一种基于压电陶瓷的分形结构振动换能器及其制造方法与流程

本发明涉及宽频带振动换能器，特别是一种基于激光切割技术将分形结构应用于压电陶瓷的振动换能器及其制作方法，属于振动换能器的技术领域。

背景技术：

近年来，随着无线通讯和mems技术的飞速发展，微型电子设备，微型传感器和微型能量收集器被广泛应用在各个领域。目前，mems传感技术正在朝着微功率，无源化，网络化和只能数字化的方向发展。随着微电子设备应用环境的日益复杂化以及其应用领域的多样化，研究人员对于系统的可持续化以及电源功能问题的要求越来越严格。因此，微型电子设备的能量收集材料以及能量收集系统已经逐渐成为一个重要的研究方向，越来越受到人们的关注。

环境能量采集是指收集环境中的光能、热能、风能、机械振动能，并且将其转化为电能的一种技术。太阳能风能等这些能量形式都受到环境的限制，而机械振动能是在环境中普遍存在的，因此研究如何将机械振动能高效的转化为电能有着广泛的应用前景。

目前，采集环境中机械振动能，一般都存在带宽窄，响应频率高且输出功率小的问题。因此本发明主要研究宽频带，低响应频率且输出功率较大的压电振动换能器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有压电振动换能器收集环境机械振动能响应频带窄、频率高、且单位时间发电量小的问题，提供一种压电陶瓷的分形结构压电换能器及其制作方法。使压电振动换能器能够在环境中实现宽频带高效率的采集能量。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为一种基于压电陶瓷的分形结构振动换能器，该换能器的主结构分为两层，采用压电陶瓷作为压电材料，金属铜作为衬底材料，两层结构互相连接，且形状自相似。

进一步，该换能器的振动换能器选取其质心作为支点，保证每一层结构都是有且只有一端为固定端的自相似结构，在金属衬底的上下表面均设有压电陶瓷片，压电陶瓷片与金属衬底粘和，金属衬底上下表面的压电陶瓷片采用串联的方式复合，以增加振动换能器的输出电流，从而增大输出功率，提高振动换能器的可用性。

进一步，压电陶瓷片通过环氧树脂与金属衬底粘和。

进一步，第二层结构以支点为固定端，上下左右分布有四个自相似的一层结构，固定端到一层结构的质心为梁，一层结构其余部分为质量块，振动换能器的一层结构有一端与主体相连接，连接的部分作为固定端，从固定端到一层结构自身质心的部分作为一层结构的梁，一层结构的其余部分为质量块，一层结构与二层结构有不同的主谐振频率，每一层结构除质心到固定端的其余部分都充当质量块。

采用上下两层压电陶瓷片串联的方式将压电片复合，串联方式是在上下压电陶瓷片上各引出一根导电线，含银混合物涂覆在上层压电陶瓷片的上表面和下层压电陶瓷片的下表面充当电极，为了保证串联，两块压电陶瓷片的极化方向需要保证相反。

采用一个圆柱形的陶瓷底座作为固定端，固定端选取在换能器的质心位置，使用环氧树脂胶粘和。

本发明还进一步提出一种制造上述基于压电陶瓷的分形结构振动换能器的方法，包括以下步骤：

s1：采用压电陶瓷作为压电材料，通过激光切割，将压电陶瓷片切割为分形结构；s2：采用金属铜作为衬底材料，采用激光切割，将金属片切割为分形结构；

s3：采用ccd自动定位，保证不同次切割的压电陶瓷片和金属片结构相同；

s4：用环氧树脂将压电陶瓷片和金属衬底粘合；

s5：在整体结构的质心设置支点。

与现有技术相比，本发明具有产生如下技术效果：

(1)本发明提供的压电陶瓷的分形结构振动换能器及其制作方法，采用自相似的两层分形结构，通过分形结构层与层之间主谐振频率的不同，可以响应环境中不同的振动频率，从而获得较宽的频带。每一层层内结构的自相似性又能够保证换能器采集密度，能够采集更多的能量。每一个换能单元固定端到质心为梁，其余部分等效为质量块，能够保证共振频率的降低。适合在环境中作为无线传感器和其他微型器件的电源。

(2)本发明提出的压电陶瓷的分形结构振动换能器，技术原理新颖，将分形结构用于压电陶瓷，改善了当前基于压电陶瓷的振动换能器结构单一，频带窄的缺点。

(3)本发明选取整体结构的质心为支点，能够保证振子每层结构的自相似性。

(4)本发明选取整体结构的质心为支点，是振动在结构上产生的应力均匀的分布到每一层结构。

附图说明

图1是本发明压电振子所采用的分形结构示意图。

图2是本发明压电陶瓷片和金属衬底粘和的结构示意图。

图3是本发明压电换能器整体结构示意图。

图4是本发明压电换能器整体结构的左视图。

图5是本发明压电换能器层次结构图。

图中，1-一层分形结构，2-二层分形结构，3-上层压电陶瓷片，4-金属衬底，5-下层压电陶瓷片，6-固定点，7-环氧树脂胶，8-第一电极，9-第二电极，10-导线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了基于激光切割技术将分形结构应用于压电陶瓷的振动换能器结构，包含金属衬底和压电陶瓷片，衬底和压电陶瓷片均采用相同的分形结构。本发明的振动换能器选取其质心作为支点，保证每一层结构都是有且只有一端为固定端的自相似结构。在金属衬底的上下表面均设有压电陶瓷片，压电陶瓷片通过环氧树脂与金属衬底粘和，金属衬底上下表面的压电陶瓷片采用串联的方式复合，采用串联的方式是为了增加振动换能器的输出电流，从而增大输出功率，提高振动换能器的可用性。

本发明选取换能器的质心为支点，每一层都是自相似的分形结构，能够保证在振动时应力分布均匀。

如图1和2所示，下面以压电片采用的十字形分形结构为例进行说明：本实施例采用的是由两层自相似的十字形结构组成的分形结构。与主体相连的上下左右共四个一层结构(由于一层结构都是相似的，所以下文均以结构1为例进行说明)，结构1有一端与主体相连接，当压电换能器收环境振动激励时，应力均匀的将振动能传递到四周的一层结构，可以更好的提高采集能量的效率。结构1与主体连接的部分为固定端，固定端到结构1的质心为梁，结构1其余部分为质量块，这样的设计可以降低结构的谐振频率，能够更好的适应并采集环境中的振动能量。整体结构2就是分形的二层结构，以整体结构的中心为固定端，振动时应力向四周传递，质心上下左右四个方向都有一个悬臂梁结构，结构2梁的长度比较长，也能够降低结构的谐振频率。本发明一层结构和二层结构一个出现八个悬臂梁，能够在低频环境中出现多频谐振，使其对环境的适应性更好，提高能量采集密度。

图3和图4是本发明基于激光切割技术将分形结构应用于压电陶瓷振动换能器的结构示意图，其工作过程如下：

本实施例选取振动换能器的质心为支点，环境中的振动作用在整体结构上，振动产生的应力从固定端向四周均匀扩散，第二层结构以支点为固定端，上下左右分布有四个自相似的一层结构，固定端到一层结构的质心为梁，一层结构其余部分为质量块，因为环境的振动会使得悬臂梁弯曲，产生形变，粘贴在金属衬底上下表面的压电陶瓷片也会随之产生形变，由于压电陶瓷是具有压电效应的压电材料，进而压电片的上下表面就会形成电势差。另外，振动换能器的一层结构有一端与主体相连接，连接的部分作为固定端，从固定端到一层结构自身质心的部分作为一层结构的梁，一层结构的其余部分为质量块，当应力作用下悬臂梁产生形变，进而压电片上下表面产生电势差。一层结构与二层结构有不同的主谐振频率，所以本发明能够有效的拓宽振动换能器采集能量的带宽。每一层结构出质心到固定端的其余部分都充当质量块，所以本发明能有效的解决振动换能器微型化带来的谐振频率高的问题。

图5是本发明基于激光切割技术将分形结构应用于压电陶瓷的振动换能器的层次结构示意图：

本实施例为了提高振动换能器的输出电流，增加换能器功率，采用上下两层压电陶瓷片串联的方式将压电片复合，串联方式是在上下压电陶瓷片上各引出一根导电线。本发明采用含银混合物涂覆在上层压电陶瓷片的上表面和下层压电陶瓷片的下表面充当电极，由于压电陶瓷片上不能直接进行焊接，在引出电极的时候需要在电极上贴一层铜箔，然后将导线焊接在铜箔上。由于环境振动产生的应力在上下压电陶瓷片的应力方向不同，为了保证串联，两块压电陶瓷片的极化方向需要保证相反。

本实施例采用一个圆柱形的陶瓷底座作为固定端，固定端选取在换能器的质心位置，使用环氧树脂胶粘和。选用陶瓷作为固定端材料是考虑到与换能器容易粘和的原因。并且由悬臂梁结构末端的最大位移公式决定圆柱形的高，公式如下：

其中q为悬臂梁末端的集中载荷，l为悬臂梁的长度，ei为梁的弯曲刚度。

可见上述公式能够确定悬臂梁末端最大位移，从而可以确定固定端的高度，使得振动换能器在工作的过程中不会触碰到结构之外的器件引起短路等问题。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有的技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围之内。