用压电和静电的复合机制进行能量采集,以达到对输出能量叠加放大的效果；压电能量采集单元采用双稳态梁、集电装置、双稳态梁串联结构，可以在4个稳定状态下采集能量，拓宽了采集能量的频域，驻极体薄膜通过具有高度弹性的氨纶丝与基体连接，可以加大驻极体薄膜的换能面积，提高了能量转化率；本发明适用于一切既有固体振动又有声波振动的工作场合，例如工厂的重型机器、家庭的音响等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明压电能量采集单元的结构示意图；

图3是本发明双稳态梁一的结构示意图；

图4是本发明的静电能量采集单元与集电装置的装配图；

图5是本发明驻极体薄膜与基体连接示意图；

图6是本发明压电能量采集单元受挤压作用实现的4个稳态位置示意图；

图7a是普通梁的势能仿真图；

图7b是单根双稳态梁的势能仿真图；

图7c是双稳态梁串联结构的势能仿真图；

图8a是实现横向阵列的结构示意图；

图8b是实现多方向能量采集的圆形阵列结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，压电能量采集单元一1的外端与基体6固定连接，压电能量采集单元二2的外端与基体6固定连接，压电能量采集单元一1与压电能量采集单元二2的内端共同连接集电装置5，集电装置5不与基体6接触，处于浮动状态，静电能量采集单元一3与静电能量采集单元二4分别对称固定在基体6的两侧。

如图2所示，压电能量采集单元一1与压电能量采集单元二2的结构完全相同，其中双稳态梁一101的中间固定连接一个质量块一102，双稳态梁一101的外端与支撑体一103相连，支撑体一103的形状是倒立的u型并键合在基体6上，双稳态梁一101的内端与集电装置5相连，双稳态梁二201的内端与集电装置5连接、外端与支撑体二203连接，支撑体二203键合在基体6上。

如图3所示，双稳态梁一101与双稳态梁二201的结构相同，从上到下依次由压电层一(pvdf)10101、弹性层(pet)10102和压电层二(pvdf)10103组成，其中压电层一10101连电源线10104，压电层二10103连接地线10105。

如图4、图5所示，静电能量采集单元一3与静电能量采集单元二4的结构相同，其中驻极体薄膜一301的边缘设有多个小孔，基体6表面开设比驻极体薄膜一301尺寸稍大的通槽，通槽边缘也设有多个小孔，单根氨纶丝一302依次穿过驻极体薄膜一301边缘的小孔与基体6表面通槽边缘的小孔，将驻极体薄膜一301与基体6相连；驻极体薄膜二401采用单根氨纶丝二402依次穿过驻极体薄膜二401边缘的小孔与基体6表面通槽边缘的小孔，将驻极体薄膜二401与基体6相连；

集电装置5的结构是：电极板一501与电极板二502结构相同并与软铁503两侧连接，软铁503的两侧分别连接电源线504和接地线505；

驻极体薄膜一301与集电装置5中的电极板一501相对，中间有一个极小的空气隙；同样的，驻极体薄膜二401与集电装置5中的电极板二502相对，中间有一个极小的空气隙。

工作原理如下：

集电装置5的刚度较大，固有频率较高，当受到环境的高频激励时，集电装置5产生明显的横向位移，假设此时它挤压压电能量采集单元一1中双稳态梁一101，挤压使双稳态梁一101产生△l的变形量，促使双稳态梁一101达到一个稳定状态，此时可获得较大的能量转换效率；当挤压力继续增大直至双稳态梁一101产生突弹跳变的临界值时，它可以从一个稳定状态跳到另一个稳定状态，此时又可获得较大的能量转化效率。同理，当集电装置5在振动中挤压另一侧的压电能量采集单元二2的双稳态梁二201时，双稳态梁二201也可以在挤压力的作用下产生变形量△l，同样实现两个稳定状态。如图6和图7所示，压电能量采集单元一1和压电能量采集单元二2和一共有4个稳定状态，分别对应4个能量采集频域；由于在集电装置5横向振动过程中，总有双稳态梁受到挤压变形而产生双稳态现象，因此提高了能量转化率，实现了高频、宽频域的能量采集。如图4所示，集电装置5中电极板一501和电极板二502中间由软铁503支撑，增加了集电装置5的刚度，在双稳态梁一101的中间放置质量块一102和双稳态梁二201的中间放置质量块二202，增加了双稳态梁一101和双稳态梁二201的形变量，提高了能量转化率。

如图7a所示为普通压电梁的势能随位移变化仿真图，图7b所示为单根双稳态梁的势能随位移变化仿真图，图7c为两根双稳态梁串联时的势能随位移变化仿真图。可以明显地看出，两根双稳态梁的串联结构与普通梁结构和单根双稳态梁相比具有更宽的频域范围和更高的能量转化率。

如图4所示，驻极体薄膜一301通过氨纶丝一302连接到基体6上，电极板一501与驻极体薄膜一301相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙作为绝缘介质，以电极板一501和驻极体薄膜一301作为两个电极构成一个平板电容器。当环境中的低频声波引起驻极体薄膜一301振动而产生位移时，电容两极板之间的距离改变，引起电容量发生变化，由于驻极体薄膜一301上分布的电荷量固定，根据公式：q＝cu，当c变化时必然引起电容器两端电压u的变化，从而输出电信号，实现了能量转换。所述的驻极体薄膜一301的边界区域由单根氨纶丝一302连接，而单根氨纶丝一302具备高度弹性，因此在同等外界振动环境下使驻极体薄膜一301产生更大的形变，提高能量转换效率，提高了能量转化率，实现了声波的振动能量采集。

本实施例可以根据上述原理的基础上衍生出多种结构，如图8a为实现横向阵列的结构示意图和图8b为实现多方向能量采集的圆形阵列结构示意图。