一种互补型六级圆弧型压电式能量收集器的制作方法

本实用新型涉及一种互补型六级圆弧型压电式能量收集器，属于能量收集
技术领域：
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背景技术：
：压电能量收集器利用压电效应方式将周围环境中无法直接利用的机械能转换为可以直接利用的电能。目前常用的压电式能量收集器通常为直型结构，在该结构下虽然可以起到能量收集的作用，但是实验表明可收集的能量频率范围较小，输出电势较低。除此之外，直型结构的压电能量收集器还有稳定性低、空间利用率少等一系列缺陷。双自由度圆弧压电式能量收集器通过外界振动施加于质量块顶面或侧面，悬梁振动形变，压电层产生电势，它虽然在一定程度上提升了收集能量的频率范围和输出能量的功率强度，但是考虑到现实操作情况，简单的圆弧型压电式能量收集器很难满足实际的能量收集需求。高性能圆弧型压电能量收集器在一定的弧度下输出高电势，一阶频率大，多阶带宽长。双自由度圆弧型压电式能量收集器在一定的弧度下产生高电势一阶频率小，多阶带宽短，但两者均解决了能量吸收方向的单一性，可以吸收质量块顶面和侧面方向的振动能量。三阶智能圆弧型压电能量收集器，虽说保留了高性能圆弧形压电能量收集器和双自由度圆弧形压电能量收集器能够吸收顶面和侧面方向的振动能量的优点，同时在能量收集范围和输出电势方面有了一定的改善，但是在实现顶面和侧面均可进行能量吸收的同时，不能将圆弧型压电层对称级联，进一步提高能量收集器的工作频带宽度、输出电势、器件稳定性。技术实现要素：本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种互补型六级圆弧型压电式能量收集器。本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种互补型六级圆弧型压电式能量收集器，包括相互对称的第一组悬臂梁和第二组悬臂梁，所述第一组悬臂梁与第二组悬臂梁之间通过固定质量块连接。优选地，所述第一组悬臂梁包括依次套设的第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁，所述第一悬臂梁的半径为R1，第二悬臂梁的半径为R2，第三悬臂梁的半径为R3，第一悬臂梁的半径R1小于第二悬臂梁的半径R2，第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3。优选地，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的左端均与可调质量块连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与固定质量块连接。优选地，所述第一悬臂梁为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片上附着设置有第一压电层，所述第一压电层为一圆弧型材料层，所述第二悬臂梁为弧度为180度的第二圆弧型薄片，所述第二圆弧型薄片上附着设置有第二压电层，所述第二压电层为一圆弧型材料层，所述第三悬臂梁为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片上附着设置有第三压电层，所述第三压电层为一圆弧型材料层，所述第一压电层、第二压电层和第三压电层的上方均活动设置有可调质量块。优选地，所述第二组悬臂梁包括依次套设的第四悬臂梁、第五悬臂梁和第六悬臂梁，所述第四悬臂梁的半径为R4，第五悬臂梁的半径为R5，第六悬臂梁的半径为R6，第四悬臂梁的半径R4小于第五悬臂梁的半径R5，第五悬臂梁的半径R5小于第六悬臂梁的半径R6。优选地，所述第四悬臂梁、第五悬臂梁和第六悬臂梁的左端均与固定质量块连接，所述第四悬臂梁、第五悬臂梁和第六悬臂梁的右端均与金属固定端连接。优选地，所述第四悬臂梁为弧度为180度的第四圆弧型薄片，所述第四圆弧型薄片上附着设置有第四压电层，所述第四压电层为一圆弧型材料层，所述第五悬臂梁为弧度为180度的第五圆弧型薄片，所述第五圆弧型薄片上附着设置有第五压电层，所述第五压电层为一圆弧型材料层，所述第六悬臂梁为弧度为180度的第六圆弧型薄片，所述第六圆弧型薄片上附着设置有第六压电层，所述第六压电层为一圆弧型材料层，所述第四压电层、第五压电层和第六压电层的上方均活动设置有可调质量块。优选地，所述第一圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第二圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第三圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第二圆弧型薄片与第三圆弧型薄片之间的间隔为1mm；所述第四圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第五圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第六圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度，所述第四圆弧型薄片与第五圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第五圆弧型薄片与第六圆弧型薄片之间的间隔为1mm。优选地，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成；所述固定质量块和可调质量块均采用镍材料制成，所述固定质量块和可调质量块的长、宽、高分别为10mm。优选地，所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层和第六压电层均为PZT-5H；所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层和第六压电层的弧度均为120度，所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层、第六压电层的内径均为20mm，外径均为30mm，厚度均为0.3mm。本实用新型技术方案的优点主要体现在：本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器将六片压电层对称级联，在外加激励载荷不变的情况下，可有效地增大压电层的面积，进而使得能量收集器可以吸收、转化、传输更多的能量。与传统的压电式能量收集装置相比，该互补型六级圆弧型压电能量收集器的输出电势明显增大。对于同样大小的质量块而言，本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器将六片压电层对称级联，而传统的压电式能量收集器通常只有一至两片压电层，这意味着本技术方案的能量收集器结构有效地提高了空间利用率，进而提高了本技术方案作为压电集成芯片的集成单元小模块的集成度。本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器与传统压电能量收集器相比，其一阶谐振频率更低，有效工作频带带宽大幅度提高，多阶带宽较短。因此，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器中，六片悬臂梁与可调质量快关于位于器件中央的固定质量块对称，因而具有很好的对称性，这使得互补型六级圆弧型压电能量收集器具有更好地稳定性。本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器可以分别设计六块可调质量块在各个压电层的位置，进而将压电层可收集的能量频率控制于一点，实现能量的高功率传输。由于MEMS是以光刻与溅射工艺为主，所以相比于较传统的压电式能量收集器结构，本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器由原先的6层搭建简化为2层，并将质量块与连接片统一简化为圆弧形，这也极大简化了工艺制作过程。附图说明图1为本实用新型的一种互补型六级圆弧型压电式能量收集器的结构示意图。图2为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的结构俯视图。图3为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的一阶能量输出功率与频率的图像。图4为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的二阶能量输出功率与频率的图像。图5为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的三阶能量输出功率与频率的图像。图6为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的四阶能量输出功率与频率的图像。图7为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的五阶能量输出功率与频率的图像。图8为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器的六阶能量输出功率与频率的图像。图9为本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器可输出的高功率能量与频率的图像。具体实施方式本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。本实用新型揭示了一种互补型六级圆弧型压电式能量收集器，如图1和图2所示，该压电式能量收集器包括相互对称的第一组悬臂梁100和第二组悬臂梁200，所述第一组悬臂梁与第二组悬臂梁之间通过固定质量块300连接。如图1所示，所述第一组悬臂梁100包括依次套设的第一悬臂梁10、第二悬臂梁20和第三悬臂梁30，所述第一悬臂梁的半径为R1，第二悬臂梁的半径为R2，第三悬臂梁的半径为R3，第一悬臂梁的半径R1小于第二悬臂梁的半径R2，第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3。所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的左端均与可调质量块400连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与固定质量块500连接。本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器可以分别设计六块可调质量块在各个压电层的位置，进而将压电层可收集的能量频率控制于一点，实现能量的高功率传输。由于MEMS是以光刻与溅射工艺为主，所以相比于较传统的压电式能量收集器结构，本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器由原先的6层搭建简化为2层，并将质量块与连接片统一简化为圆弧形，这也极大简化了工艺制作过程。对于同样大小的质量块而言，本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器将六片压电层对称级联，而传统的压电式能量收集器通常只有一至两片压电层。这意味着本技术方案的能量收集器结构有效地提高了空间利用率，进而提高了本技术方案作为压电集成芯片的集成单元小模块的集成度。所述第一悬臂梁10为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片上附着设置有第一压电层11，所述第一压电层为一圆弧型材料层，所述第二悬臂梁20为弧度为180度的第二圆弧型薄片，所述第二圆弧型薄片上附着设置有第二压电层21，所述第二压电层为一圆弧型材料层，所述第三悬臂梁30为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片上附着设置有第三压电层31，所述第三压电层为一圆弧型材料层，所述第一压电层、第二压电层和第三压电层的上方均活动设置有可调质量块400。所述第一圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第二圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第三圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第二圆弧型薄片与第三圆弧型薄片之间的间隔为1mm。所述第二组悬臂梁200包括依次套设的第四悬臂梁40、第五悬臂梁50和第六悬臂梁60，所述第四悬臂梁的半径为R4，第五悬臂梁的半径为R5，第六悬臂梁的半径为R6，第四悬臂梁的半径R4小于第五悬臂梁的半径R5，第五悬臂梁的半径R5小于第六悬臂梁的半径R6。所述第四悬臂梁、第五悬臂梁和第六悬臂梁的左端均与固定质量块连接，所述第四悬臂梁、第五悬臂梁和第六悬臂梁的右端均与金属固定端600连接。所述第四悬臂梁40为弧度为180度的第四圆弧型薄片，所述第四圆弧型薄片上附着设置有第四压电层41，所述第四压电层为一圆弧型材料层，所述第五悬臂梁50为弧度为180度的第五圆弧型薄片，所述第五圆弧型薄片上附着设置有第五压电层51，所述第五压电层为一圆弧型材料层，所述第六悬臂梁60为弧度为180度的第六圆弧型薄片，所述第六圆弧型薄片上附着设置有第六压电层61，所述第六压电层为一圆弧型材料层，所述第四压电层、第五压电层和第六压电层的上方均活动设置有可调质量块。所述第四圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第五圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度；所述第六圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为120度，所述第四圆弧型薄片与第五圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第五圆弧型薄片与第六圆弧型薄片之间的间隔为1mm。将六片圆弧形压电层对称级联，在外加负载激励不变的情况下，提高了结构的空间利用率，进而增大了用于能量转化和传输的压电层面积，扩展了能量收集器可收集能量的频率范围，便于更加广泛地吸收、传输、转化能量，同时提升了器件的可靠性和稳定性。通过设置六块可调质量块的位置，使三片压电层同时吸收同一频率的能量，实现能量的共振，达到对于特定频率的能量进行高功率传输的目的。所述悬臂梁采用磷青铜材料制成，本结构的悬臂梁构型为采用磷青铜材料构成的弧度为180度的圆弧形薄片，它的内半径Ra=20mm，外半径Rb=30mm，宽度W=10mm，基层的厚度HS=0.5mm。所述固定质量块和可调质量块均采用镍材料制成，所述固定质量块和可调质量块的长、宽、高分别为10mm，所示固定质量块与可调质量块的弧长L=10rad，高HM=10mm。所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层和第六压电层均为PZT-5H。所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层和第六压电层的弧度均为120度，所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层、第六压电层的内径均为20mm，外径均为30mm，厚度均为0.3mm，每个所述压电层均为采用PZT-5H为材料构成的弧度为160度的圆弧形薄片。本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器将六阶压电层对称地级联在一起，有效地扩大了收集能量的频率范围。为了突出本实用新型可收集能量频率范围大这一优势，在质量块顶部施加边界载荷为10pa的压力作为电压激励，汇总1、2、3、4、5、6号压电层可覆盖的能量吸收频率，如下表1所示。表1压电层可覆盖的能量吸收频率单位(Hz)压电层可吸收的能量频率一级（1）9085807370605550454035二级（2）5049464544434039.5393635三级（3）4544434241404039383737四级（4）12011075705050454443.543424140363530五级（5）3102151651301201101051009590858075757070六级（6）9590858583807575737065六级压电层对称级联3102151651301201009590858380757370656055504946454443.54342414039.5393837363530。依据上表1可知，本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器将六片压电层级联起来，很大程度地扩展了能量收集器可收集能量的频率范围，提高了工作频带的带宽。与传统的一阶、二阶压电能量收集装置相比较，本技术方案的压电能量收集器能够更加广泛的吸收、转化、传输能量。虽然六片附着在悬臂梁上的压电层均可起到能量收集的作用，但是对于同样的角度而言，压电层可收集的能量频率、传输的能量功率并不相同。对质量块顶部施加边界载荷为10pa的压力作为电压激励，变化可调质量块的移动角度，分别得到一阶、二阶、三阶、四阶、五阶、六阶的输出能量功率与频率的关系曲线图，如图3和图4和图5和图6和图7和图8所示，图3为压电能量收集器的一阶能量输出功率与频率的图像，图3横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图4为压电能量收集器的二阶能量输出功率与频率的图像，图4横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图5为压电能量收集器的三阶能量输出功率与频率的图像，图5横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图6为压电能量收集器的四阶能量输出功率与频率的图像，图6横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图7为压电能量收集器的五阶能量输出功率与频率的图像，图7横坐标表示频率，纵坐标表示能量输出功率，图8为压电能量收集器的六阶能量输出功率与频率的图像，图8横坐标表示频率，纵坐标表示能量输出功率。分析图3和图4和图5和图6和图7和图8可知，对于一阶压电层，在频率为50Hz时，有最大功率0.829W；对于二阶压电层，在频率为44Hz时，有最大功率0.454Hz；对于三阶压电层，在频率为37Hz时，有最大功率0.371W；对于四阶压电层，在频率为41Hz时，有最大功率0.024W；对于五阶压电层，在频率为90Hz时，有最大功率0.049W；对于六阶压电层，在频率为70Hz时，有最大功率0.041W。显然，对于固定质量块两侧的压电层而言，随着阶数的增加，各压电层可单独输出的最大功率值受到限制。为了弥补这一缺陷，本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器通过移动可调质量块在压电层上的位置，如图2所示，使得六片压电层所传输的能量频率相等，此时六片压电层上的能量出现共振，总的输出能量为六片压电层上传输的能量之和。这样实现了将频率控制于一点输出超高功率的能量传输特性，同时对该频率的能量起到了智能筛选作用，较传统的压电能量收集器具有明显的优越性。为了更好地体现本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器对于特定频率能量的高功率传输优势，不断调节可调质量块的角度，使得各压电层处于同一能量吸收频率，并绘制本实用新型的互补型六级圆弧型压电式能量收集器可输出的高能量的功率与频率的关系图线如图9所示，图9为互补型六级圆弧型压电能量收集器可输出的高功率能量与频率的图像，图9横坐标表示频率，纵坐标表示能量输出功率。由图9可知，在频率为50Hz、45Hz、44Hz、43Hz处，分别对应0.96W、0.66W、0.54W、0.50W的高功率输出。该功率值明显高于一、二、三、四、五、六阶电压层单独输出的能量功率，同时，高功率输出点对应的频率均在50Hz以下。因此本实用新型的互补型六级圆弧型压电能量收集器高功率传输优势明显，且具有较好的低频特性。相较于传统的压电式能量收集器而言，本技术方案提供的互补型六级圆弧型压电能量收集器，在特定结构下可进行能量吸收的多维度调节，在实现大频率范围内振动能量吸收的同时，又可以将频率控制于一点输出高功率，除此之外，本技术方案还具有稳定性高、易于集成化、微型化等优点。本技术方案的互补型六级圆弧型压电能量收集器由六片压电层对称级联组成，较传统的压电式能量收集器而言，当激励作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器可以产生更高功率的能量。同时，该互补型六级圆弧型压电能量收集器还可以提高器件的空间利用率，提升集成度，增强稳定性，具有较高的研究价值。本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3