基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构的制作方法

本发明属能量采集，尤其涉及基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构。

背景技术：

1、随着集成电路制造工艺不断革新，低功耗的微型电子产品如雨后春笋般涌现，涉及多个领域。然而，在一些特殊环境中，如人体健康监测系统、军事安全应用系统和野战跟踪系统，电源供应问题(体积大、寿命短、环境污染等因素)一直阻碍微电子器件的广泛应用。因此，为了追求微电子器件更好的使用性能和更高的使用寿命，人们开始研究能够适配微型电子产品的新型能源。

2、机械振动能作为一种最普遍、最具潜力的能源，利用静电、电磁或压电技术将其转化为电能已被广泛利用。特别是压电能量采集器具有结构简单、成本低、绿色环保，输出电压大、抗干扰能力强、集成方便等优点。

3、近十年来，各种不同尺寸或结构的振动能量采集器的开发引起了研究领域的广泛关注。传统的压电能量采集器由于其振动特性被归为线性单自由度系统，这种采集器结构简单，生产方便。然而，环境振动具有随机性、间歇性和低频特性，线性单自由度采集器有工作带宽狭窄的缺点，在这些环境中使用时，往往表现出较差的离共振性能。为了解决这些问题，现有技术提出了一些多模态设计思路，在更宽的频率范围内捕获能量。对于多模态能量收集，早期提出的结构是使用多个压电悬臂梁，但是在给定频率下只有一个梁贡献输出功率。随后研究者又提出l型结构、双悬臂梁结构、截断结构和多共振柔性能量采集结构，这些研究在一定程度上提高了工作频率带宽的性能，但是在多维方向上的频率带宽和能量采集效率方面仍然存在问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，以解决上述问题，达到多维方向能量采集、提高采集效率的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，包括：柔性底座，所述柔性底座为长方体，其顶面和底面为正方形；双层压电悬臂体，所述双层压电悬臂体有多个，多个所述双层压电悬臂体固定设置在所述柔性底座的四个侧面上，每个所述侧面至少设置有两个所述双层压电悬臂体，且位于同一侧面上的多个所述双层压电悬臂体的长度依次递增或递减；多个所述双层压电悬臂体之间串联或并联；能量采集球，所述能量采集球有多个，多个所述能量采集球的底部与柔性支柱固定连接，所述柔性支柱竖直设置，其底端与所述柔性底座的顶面或底面固定连接；位于同一面的多个所述能量采集球相对于柔性底座顶面或底面的高度依次递增或递减；多个所述能量采集球与多个所述双层压电悬臂体之间串联或并联。

3、本发明的有益效果是：

4、采用双层压电悬臂体结合能量采集球的结构对多维振动能量进行采集，其中柔性底座侧面的双层压电悬臂体主要用于采集垂直于悬臂体外表面方向的振动能量，柔性底座顶面和底面的能量采集球能够采集各个方向的自由振动，实现了多维方向振动能量采集，提高了能量采集效率；此外，双层压电悬臂体和能量采集球均按梯度分布，其谐振频率不同，能够采集多个频带上的振动能量，进而实现了拓宽可采集频带的效果，提高能量输出。

5、进一步的，所述双层压电悬臂体包括：压电层，所述压电层为前后开口内部中空的筒型结构，所述压电层有两层；基底层，所述基底层位于两层所述压电层之间，所述压电层为压电材料薄膜，两层所述压电层通过甩胶的方法旋涂在所述基底层的上下表面；质量块，所述压电层和/或所述基底层一端与所述柔性底座固定连接，另一端与所述质量块固定连接。

6、优选的，所述压电层由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯和钛酸钡中的一种材料制成或多种材料复合制成或由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯、钛酸钡、石墨烯、乙炔黑和碳纳米管中的多种材料复合制成，所述基底层由铝或铜制成，铝和铜的杨氏模量低(比较软)，符合柔性振动的特点，所述质量块由铁制成。

7、进一步的，所述能量采集球包括由内向外依次设置的：柔性球状采集芯，电极层和球体压电包裹层，所述球体压电包裹层为压电材料薄膜，所述球体压电包裹层通过甩胶的方法旋涂在所述电极层的外表面，所述电极层的内表面与所述柔性球状采集芯固定连接，所述柔性支柱与所述电极层固定连接。

8、优选的，所述球体压电包裹层由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯和钛酸钡中的一种材料制成或多种材料复合制成或由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯、钛酸钡、石墨烯、乙炔黑和碳纳米管中的多种材料复合制成，所述电极层由铝或铜制成。

9、优选的，所述柔性底座由聚二甲基硅氧烷制成，所述柔性支柱由聚二甲基硅氧烷制成。

技术特征：

1.基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述柔性底座(1)由聚二甲基硅氧烷制成。

3.根据权利要求1所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述双层压电悬臂体(2)包括：

4.根据权利要求3所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述压电层(201)由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯和钛酸钡中的一种材料制成或多种材料复合制成或由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯、钛酸钡、石墨烯、乙炔黑和碳纳米管中的多种材料复合制成。

5.根据权利要求3所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述基底层(202)由铝或铜制成，所述质量块(203)由铁制成。

6.根据权利要求1所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述能量采集球(3)包括由内向外依次设置的：柔性球状采集芯(301)，电极层(302)和球体压电包裹层(303)，所述球体压电包裹层(303)为压电材料薄膜，所述球体压电包裹层(303)通过甩胶的方法旋涂在所述电极层(302)的外表面，所述电极层(302)的内表面与所述柔性球状采集芯(301)固定连接，所述柔性支柱(4)与所述电极层(302)固定连接。

7.根据权利要求6所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述球体压电包裹层(303)由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯和钛酸钡中的一种材料制成或多种材料复合制成或由锆钛酸铅、聚偏氟乙烯、钛酸钡、石墨烯、乙炔黑和碳纳米管中的多种材料复合制成。

8.根据权利要求6所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述电极层(302)由铝或铜制成。

9.根据权利要求1所述的基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，其特征在于，所述柔性支柱(4)由聚二甲基硅氧烷制成。

技术总结
本发明提供基于球体与双层压电悬臂体阵列组装的多维能量采集结构，包括：柔性底座，柔性底座为长方体，双层压电悬臂体固定设置在柔性底座的四个侧面上，双层压电悬臂体之间串联或并联，能量采集球的底部与柔性支柱固定连接，能量采集球与双层压电悬臂体之间串联或并联；采用双层压电悬臂体结合能量采集球的结构对多维方向振动能量进行采集，双层压电悬臂体主要用于采集垂直于悬臂体外表面方向的振动能量，能量采集球能够采集各个方向的自由振动，实现了多维方向振动能量采集，提高了能量采集效率；此外，双层压电悬臂体和能量采集球均按梯度分布，其谐振频率不同，能够采集多个频带上的振动能量，进而实现了拓宽可采集频带的效果，提高能量输出。

技术研发人员：孙静,罗翠线,李新科,秦敏哲
受保护的技术使用者：大同市森源激光再制造技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13