一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器制造技术

本发明专利技术提供了一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器。通常俘能器只能工作在频率大的环境下，当外界频率较小时输出极低，无法满足低频振动场所俘能的需要。本发明专利技术的结构包括弹簧，第一质量块，第二质量块，带空腔的悬臂基板，压电片，支座。本俘能器可以在保证提升输出电压、电功率的同时升高外界的振动频率，并降低自身的固有频率。在周围环境低频振动时，弹簧质量系统凭借较低的固有频率发生共振，第一质量块冲击第二质量块，达到升频的目的；第二质量块粘接在悬臂基板自由端，可降低结构固有频率；空腔的设置则进一步明显降低系统的固有频率，从而使得本发明专利技术能够在低频环境下高效工作。

A Frequency-Up Piezoelectric Capture with Cavity Cantilever Plate Structure

【技术实现步骤摘要】
一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器
本专利技术涉及发电技术和可再生清洁能源领域，具体涉及一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器及其俘能方法。
技术介绍
能源问题是当今最为关注的问题之一，各国科研工作人员都在致力于寻找和开发新能源已解决能源短缺问题。目前，对于大多数微电子设备，电池供能凭借优良的蓄电容量以及电源稳定、廉价易得等优点而被广泛使用，但是由于普通电池寿命低、更换麻烦以及废旧电池污染水土、危害人体等缺点，因此需要研究一种能长期使用、环保的新能源来进行供能。利用压电材料的压电效应将周围环境的振动能量转化为电能，不仅寿命长、环保，而且具有转化效率高、可持续供能等优点。因此，这项技术成为目前研究的热点。目前常规的压电俘能器固有频率较高，而周围环境振动频率较低，因此无法使俘能器达到共振，输出功率大为降低。中国专利申请(公开号CN107742994)公开了一种碰撞升频式双稳态压电俘能器及其俘能方法，通过摆坨上的磁铁与圆形外壳上磁铁的排斥力作用，人体摆动时通过转轴带动压电梁与拨片发生碰撞，使压电梁高频振动产生电能，提高输出功率。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对低频振动的环境下压电俘能器俘能效率低的问题，提出一种利用共振冲击提升外界频率，并通过空腔的设置降低自身固有频率且提高输出电压、电功率的高效的俘能器及其俘能方法。本专利技术所采取的技术方案是：专利技术一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器，包括支座(6)、悬臂基板(4)、压电片(5)、第二质量块(3)、第一质量块(2)及弹簧(1)；弹簧(1)与第一质量块固定连接；第一质量块是一个圆柱体，与第二质量块上下正对同心布置并留有间隙0.5mm；第二质量块则是一个棱长与悬臂基板等宽的正方体，且与悬臂基板自由端端面和侧面平齐；而悬臂基板的固定端下方与支座固定连接，支座与基板等宽，侧面与固定端端面对齐；基板固定端上方则粘贴一片压电片。压电片长度方向与基板长度方向一致且等宽，并与基板固定端端面和侧面齐平；悬臂基板在靠近固定端的位置处开有一贯穿的空腔，空腔沿基板横截面呈矩形且长度方向与基板一致，空腔厚度不得超过基板尺寸的80％，且空腔上下两侧厚度不得小于基板厚的10％。弹簧(1)与第一质量块(2)构成第一级振动系统，即为升频系统，其固有频率低于悬臂基板固有频率，使之能够在较低外界振动频率下产生共振。对于降低第二级振动系统的固有频率问题上，本专利技术所采用的实验方案是悬臂基板自由端增设质量块以及固定端空腔的设置，悬臂基板材料与质量块一致，为普通铝板，空腔内则为空气；而空腔的设置还有另外一个优势，它能够有效地提高系统的输出电压和电功率。本专利技术从可优化的三个方面考察系统固有频率以及发电量与空腔长度、空腔厚度、空腔位置的关系。首先，单独研究空腔长度对固有频率以及发电量的影响。因此，控制空腔厚度与位置变量不变，只改变空腔长度就成为了研究方法。在COMSOLMultiphysics中，采用参数化扫描的办法扫描特征频率随空腔长度的变化，如图4所示，第二级振动系统固有频率随空腔长度lc的增长先是减小后又增大，在空腔长度lc＝7.2mm时固有频率取得极小值；又如图5所示，该系统的固有频率此时为581.5Hz，输出电压为4.3V，输出电功率为97uW，与无空腔时的固有频率757Hz相比有了很大的降低，而电压、电功率相比之前的4V和76uW也有了很大的提高。其次，单独研究空腔厚度对故有频率以及发电量的影响。如图6所示，此系统固有频率随着空腔厚度hc的增大先是减小后又增大，在空腔厚度hc＝0.27mm时取得极小值(此时空腔长度为7.2mm)，又如图7所示，该系统固有频率此时为557Hz，输出电压为4.7V，输出电功率为100uW，与之前的空腔长度同lc＝7.2mm，空腔厚度hc＝0.25mm相比有了一定的提高。最后，单独研究空腔位置对固有频率以及发电量的影响。如图8所示，次系统固有频率随着空腔位置ht的增大先减小后增大，然后再次减小，最后增大。在空腔位置ht＝0.18mm时取得极小值(此时lc＝7.2mm，hc＝0.27mm)，又如图9所示，该系统固有频率为534Hz，输出电压和电功率分别为5V和117V，与之前的空腔长度lc＝7.2mm，厚度hc＝0.27mm，宽度为0.115mm相比有了一定的提高。因此，通过有限元分析可以选择出一种最佳结构方案：即空腔长度lc选择为7.2mm，空腔厚度hc选为0.27mm，空腔位置ht选为0.18mm。此时，不仅将无空腔时的固有频率从757hz降至534hz，还将输出电压和电功率由4V、76uW提升至5V，117uW。该升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器的俘能方法，具体如下：当外界环境振动频率较低时，外界环境直接带动弹簧(1)与第一质量块(2)同频振动，弹簧(1)与第一质量块(2)构成第一级振动系统，因自身较低的固有频率发生共振；第一级振动系统的共振使得第一质量块振动幅度大增，不断的冲击碰撞第二质量块(3)。因此，第二级振动系统振动频率得到了提升，即实现了升频的目的；第二质量块(3)与带空腔的悬臂基板(4)和压电片(5)构成第二级振动系统，该振动系统由于基板上空腔的存在不仅使得输出电压、电功率得到了提升，而且明显降低了固有频率，即实现了降频的目的；第二级振动系统不仅受到外激振的作用，而且受到来自第一振动系统的冲击，从而达到共振。压电片(5)因粘贴在悬臂基板固定端从而拥有较大的应变，根据自身的正压电效应将振动能转化成电能输出，供传感器等微电子器件工作。本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果：当环境频率较低时，由弹簧与第一质量块组成的第一级振动系统发生共振，冲击第二级振动系统的第二质量块使之振动频率提高，第二级振动系统因为空腔的设置降低了固有频率，从而保证了第二级振动系统发生共振，而且空腔的设置还提高了输出电压、电功率。因此本专利技术不仅可工作在低频振动环境下，而且拥有很好的输出性能。附图说明图1是本专利技术的一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器的立体图；图2是本专利技术的一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器的正视图；图3是本专利技术的一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器的俯视图；图4是本专利技术中第二级振动系统固有频率随空腔长度lc变化的关系图(空腔厚度hc＝0.25mm，位置居于基板厚度方向中央)；图5是本专利技术中第二级振动系统lc＝7.2mm时输出电压与电功率随振动频率变化的关系图；图6是本专利技术中第二级振动系统lc＝7.2mm时固有频率随空腔厚度hc变化的关系图(位置居于基板厚度方向中央)；图7是本专利技术中第二级振动系统lc＝7.2mm，hc＝0.27mm时输出电压与电功率随振动频率变化的关系图；图8是本专利技术中第二级振动系统lc＝7.2mm，hc＝0.27mm时固有频率随位置ht(空腔上表面与基板上表面的距离)变化的关系图；图9是本专利技术中第二级振动系统lc＝8mm，hc＝0.27mm，ht＝0.18mm时输出电压与电功率随振动频率变化的关系图；图10是本专利技术中第二级振动系统无空腔时输出电压与电功率随振动频率的变化关系图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明。参照附图1、2、3，一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器，包括支座(6)、悬臂基板(4)、压电片(5)、第二质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器，其特征在于，包括支座(6)、悬臂基板(4)、压电片(5)、第二质量块(3)、第一质量块(2)及弹簧(1)；弹簧(1)与第一质量块固定连接；第一质量块是一个圆柱体，与第二质量块上下正对同心布置并留有间隙0.5mm；第二质量块则是一个棱长与悬臂基板等宽的正方体，且与悬臂基板自由端端面和侧面平齐；而悬臂基板的固定端下方与支座固定连接，支座与基板等宽，侧面与固定端端面对齐；基板固定端上方则粘贴一片压电片；压电片长度方向与基板长度方向一致且等宽，并与基板固定端端面和侧面齐平；悬臂基板在靠近固定端的位置处开有一贯穿的空腔，空腔沿基板横截面呈矩形且长度方向与基板一致，空腔厚度不得超过基板尺寸的80％，且空腔上下两侧厚度不得低于基板厚的10％。

【技术特征摘要】
1.一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器，其特征在于，包括支座(6)、悬臂基板(4)、压电片(5)、第二质量块(3)、第一质量块(2)及弹簧(1)；弹簧(1)与第一质量块固定连接；第一质量块是一个圆柱体，与第二质量块上下正对同心布置并留有间隙0.5mm；第二质量块则是一个棱长与悬臂基板等宽的正方体，且与悬臂基板自由端端面和侧面平齐；而悬臂基板的固定端下方与支座固定连接，支座与基板等宽，侧面与固定端端面对齐；基板固定端上方则粘贴一片压电片；压电片长度方向与基板长度方向一致且等宽，并与基板固定端端面和侧面齐平；悬臂基板在靠近固定端的位置处开有一贯穿的空腔，空腔沿基板横截面呈矩形且长度方向与基板一致，空腔厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛江涛，苏鑫林，杨毅，陈丽华，张伟，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11