一种基于分形结构的小型宽带振动换能器及其封装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及振动换能器技术领域，特别是一种基于分形结构的小型宽带振动换能器及其封装方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着无线网络和便携式电子设备的日益发展，传统电池的弊端日益得到人们的关注，如体积大、对环境造成污染等问题。如果设备处于一些特殊的环境，更换电池是很困难的，因此人们希望用可循环发展的绿色能源来替代传统电池。其中以能量采集技术最为受到关注。能量采集技术主要通过换能器自发的从环境中采集能量，其本质是利用各种物理或者化学效应将换能器所处自然环境中的各种能量转换成可利用能量的过程。
[0003]目前，采集环境中的振动机械能，一般采用悬臂梁结构，使其振动频率与环境中的振动频率相接近，从而产生共振。但是普通的悬臂梁结构，特别是小型换能器存在响应频率过高、频带窄、能量转换密度较低等一系列问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于分形结构的小型宽带振动换能器及其封装方法，拓宽了共振频带，改善了当前振动换能器频率单一的缺点，并且单位体积内振动响应频率更多，转换能量高。
[0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
根据本发明提出的一种基于分形结构的小型宽带振动换能器，包括若干个换能单元和内部设有电极的框体；其中，所述换能单元包括若干个相互连接的相同的皮亚诺分形曲线分形结构，所述皮亚诺分形曲线分形结构至少有一端与框体固定连接。
[0006]作为本发明所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器进一步优化方案，所述框体为金属框。
[0007]作为本发明所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器进一步优化方案，所述框体为铜框。
[0008]基于一种基于分形结构的小型宽带振动换能器的封装方法，包括以下步骤:
采用压电聚合物薄膜将分形结构进行压合形成压电聚合物薄膜层；
利用框体对所述压电聚合物薄膜层的四周进行固定；
利用有机玻璃对所述框体表面进行封装。
[0009]作为本发明所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器的封装方法进一步优化方案，所述框体对压电聚合物薄膜层采用导电胶相粘方式固定。
[0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
(1)本发明提供的基于分形结构的小型宽带振动换能器，采用皮亚诺分形曲线分形结构作为基础结构，通过若干个皮亚诺分形曲线分形结构相互互连，得到不同的频率节点，从而拓宽了振动换能器频带的响应频带宽度，同时也保证了采集能量密度的大小，从而能够在一个谐振频率下采集到更多的能量，并且充分利用材料，能够有效的拓宽振动换能器的频带响应宽度以及增加单位面积的能量采集密度，能够作为无线传感器以及其他微型器件的电源；
(2)本发明提出了分形结构振动换能器概念，技术原理新、换能容量大；采用分形作为主要结构，并在此基础上进行优化设计，拓宽了共振频带，改善了当前振动换能器频率单一的缺点，并且单位体积内振动响应频率更多，转换能量高。
【附图说明】
[0011]图1为本发明中实施例一的基于分形结构的小型宽带振动换能器的结构示意图。
[0012]图2为本发明中换能单元Peano2.0分形结构。
[0013]图3为本发明中若干个换能单元Peano2.0组合构成的另一种换能单元。
[0014]图4为本发明带宽振动换能器还能用于能量采集系统的模块示意图。
[0015]图中的附图标记解释为:1_框体，2-若干个相同的皮亚诺分形曲线分形结构构成的换能单元，3-皮亚诺分形曲线分形结构，4-若干相同的个皮亚诺分形曲线分形结构构成的一种换能单元。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0017]如图1所示，本发明设计了一种基于分形结构的小型宽带振动换能器，包括由分形结构组成的换能单元2和外部设有电极的框体1，其中所述换能单元2由若干个皮亚诺分形曲线分形结构3相互连接构成；所述分形皮亚诺分形曲线构成的换能单元至少一端与框体固定连接；在环境产生振动时，所述各换能单元根据环境振动频率接收振动，以及所述换能单元根据接收的振动获得所受应力且转换成电能；所述框体通过电极将电能引出。
[0018]由此，通过分形结构得到多个不同的频率节点，从而拓宽了振动换能器频带的响应频带宽度，同时也保证了采集能量密度的大小，从而能够在一个谐振频率下采集到更多的能量。
[0019]本实施例的分形结构的原型为皮亚诺分形曲线分形结构3。通过若干个该分形结构3相互连接构成一种换能单元4，此换能单元拓宽了振动换能器频带的响应频带宽度，如图1所示。
[0020]本实施例的宽带振动换能器，如图1所示，该结构采用一个大框体1和以皮亚诺分形曲线分形结构3为基础结构构成一种换能单元2，皮亚诺分形曲线分形结构作为主要要素。皮亚诺分形曲线分形结构至少有一端与宽体相连接，框体1可以优选采用采用金属铜框。图2为本发明中换能单元Peano2.0分形结构。图3为本发明中若干个换能单元Peano2.0组合构成的另一种换能单元。
[0021]本发明的结构进行悬臂梁化的原理是:换能单元2需有一端与框体1相连接，保持整体性；换能单元间的单元要尽可能少的有连接处，保持独立性，从而能够在产生谐振时更少的受到其他换能单元的牵引受阻；通过上述设计原则得到的分形结构具有整体性和独立性。
[0022]本发明的带宽振动换能器还能用于能量采集系统之中，如图4所示为本发明带宽振动换能器还能用于能量采集系统的模块示意图。系统包括模数转换器、电能变换器、控制器和存储装置，由发明的带宽振动换能器连接模数转换器，所述模数转换器与电能变换器相连；所述电能变换器与控制器、存储装置分别相连。本发明的带宽振动换能器用于对压电振动进行采集，系统根据功率大小及输出阻抗，通过控制器控制，将产生的电能直接利用或存储到存储装置中，为了实现该目的，需要将换能器的输出电极与模数转换器的接口电路相结合。此外为了能够进行电能存储，需要设计合适的电路，使得换能器能够适用于各种负载要求。
[0023]在上述带宽振动换能器的基础上，本发明还提供了一种如上述基于分形结构的小型宽带振动换能器的封装方法，包括以下步骤:
首先，本发明采用压电聚合物薄膜为材料，利用压电聚合物薄膜将分形结构进行压合形成压电聚合物薄膜层。
[0024]其次，利用框体对所述压电聚合物薄膜层的四周进行固定；即将图1中的四周框体进行加宽，上下选用两片金属铜框夹住。
[0025]最后，利用有机玻璃对所述框体表面进行封装，即在铜框的上下表面分别引出电极，最后再在外围通过有机玻璃进行封装。
[0026]所述封装方法中，优选地，将金属框与压电聚合物薄膜层之间采用导电胶相粘。利用导电胶固定使得框体与压电聚合物薄膜层固定更加紧密，且容易输出电能。
[0027]综上，本发明所提供的基于皮亚诺分形曲线分形结构的小型宽带振动换能器，能够有效的拓宽振动换能器的频带响应宽度以及增加单位面积的能量采集密度，拓宽了共振频带，改善了当前振动换能器频率单一的缺点，并且单位体积内振动响应频率更多，转换能量高，能够作为无线传感器以及其他微型器件的电源。
[0028]上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【主权项】
1.一种基于分形结构的小型宽带振动换能器，其特征在于，包括若干个换能单元和内部设有电极的框体；其中，所述换能单元包括若干个相互连接的相同的皮亚诺分形曲线分形结构，所述皮亚诺分形曲线分形结构至少有一端与框体固定连接。2.根据权利要求1所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器，其特征在于，所述框体为金属框。3.根据权利要求1所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器，其特征在于，所述框体为铜框。4.基于权利要求1所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤: 采用压电聚合物薄膜将分形结构进行压合形成压电聚合物薄膜层； 利用框体对所述压电聚合物薄膜层的四周进行固定； 利用有机玻璃对所述框体表面进行封装。5.根据权利要求4所述一种基于分形结构的小型宽带振动换能器的封装方法，其特征在于:所述框体对压电聚合物薄膜层采用导电胶相粘方式固定。
【专利摘要】本发明公开了一种基于分形结构的小型宽带振动换能器，包括若干个换能单元和内部设有电极的框体；其中，所述换能单元包括若干个相互连接的相同的皮亚诺分形曲线分形结构，所述皮亚诺分形曲线分形结构至少有一端与框体固定连接；在环境产生振动时，所述分形结构组成的换能单元根据环境振动频率有选择的接收振动，换能单元根据接收的振动获得所受应力且转换成电能；所述框体通过电极将电能引出。本发明能够拓宽频带响应度、转换能量高。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN105406766
【申请号】CN201510863481
【发明人】梁忠诚, 刘瑞华, 王燕, 丁若尧, 赵瑞, 孔梅梅
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月1日