新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种MEMS能量技术领域的能量收集装置，尤其是涉及一种新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着微电子、微传感器、无线通信等技术的革新，集无线通讯、信息采集与分布式信息处理等功能为一体的无线传感器网络的得到了很好的发展。无线传感器网络是由大量低成本集成微传感器、数据处理器和无线传输模块的传感器节点通过自组织方式形成的网络。通过内置于节点中的传感器对所处周围环境信号进行实时地感知、采集和监测，将改变人类与自然界的交互方式，实现对我们所处的物理世界实施全面的控制和监测，使逻辑信息世界与客观物理世界相互融合在一起，其在环境监测、远程测控、城市交通管理、仓储管理、医疗监护、军事侦察、空间探索等诸多领域展现出广泛的应用前景。
[0003]随着时代的发展，微机电系统(MEMS)技术和集成电路技术的不断进步，基于振动的MEMS能量收集装置由于其持续长且不损害环境的优势显得尤为重要。能量收集器已经广泛应用，包括各种民用和军用。在这些应用中，最为突出的是为无线传感器节点供电。多跳传感器网络的应用的主要瓶颈是各节点的供电问题。由于布线或更换电池成本过高，网络中的稠密节点供电成为关键问题。对植入式或便携式节点传感器和电子设备来说，常见的能量供给设备为电池。然而电池的能量密度和寿命有限，正常情况下锂电池能量密度一般在0.8kWh/cm3左右。因而电子设备中的电池必须经常更换，但在很多场合，更换电池极为不方便甚至会引起不堪设想的后果。为解决电池供电问题，可从环境中收集能量，为电池充电或者直接为电子器件供电。近年来收集环境中的能量来实现低功耗器件的能量自给受到了广泛关注。环境中可收集利用的能量有太阳能、热能、机械振动能等。机械振动能是环境中广泛的能源之一，自然生活与工作环境中的振动几乎无处不在，且不像太阳能、热能等受到自然条件制约，直接从环境中收集振动能为低功耗电子器件供能具有广阔的应用前景。
[0004]目前虽然压电振动能量收集结构研宄得相对较多，但其存在不少的缺陷。如单悬臂梁单质量块压电振动能量收集结构，其频带宽度为2 ξ ωη(ξ为结构阻尼比；ωη为结构固有频率)，当其在十几赫兹的低频振动环境中工作，阻尼比为0.02时，其带宽不到I赫兹。而实际环境的振动频率一般存在一定的波动，压电能量收集结构的带宽若过窄便无法满足实际需求。
【发明内容】
[0005]为了克服现有的能量收集装置带宽较窄等问题，本实用新型提供一种新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，能够拓宽应用频宽，以满足实际需求。
[0006]本实用新型解决为了实现上述目的，采用如下的技术方案:
[0007]包括基座和扭纵振多模态压电振子。扭纵振多模态压电振子为悬臂梁式压电振子，包括若干分支、连接分支的底铜片和质量块。每个分支由黄铜材质的基层、上双晶压电层、下双晶压电层、上铜质电极、下铜质电极组成。中间的分支长两边的分支短，两边分支的长度也不相同。所有分支的基层分别固定在与其垂直的底铜片上。上双晶压电层、下双晶压电层分别用环氧树脂粘结在分支的基层的上面、下面上，在上双晶压电层的上层和下双晶压电层的下层分别粘有上铜质电极和下铜质电极。质量块固定于连接所有基层的底铜片上。最长的中间分支的一端通过键连接固定于基座上，其他部分均为悬空。
[0008]按上述方案，所述的分支设有第一分支、第二分支、第三分支，第二分支长两边的第一分支、第三分支短，第一分支、第三分支的长度也不相同。三个分支分别固定在与其垂直的底铜片上。上双晶压电层、下双晶压电层有三对，三对上双晶压电层、下双晶压电层分别用环氧树脂粘结在第一分支基层、第二分支基层、第三分支基层的上面、下面上，成为三个压电悬臂梁。
[0009]按上述方案，所述的分支设有第一分支、第二分支、第三分支、第四分支、第五分支，中间的第二分支长两边的第一分支、第三分支、第四分支、第五分支短，两边分支的长度也不相同，第四分支、第五分支短于第一分支、第三分支。五个分支分别固定在与其垂直的底铜片上。上双晶压电层、下双晶压电层有五对，五对上双晶压电层、下双晶压电层分别用环氧树脂粘结在五个分支的基层的上面、下面上，成为五个压电悬臂梁。
[0010]按上述方案，所述的上双晶压电层、下双晶压电层为PZT-5H材质。
[0011 ] 按上述方案，所述的质量块为钨合金材质。
[0012]本实用新型的有益效果是:利用正压电效应，通过不同长度不同应变的压电振子分支，可以收集环境中不同模态的振动能量，拓宽收集振动能量的频宽，提高能量转换效率。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的结构立体示意图。
[0014]图2是本实用新型的结构俯视示意图。
[0015]图3是本实用新型的分支的结构示意图。
[0016]图4是本实用新型的基层的结构示意图。
[0017]图5是本实用新型扩展分支的结构立体示意图。
[0018]图中:1.基座，2.第一分支，3.第二分支，4.第三分支，5.质量块，6.上铜质电极，7.上双晶压电层，8.基层，9.下双晶压电层，10.下铜质电极，11.第三分支基层，12.第二分支基层，13.第一分支基层，14.底铜片，15.第四分支，16.第五分支。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型。
[0020]实施例一
[0021]如图1，图2和图3所不，包括基座I和扭纵振多模态压电振子。扭纵振多模态压电振子是悬臂梁式压电振子，包括第一分支2、第二分支3、第三分支4、连接三个分支的底铜片14和钨合金材质的质量块5。由第一分支基层13、第二分支基层12、第三分支基层11组成的黄铜材质的基层8与连接三个分支基层的底铜片14组成山字型。三对PZT-5H材质的上双晶压电层7、下双晶压电层9分别用环氧树脂粘结在基层8的第一分支基层13、第二分支基层12、第三分支基层11上，在上双晶压电层7的上层和下双晶压电层9的下层分别粘有上铜质电极6和下铜质电极10。
[0022]位于中间的第二分支3长，两边的第三分支4和第一分支2短，第三分支4和第一分支长度也不相同。
[0023]质量块固定于连接所有基层8的底铜片14上，最长的第二分支3的一端通过键连接固定于基座I上，其他部分均为悬空。
[0024]实施例二
[0025]如图5所示，能够通过扩展更多的分支来更好的拓宽能量收集装置的频宽。在实施例一的基础上，增加第四分支15和第五分支16，第四分支15和第五分支16的长度均小于其他三个分支，第四分支15和第五分支16均由黄铜材质的基层8、PZT-5H材质的上双晶压电层7、下双晶压电层9、上铜质电极6、下铜质电极10组成。通过扩展分支，从而增加了不同的谐振频率点，达到了拓宽频宽的目的。
[0026]以上述实施例为基础，通过增加更多的分支，还能够达到更好的拓宽带宽的效果。
[0027]自然状态下，双晶压电振子静止不动。当环境中存在振动能量时，压电振子随之振动，基层8上的上双晶压电层7和下双晶压电层9由于正压电效应产生电能，当环境中的振动频率与该结构固有频率相近时，结构共振，此时该结构的输出电压将达到最大。由于该能量收集装置是扭纵振多模态的，其分支的长度不同，所有分支中只有最长的分支固定，且每个分支都有着各自不同的谐振频率，该装置不仅在竖直状态有较大变形，还具有较大的扭矩，可通过调整结构参数使得谐振频率连续，因而能够在一定的频率范围内谐振或接近谐振，从而实现在比较宽的频率范围内高效的收集能量。
【主权项】
1.一种新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，其特征在于:包括基座(I)和扭纵振多模态压电振子；扭纵振多模态压电振子为悬臂梁式压电振子，包括若干分支、连接分支的底铜片(14)和质量块(5);每个分支由黄铜材质的基层(8)、上双晶压电层(7)、下双晶压电层(9)、上铜质电极(6)、下铜质电极(10)组成；中间的分支长两边的分支短，两边分支的长度也不相同；所有分支的基层分别固定在与其垂直的底铜片(14)上；上双晶压电层(7)、下双晶压电层(9)分别用环氧树脂粘结在分支的基层(8)的上面、下面上，在上双晶压电层(7)的上层和下双晶压电层(9)的下层分别粘有上铜质电极(6)和下铜质电极(10);质量块(5)固定于连接所有基层(8)的底铜片(14)上；最长的中间分支的一端通过键连接固定于基座(I)上，其他部分均为悬空。
2.根据权利要求1所述的新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，其特征在于:所述的上双晶压电层(7)、下双晶压电层(7)为PZT-5H材质。
3.根据权利要求1或2所述的新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，其特征在于:所述的质量块(5)为钨合金材质。
4.根据权利要求3所述的新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，其特征在于:所述的分支设有第一分支(2)、第二分支(3)、第三分支(4)，第二分支(3)长两边的第一分支(2)、第三分支(4)短，第一分支(2)、第三分支(4)的长度也不相同；三个分支分别固定在与其垂直的底铜片(14)上；上双晶压电层(7)、下双晶压电层(9)有三对，三对上双晶压电层(7)、下双晶压电层(9)分别用环氧树脂粘结在第一分支基层(13)、第二分支基层(12)、第三分支基层(11)的上面、下面上，成为三个压电悬臂梁。
5.根据权利要求3所述的新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，其特征在于:所述的分支设有第一分支(2)、第二分支(3)、第三分支(4)、第四分支(15)、第五分支(16)，中间的第二分支(3)长两边的第一分支(2)、第三分支(4)、第四分支(15)、第五分支(16)短，两边分支的长度也不相同，第四分支(15)、第五分支(16)短于第一分支(2)、第三分支(4);五个分支分别固定在与其垂直的底铜片(14)上；上双晶压电层(7)、下双晶压电层(9)有五对，五对上双晶压电层(7)、下双晶压电层(9)分别用环氧树脂粘结在五个分支的基层(8)的上面、下面上，成为五个压电悬臂梁。
【专利摘要】一种新型扭纵振多模态宽频双晶压电能量收集装置，包括基座和扭纵振多模态压电振子。扭纵振多模态压电振子包括若干分支、连接分支的底铜片和质量块。每个分支由黄铜材质的基层、上双晶压电层、下双晶压电层、上铜质电极、下铜质电极组成。中间的分支长两边的分支短，两边分支的长度也不相同。所有分支的基层分别固定在与其垂直的底铜片上。上双晶压电层、下双晶压电层分别用环氧树脂粘结在分支的基层的上面、下面上，在上双晶压电层的上层和下双晶压电层的下层分别粘有上铜质电极和下铜质电极。质量块固定于连接所有基层的底铜片上。最长的中间分支的一端通过键连接固定于基座上，其他部分均为悬空。可以收集环境中不同模态的振动能量，拓宽收集振动能量的频宽，提高能量转换效率。
【IPC分类】H02N2-18
【公开号】CN204361937
【申请号】CN201420850415
【发明人】陈定方, 张斯阳, 孙科, 朱雄涛
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月29日