本发明属于微机械传感领域，特别是涉及一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器。
背景技术：
可穿戴设备在卫生保健、医疗康复、运动训练和单兵装备等各种微系统应用中的需求量很大，而传统的可穿戴设备主要由电池供电，这就导致了可穿戴设备工作时间有限，且电池更换及电池充电及其不方便，无法满足“即插即用”的要求。为了解决这个问题，自供电的可穿戴能量采集器受到越来越多的关注。
最近有研究者开发出一种基于摩擦发电的可穿戴能量采集器，通过身体运动时电介质材料和电极之间摩擦诱导产生自由电子发电。但由于电介质材料表面和电极表面之间的摩擦速度(即机体运动速度)对这种能量采集器的发电效率有显著的影响，从而导致其发电很不稳定；即机体运动速度(或频率)越低，应变速率越小，发电功率也就越低。而当机体运动频率从3.0hz降至0.5hz时，这种能量采集器产生的电流峰值则从2.6μa降至0.2μa，电压峰值下降到原来的50％，每个发电周期输出的电能衰减了数十倍。而人体常见的运动频率在1hz以下，而且运动形式不同频率也会改变。可见，这种能量采集器在人体的低频的运动条件下不但发电效率低而且发电不稳定，这些特性都不利于可穿戴电子系统的持续平稳供电。
鉴于此，有必要设计一种新的低频柔性能量采集器和自供能运动计数器用以解决此问题。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，用于解决现有可穿戴能量采集器低频发电效率低而且供电不稳定的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低频柔性能量采集器，所述低频柔性能量采集器包括：
柔性衬底；
支撑块，所述支撑块位于所述柔性衬底上；
悬臂梁，所述悬臂梁的第一端固定于所述支撑块上，所述悬臂梁的第二端为自由端；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述悬臂梁的上表面；以及
永磁体，所述永磁体位于所述悬臂梁自由端下方的所述柔性衬底上；
其中，所述悬臂梁自由端与所述永磁体之间设有预设间距。
优选地，所述低频柔性能量采集器的能量来源于肢体运动，以将肢体运动转换为所述悬臂梁的高频谐振发电。
优选地，在一个肢体运动周期内，所述低频柔性能量采集器进行两次高频谐振发电。
优选地，当肢体伸展以拉长所述柔性衬底时，所述悬臂梁自由端与所述永磁体分开，所述悬臂梁进行高频谐振发电；当肢体回缩以使所述柔性衬底回弹时，所述悬臂梁自由端与所述永磁体吸合，所述悬臂梁以更高的谐振频率进行谐振发电。
优选地，所述低频能量采集器还包括位于所述柔性衬底和所述永磁体之间的支撑块。
优选地，所述压电薄膜包括：下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上电极和所述下电极通过导线与外接负载连接。
本发明还提供了一种低频柔性能量采集器，所述低频柔性能量采集器包括：
柔性衬底；
支撑块，所述支撑块位于所述柔性衬底上；
悬臂梁，所述悬臂梁的第一端固定于所述支撑块上，所述悬臂梁的第二端为自由端；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述悬臂梁的上表面；以及
第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体分别位于所述悬臂梁自由端的两角下方的所述柔性衬底上；
其中，所述第一永磁体与所述第二永磁体之间设有第一预设间距，所述悬臂梁自由端分别与所述第一永磁体及所述第二永磁体之间设有第二预设间距。
优选地，所述低频柔性能量采集器的能量来源于肢体运动，以将肢体运动转换为所述悬臂梁的高频谐振发电。
优选地，在一个肢体运动周期内，所述低频柔性能量采集器进行两次高频谐振发电。
优选地，当肢体伸展以拉长或拉宽所述柔性衬底时，所述悬臂梁自由端与所述第一永磁体及所述第二永磁体分开，所述悬臂梁进行高频谐振发电；当肢体回缩以使所述柔性衬底回弹时，所述悬臂梁自由端与所述第一永磁体及所述第二永磁体吸合，所述悬臂梁以更高的谐振频率进行谐振发电。
优选地，所述低频能量采集器还包括位于所述柔性衬底和所述第一永磁体之间及所述柔性衬底和所述第二永磁体之间的支撑块。
优选地，所述压电薄膜包括：下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上电极和所述下电极通过导线与外接负载连接。
本发明还提供了一种自供能运动计数器，所述自供能运动计数器包括：
如上任一项所述的低频柔性能量采集器，作为所述自供能运动计数器的供电端，并基于肢体运动以产生计数信号并输出；
加法器，与所述低频柔性能量采集器连接，用于接收所述低频柔性能量采集器发送的计数信号，及读取存储器中存储的已有步数信息，并基于已有步数信息对所述计数信号进行累加处理，以实现自供能运动计数；
存储器，与所述加法器连接，用于对所述加法器输出的累加结果进行存储。
如上所述，本发明的低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，具有以下有益效果：
通过本发明所述低频柔性能量采集器，可将低频的人体肢体运动转换为悬臂梁的高频谐振发电，不仅在一个肢体运动周期内可实现两次高频谐振发电，而且更由于柔性衬底的水平拉伸对悬臂梁的垂直谐振发电的影响很小，使得在亚赫兹到几赫兹的肢体运动频率范围内，所述低频柔性能量采集器均能产生稳定的电能，解决了现有能量采集器只能在较窄的频率范围内产生较稳定的电能，在低频时发电效率低而且发电不稳定的问题。
通过本发明所述低频柔性能量采集器构成的自供能运动计数器，不仅能够实现自供电，更能够在自供电的基础上实现运动计数，即通过所述低频柔性能量采集器输出的电压脉冲实现计数功能，解决了现有自供能计数方法易出现起始数据丢失的问题，使得计数结果更精确。
附图说明
图1显示为本发明实施例一所述能量采集器的结构示意图。
图2显示为本发明实施例一所述能量采集器处于第一次发电状态的结构示意图。
图3显示为本发明实施例一所述能量采集器处于第二次发电状态的结构示意图。
图4a显示为本发明实施例一所述能量采集器在低频条件下产生的时域电压示意图，图4b显示为本发明实施例一所述能量采集器拉力测试的示意图。
图5显示为本发明实施例二所述能量采集器的结构示意图。
图6显示为基于本发明实施例三所述自供能运动计数器的系统方框图。
元件标号说明
100能量采集器
10柔性沉底
20支撑块
30悬臂梁
40压电薄膜
50永磁体
51第一永磁体
52第二永磁体
200加法器
300存储器
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种低频柔性能量采集器，所述低频柔性能量采集器100包括：
柔性衬底10；
支撑块20，所述支撑块20位于所述柔性衬底10上；
悬臂梁30，所述悬臂梁30的第一端固定于所述支撑块20上，所述悬臂梁30的第二端为自由端；
压电薄40膜，所述压电薄膜40位于所述悬臂梁30的上表面；以及
永磁体50，所述永磁体50位于所述悬臂梁30自由端下方的所述柔性衬底10上；
其中，所述悬臂梁30自由端与所述永磁体50之间设有预设间距l。
作为示例，如图1所述，所述低频能量采集器100还包括位于所述柔性衬底10和所述永磁体50之间的支撑块20。
作为示例，所述柔性衬底10的长度为2cm～20cm，其宽度为0.4cm～2cm，其厚度为0.1mm～2mm。优选地，在本实施例中，所述柔性衬底10的材质为聚二甲基硅氧烷(pdms)，其尺寸为60×15×1.5mm3。
作为示例，所述支撑块20的材质为玻璃、硅或金属。优选地，在本实施例中，所述支撑块20的材质为玻璃。
作为示例，所述柔性衬底10和所述支撑块20之间可通过黏性材料实现粘接，也可以直接粘接。优选地，在本实施例中，所述支撑块20直接粘接于所述柔性衬底10上；即对pdms进行氧等离子体处理后，使得其与玻璃通过化学键自发键合，以实现更牢固的粘接。
作为示例，所述悬臂梁30的材质为铁磁性材料或其自由端粘接有铁磁性材料的金属材料；所述悬臂梁30的长度为5mm～20mm，其宽度与所述压电薄膜40的宽度相同，其厚度为10um～100un。优选地，在本实施例中，所述悬臂梁30为镍悬臂梁，其长度为11mm，宽度为4.5mm，厚度为80um，杨氏模量为200gpa，密度为7500kg/m3。
作为示例，所述压电薄膜40通过导电银浆粘接于所述悬臂梁30上表面；其中，所述压电薄膜40包括：下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上电极和所述下电极通过导线与外接负载连接。
具体的，所述压电材料的材质为聚偏氟乙烯(pvdf)或锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)，其长度为2mm～10mm，其宽度与所述悬臂梁30的宽度相同，其厚度为10um～200um。优选地，在本实施例中，所述压电材料的材质为pzt，其长度为5mm，宽度为4.5mm，厚度为60um，杨氏模量为53gpa，密度为8890kg/m3，阻尼系数为0.1，压电耦合系数为-2.8e-10m/v，介电常数为4500。
优选地，在本实施例中，所述永磁体50的材质为钕铁硼磁体。
作为示例，所述低频柔性能量采集器的能量来源于肢体运动，以将肢体运动转换为所述悬臂梁的高频谐振发电；并且在一个肢体运动周期内，所述低频柔性能量采集器进行两次高频谐振发电；即当肢体伸展以拉长所述柔性衬底10时，所述悬臂梁30自由端与所述永磁体50分开，所述悬臂梁30进行高频谐振发电；当肢体回缩以使所述柔性衬底10回弹时，所述悬臂梁30自由端与所述永磁体50吸合，所述悬臂梁30以更高的谐振频率进行谐振发电。
具体的，在初始状态时，所述悬臂梁30的自由端吸合于所述永磁体50上；当所述柔性衬底10因肢体运动被拉长时，所述悬臂梁30与所述永磁体50分离，所述悬臂梁30在其共振频率(253hz)下自由振动，并通过压电薄膜40将振动的机械能转换为电能输出，如图2所示；随着阻尼的影响，所述悬臂梁30的振动逐渐衰减，直至停止；当所述柔性衬底10因肢体运动发生回弹时，由于所述悬臂梁30自由端与所述永磁体50之间的磁力大于所述悬臂梁30的回复力，故所述悬臂梁30再次吸合于所述永磁体50上，此时，所述悬臂梁30将以更高的谐振频率(1852hz)进行振动，并通过压电薄膜40将振动的机械能转换为电能输出，如图3所示。可见，当将所述能量采集器放置于人体肢体上时，随着肢体的连续运动，即可实现所述能量采集器释放/吸合过程的重复进行；而且由于所述柔性衬底的形变是发生在水平方向，与所述悬臂梁的共振方向(垂直方向)是垂直的，故肢体的慢速运动与悬臂梁的高频振动并不相关，也就是说，肢体慢速运动与悬臂梁的高频振动不会相互耦合，也不会相互影响，实现利用超低频率(亚赫兹至几赫兹)的肢体运动即可触发悬臂梁的高频稳定发电(数百至数千赫兹)。
图4a显示了在0.5hz到5.0hz的一系列低频拉伸条件下，本实施例所述能量采集器产生的时域电压，图4b显示了对其拉力的测试；为了确保在整个测试中，由拉伸引起柔性衬底应变的一致性，拉力的最大幅度保持为2.0n；当频率从5.0hz降低到0.5hz时，产生的峰峰值电压vp-p总是处于7.5v到6.7v的稳定范围内；并且在此频率范围内，瞬态峰值功率总是在1.1mw左右。可见，本实施例所述能量采集器可以产生更稳定、更高效的电能。
实施例二
如图5所示，本实施例提供了一种低频柔性能量采集器，所述低频柔性能量采集器100包括：
柔性衬底10；
支撑块20，所述支撑块20位于所述柔性衬底10上；
悬臂梁30，所述悬臂梁30的第一端固定于所述支撑块20上，所述悬臂梁30的第二端为自由端；
压电薄膜40，所述压电薄膜40位于所述悬臂梁30的上表面；以及
第一永磁体51和第二永磁体52，所述第一永磁体51和所述第二永磁体52分别位于所述悬臂梁30自由端的两角下方的所述柔性衬底10上；
其中，所述第一永磁体51与所述第二永磁体52之间设有第一预设间距，所述悬臂梁30自由端分别与所述第一永磁体51及所述第二永磁体52之间设有第二预设间距。
作为示例，所述低频能量采集器100还包括位于所述柔性衬底10和所述第一永磁体51之间，及所述柔性衬底10和所述第二永磁体52之间的支撑块20。
作为示例，所述柔性衬底10的长度为2cm～20cm，其宽度为0.4cm～2cm，其厚度为0.1mm～2mm。优选地，在本实施例中，所述柔性衬底10的材质为聚二甲基硅氧烷(pdms)，其尺寸为60×15×1.5mm3。
作为示例，所述支撑块20的材质为玻璃、硅或金属。优选地，在本实施例中，所述支撑块20的材质为玻璃。
作为示例，所述柔性衬底10和所述支撑块20之间可通过黏性材料实现粘接，也可以直接粘接。优选地，在本实施例中，所述支撑块20直接粘接于所述柔性衬底10上；即对pdms进行氧等离子体处理后，使得其与玻璃通过化学键自发键合，以实现更牢固的粘接。
作为示例，所述悬臂梁30的材质为铁磁性材料或其自由端粘接有铁磁性材料的金属材料；所述悬臂梁30的长度为5mm～20mm，其宽度与所述压电薄膜40的宽度相同，其厚度为10um～100un。优选地，在本实施例中，所述悬臂梁30为镍悬臂梁，其长度为11mm，其宽度为4.5mm，其厚度为80um，杨氏模量为200gpa，密度为7500kg/m3。
作为示例，所述压电薄膜40通过导电银浆粘接于所述悬臂梁30上表面；其中，所述压电薄膜40包括：下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上电极和所述下电极通过导线与外接负载连接。
具体的，所述压电材料的材质为聚偏氟乙烯(pvdf)或锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)，其长度为2mm～10mm，其宽度与所述悬臂梁30的宽度相同，其厚度为10um～200um。优选地，在本实施例中，所述压电材料的材质为pzt，其长度为5mm，宽度为4.5mm，厚度为60um，杨氏模量为53gpa，密度为8890kg/m3，阻尼系数为0.1，压电耦合系数为-2.8e-10m/v，介电常数为4500。
优选地，在本实施例中，所述第一永磁体51和所述第二永磁体52的材质均为钕铁硼磁体。
作为示例，所述低频柔性能量采集器的能量来源于肢体运动，以将肢体运动转换为所述悬臂梁的高频谐振发电；并且在一个肢体运动周期内，所述低频柔性能量采集器进行两次高频谐振发电；即当肢体伸展以拉长或拉宽所述柔性衬底10时，所述悬臂梁30自由端与所述第一永磁体51及所述第二永磁体52分开，所述悬臂梁30进行高频谐振发电；当肢体回缩以使所述柔性衬底10回弹时，所述悬臂梁30自由端与所述第一永磁体51及所述第二永磁体52吸合，所述悬臂梁30以更高的谐振频率进行谐振发电。
具体的，在初始状态时，所述悬臂梁30的自由端吸合于所述第一永磁体51和所述第二永磁体52上；当所述柔性衬底10因肢体运动被拉长或拉宽时，所述悬臂梁30与所述第一永磁体51及所述第二永磁体52分离，所述悬臂梁30在其共振频率(253hz)下自由振动，并通过压电薄膜40将振动的机械能转换为电能输出；随着阻尼的影响，所述悬臂梁30的振动逐渐衰减，直至停止；当所述柔性衬底10因肢体运动发生回弹时，由于所述悬臂梁30自由端与所述第一永磁体51及所述第二永磁体52之间的磁力大于所述悬臂梁30的回复力，故所述悬臂梁30再次吸合于所述第一永磁体51及所述第二永磁体52上，此时，所述悬臂梁30将以更高的谐振频率(1852hz)进行振动，并通过压电薄膜40将振动的机械能转换为电能输出。可见，当将所述能量采集器放置于人体肢体上时，随着肢体的连续运动，即可实现所述能量采集器释放/吸合过程的重复进行；而且由于所述柔性衬底的形变是发生在水平方向，与所述悬臂梁的共振方向(垂直方向)是垂直的，故肢体的慢速运动与悬臂梁的高频振动并不相关，也就是说，肢体慢速运动与悬臂梁的高频振动不会相互耦合，也不会相互影响，实现利用超低频率(亚赫兹至几赫兹)的肢体运动即可触发悬臂梁的高频稳定发电(数百至数千赫兹)。
需要说明的是，通过在所述悬臂梁自由端的两角下方分别设置两个永磁体，实现通过所述柔性衬底在水平方向上任意角度的形变均可触发所述低频柔性能量采集器的高频谐振发电，其中，所述柔性衬底在水平方向上任意角度的形变均可转换为所述柔性衬底沿其长度方向或沿其宽度方向上的形变；也就是说，通过本实施例所述低频柔性能量采集器，可实现多方向拉伸发电的功能，解决了现有能量采集器工作方向单一的问题，大大增加了本实施例所述低频柔性能量采集器应用的灵活性。
实施例三
如图6所示，本实施例提供了自供能运动计数器，所述自供能运动计数器包括：
如实施例一或实施例二所述的低频柔性能量采集器100，作为所述自供能运动计数器的供电端，并基于肢体运动以产生计数信号并输出；
加法器200，与所述低频柔性能量采集器100连接，用于接收所述低频柔性能量采集器100发送的计数信号，及读取存储器中存储的已有计数信息，并基于已有步数信息对所述计数信号进行累加处理，以实现自供能运动计数；
存储器，与所述加法器连接，用于对所述加法器输出的累加结果进行存储。
由于所述柔性衬底沿水平方向上的形变对悬臂梁在垂直方向上的谐振发电并不相互影响，故所述低频柔性能量采集器在一个肢体运动周期内可产生稳定的电压脉冲，并通过电压脉冲实现精确计数功能；而且所述低频柔性能量采集器产生的电压脉冲还可为所述自供能运动计数器供电，以实现其自供能。
综上所述，本发明的低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，具有以下有益效果：
通过本发明所述低频柔性能量采集器，可将低频的人体肢体运动转换为悬臂梁的高频谐振发电，不仅在一个肢体运动周期内可实现两次高频谐振发电，而且更由于柔性衬底的水平拉伸对悬臂梁的垂直谐振发电的影响很小，使得在亚赫兹到几赫兹的肢体运动频率范围内，所述低频柔性能量采集器均能产生稳定的电能，解决了现有能量采集器只能在较窄的频率范围内产生较稳定的电能，在低频时发电效率低而且发电不稳定的问题。
通过本发明所述低频柔性能量采集器构成的自供能运动计数器，不仅能够实现自供电，更能够在自供电的基础上实现运动计数，即通过所述低频柔性能量采集器输出的电压脉冲实现计数功能，解决了现有自供能计数方法易出现起始数据易丢失的问题，使得计数结果更精确。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。