一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，属于新能源和发电技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，随着现代集成电路技术和微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，各种微机电器件或系统和低功耗电子产品越来越多地应用到航空航天、兵器工业、生物医药、结构健康监测等领域。目前仍然采用化学电池为这些系统或器件供电，但是使用化学电池存在着比较突出的问题:重量和体积较大，无法在工作空间较小的系统中使用；供能寿命有限，能量耗尽需重复充电或更换；对环境的污染较大。这些已经成为微机电系统和低功耗电子产品进一步应用的不利因素。因此，为微机电系统和低功耗电子器件供能的新型供电技术成为亟待解决的关键技术问题。
[0003]近年来，国内外科学家都在积极研宄新的供能方式，其中一种非常有前途的方法就是设计一种装置直接从环境中提取能量为无线传感器等低功耗电子器件供能。可从环境获得有限电能的方式包括光、温度梯度场、振动、风、水流、电磁波等等。其中，具有结构简单、不发热、便于实现小型化和集成化等优点的压电或电磁俘能装置备受关注。现阶段国内外在俘能方面的研宄主要集中在单一转换机理上，所设计的结构大多只基于一种俘能机理，但不同类型的振动型俘能器都有其各自不同的特点，如压电式俘能器虽然输出电压较大，但由于内阻较大导致输出电流较小，通常只有几微安；电磁式俘能器的输出电流较大，但输出电压较小，只有几十到几百毫伏。这些俘能器的共同缺点都是频带窄，振动频率固定，环境适应能力较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有俘能器存在频带窄、振动频率固定与环境适应能力较差的问题，提供一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006]一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，包括压电俘能装置、电磁俘能装置、夕卜框、电极以及基座；
[0007]压电俘能装置包括压电双晶片、悬臂梁；
[0008]电磁俘能装置包括永磁铁、感应线圈和两侧磁铁；
[0009]压电双晶片固定在悬臂梁上下表面；压电双晶片表面涂覆银，电荷通过电极连接导线引出到能量转换电路进行处理；悬臂梁一端固定在振动体的基座上，一端粘贴作为质量块的矩形永磁铁以降低俘能结构的振动频率；永磁铁两侧分别放置感应线圈；在永磁铁振动过程中感应线圈切割磁力线产生感应电流；在两感应线圈后分别放置两侧磁铁；放置两侧磁铁的主要作用就是利用磁铁间作用力增大悬臂梁的振动振幅并使磁铁间的磁力线密度增加以使更多的磁力线参与到电磁感应中获得更大感应电流。
[0010]由压电双晶片构成的压电悬臂梁俘能结构在外界振动激励作用下产生上下振动，压电双晶片由于变形产生压电效应在压电双晶片表面产生电荷，两片压电双晶并联后经压电俘能电路输出到能量存储电路处理后存储起来，在悬臂梁振动的同时，悬臂梁末端的永磁铁也随着悬臂梁发生上下振动，永磁铁两侧的线圈切割磁力线由于电磁感应产生感应电流，线圈串联后经电磁俘能电路输出到能量存储电路存储后存储起来。
[0011]压电俘能装置经能量采集电路转换后输出电压大、电流小，电磁俘能装置经能量采集电路转换后输出电流大、电压小，压电俘能装置的输出和电磁俘能装置的输出经能量存储电路输出较高电压和较高电流存储在储能元件中以供使用。
[0012]所述的压电双晶片材料为压电陶瓷；
[0013]所述的压电双晶片固定在悬臂梁上下表面，采用粘贴方式固定；
[0014]所述的能量转换电路，主要包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻、电容，所述的二极管D1、二极管D2、二极管D3与二极管D4构成桥式整流电路；在振动的正半周时，二极管D2和二极管D3导通；在振动的负半周时，二极管Dl和二极管D4导通，负载上得到的始终是正向直流电压。
[0015]有益效果
[0016]1、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，利用压电效应和电磁感应在振动条件下俘能，可产生较大电流和较高电压，有效弥补了压电或电磁单独俘能方式的不足，利用有效的能量转换电路可做到较高电压和较高电流的同时输出，更有利于为充电电池或超级电容充电。
[0017]2、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，利用永磁铁与两侧磁铁之间的磁力耦合作用使压电俘能结构的振动模态产生变化，使悬臂梁的振幅和振动频率发生变化，从而改变了复合俘能器的发电特性，提高了俘能器的环境适应能力。
[0018]3、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，由于永磁铁与两侧感应线圈之间的电磁感应作用，会在线圈中产生感应电流，但根据楞次定律，感应电流也会在线圈内产生感应磁场，这个感应磁场与永磁铁的磁场之间也存在着相互作用，因此，磁铁间的相互作用和电磁感应的相互作用实现了压电俘能结构悬臂梁的非线性振动，可有效拓宽俘能带宽；
[0019]4、本发明的这种压电-电磁复合式俘能器，采用压电双晶片和感应线圈共同俘能，做到了在有限空间内两种俘能方式的复合，输出功率比单一压电式俘能器输出功率提高了 38%，3dB带宽相比于压电式俘能器提高了 67%。
【附图说明】
[0020]图1为压电-电磁复合俘能流程图；
[0021 ] 图2为压电-电磁复合俘能器结构示意图；
[0022]图3为压电-电磁复合俘能器装配图；
[0023]图4为能量转换电路；
[0024]图5为压电双晶片悬臂梁示意图。
[0025]其中，I一外框、2—压电双晶片、3 —电极、4一悬臂梁、5—基座、6—永磁铁、7—感应线圈、8—两侧磁铁。
【具体实施方式】
[0026]为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的【具体实施方式】、结构特征及其功效做如下详细说明。
[0027]实施例1
[0028]一种压电-电磁复合式低频宽带俘能器，包括压电俘能装置、电磁俘能装置外框
1、电极3、基座5 ;压电俘能装置包括压电双晶片2、悬臂梁4 ;电磁俘能装置包括永磁铁6、感应线