一种二级振动式宽频带能量采集器制造技术

本发明专利技术提供一种二级振动式宽频带能量采集器，至少包括：第一级低频振子，用于感应外界环境的振动；第二级高频振子，通过与所述第一级低频振子的排斥力驱动，且所述排斥力同时激发所述第一级低频振子的高频振动分量；所述第一级低频振子及第二级高频振子通过振动产生电能。本发明专利技术具有可以在很宽的频率范围内工作、发电功率受外界振动频率影响小、可靠性高、空间利用率及发电效率高、可以根据实际需求调整振子参数获得所需频率的电能而不必依赖环境振动频率等多种优点。本发明专利技术可以应用于无线传感器，无线通讯等，为无线设备供电，替代原有的电池供电方式，具有广泛的应用前景，且本发明专利技术结构简单，容易实现产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种二级振动式宽频带能量采集器
本专利技术涉及一种能量采集器，特别是涉及一种二级振动式宽频带能量采集器。
技术介绍
随着无线传感网络和微电子机械系统的迅速发展，出现了许多无线传感器等无线设备。如何有效地为它们供电已越来越多地受到人们的关注。目前这些设备主要通过电池供电。但是，电池的寿命短，储存能量有限，并且相对于其供电的设备而言往往体积和质量很大。另外，在许多应用领域，更换电池过程复杂，引起的成本很高。因此，如何解决无线设备的供电问题成为研究的热点。振动能量采集器可以把环境中存在的振动动能转换成电能。按照其换能方式，可以分为静电式、压电式和电磁式三种。对于传统的振动能量采集器，只有当外界环境中的振动频率在能量采集器中振动结构的本征频率附近时，振动结构发生共振，振幅较大，采集器才能输出足够的电能。当外界环境振动频率偏离改本征频率时，输出的电能相对很小。这严重限制了能量采集器的应用范围。另一方面，针对较低频率范围（10赫兹量级）的环境振动，谐振式能量采集器的本征频率必须被设计得较低，而静电、压电和电磁等换能方式发出的功率是随振动频率增长而提高的。因此当环境振动频率较低时，输出的电能也很小。2012年，美国密歇根大学制作了非谐振式的能量采集器（Galchev,T.;Aktakka,E.E.;Najafi,K.,"APiezoelectricParametricFrequencyIncreasedGeneratorforHarvestingLow-FrequencyVibrations,"MicroelectromechanicalSystems,Journalof,vol.21,no.6,pp.1311,1320,Dec.2012）。通过磁吸引力，磁性质量块交替与上下两个弹簧振子吸合及分开。质量块与弹簧上的磁铁分开后弹簧振子自由振动，通过电磁感应发电。此能量采集器通过磁铁的吸合和分开驱动弹簧振子，不需要与外界振动发生谐振，可以在较宽的环境振动频带中工作，发电效率受外界振动频率影响小。同时，弹簧振子的本征频率远高于典型环境振动频率，因此发电效能较高。但由于是采用磁吸引力工作的，所以质量块上的磁铁和振动弹簧上的磁铁吸引力不能太大，否则会导致无法分开，器件将无法工作，因而其发电功率受到限制。并且，在工作中质量块与弹簧振子吸合时会发生碰撞，存在着受冲击损坏的风险，此种能量采集器的可靠性不能保证。2010年，意大利卡塔尼亚大学和法国蒙彼利埃第二大学联合制作了利用磁排斥力的双稳态振动能量采集器（Andò,B.,etal."NonlinearmechanisminMEMSdevicesforenergyharvestingapplications."JournalofMicromechanicsandMicroengineering20.12(2010):125020.）。采集器上的固定磁铁与悬臂梁上的磁铁之间存在着磁排斥力，使得悬臂梁振子处于双稳态。由于双稳态的存在，此能量采集器相对于单稳态谐振式能量采集器对环境振动有着更宽的频率响应范围。固定磁铁与悬臂梁上的磁铁靠磁排斥力相互作用，不发生吸合碰撞，可靠性较高。然而，双稳态结构并没有显著提高响应中的高频分量，因此换能的效果不够好。同时，一对磁铁引入的双稳态作用只体现在单一的振子上，磁场并没有得到高效的利用。因此，提供一种能够克服现有能量采集器工作频率受限、发电功率密度小、可靠性差的不足的新型能量采集器实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种二级振动式宽频带能量采集器，用于解决现有技术中能量采集器工作频率受限、发电功率密度小、可靠性差的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种二级振动式宽频带能量采集器，至少包括：第一级低频振子，用于感应外界环境的振动；第二级高频振子，通过与所述第一级低频振子的排斥力驱动，且所述排斥力同时激发所述第一级低频振子的高频振动分量；所述第一级低频振子及第二级高频振子通过振动产生电能。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，其能量来源于外界环境的振动。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第一级低频振子与第二级高频振子的振动方向相互平行。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第一级低频振子及第二级高频振子通过压电效应、电磁感应或静电感应将振动转化为电能。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第一级低频振子与第二级高频振子之间具有预设间距。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述排斥力为磁排斥力或静电排斥力。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第二级高频振子的振动频率为其自身的谐振频率，其产生电能的频率与其自身的谐振频率相等。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第一级低频振子的振动包括外界环境的振动及所述排斥力激发的高频振动分量。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第一级低频振子的谐振频率为10赫兹量级，所述第二级高频振子的谐振频率为100赫兹量级。作为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种优选方案，所述第一级低频振子包括：第一端固定的折叠悬臂梁、固定于所述折叠悬臂梁表面的第一压电薄膜、固定于所述折叠悬臂梁第二端的第一磁铁及质量块；所述第二级高频振子包括：第一端固定的简单悬臂梁、固定于所述简单悬臂梁表面的第二压电薄膜、固定于所述简单悬臂梁第二端的第二磁铁；所述折叠悬臂梁的第二端与所述简单悬臂梁的第二端具有预设间距。如上所述，本专利技术提供一种二级振动式宽频带能量采集器，至少包括：第一级低频振子，用于感应外界环境的振动；第二级高频振子，通过与所述第一级低频振子的排斥力驱动，且所述排斥力同时激发所述第一级低频振子的高频振动分量；所述第一级低频振子及第二级高频振子通过振动产生电能。本专利技术具有以下有益效果：1）整个系统是非谐振的，第二级高频振子是通过脉冲磁排斥力驱动的，第一级低频振子产生的电能主要来自脉冲磁排斥力激发的高频振动分量，所以能量采集器可以在很宽的频率范围内工作，发电功率受外界振动频率影响小。2）在工作过程中，两级振子之间的作用依靠磁排斥力，相互间不发生碰撞，所以能量采集器的可靠性得到提高；3）两级振子均能够发出电能，能量采集器空间利用率高；4）第二级高频振子振动发电的频率是其自身的谐振频率，与外界振动频率无关，因此可以根据实际需求调整振子参数获得所需频率的电能，而不必依赖环境振动频率。附图说明图1显示为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种实施方式的结构示意图。图2～图4显示为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的一种实施方式中的工作过程示意图。图5显示为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的第二级高频振子电压输出图像和其傅里叶变换，由图可见，所述第二级高频振子发出的交流电频率为振子本身的谐振频率。图6显示为本专利技术的二级振动式宽频带能量采集器的第一级低频振子电压输出图像和其傅里叶变换，由图可见，所述第一级低频振子发出的交流电频率不仅包括外界振动频率，还包括两级振子相互作用引入的高频分量。元件标号说明101折叠悬臂梁102第一压电薄膜103第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二级振动式宽频带能量采集器，其特征在于，至少包括：第一级低频振子，用于感应外界环境的振动；第二级高频振子，通过与所述第一级低频振子的排斥力驱动，且所述排斥力同时激发所述第一级低频振子的高频振动分量；所述第一级低频振子及第二级高频振子通过振动产生电能。

【技术特征摘要】
1.一种二级振动式宽频带能量采集器，其特征在于，至少包括：第一级低频振子，包括：第一端固定的折叠悬臂梁、固定于所述折叠悬臂梁表面的第一压电薄膜、固定于所述折叠悬臂梁第二端的第一磁铁及质量块，用于感应外界环境的振动；第二级高频振子，包括：第一端固定的简单悬臂梁、固定于所述简单悬臂梁表面的第二压电薄膜、固定于所述简单悬臂梁第二端的第二磁铁，所述简单悬臂梁的第二端与所述折叠悬臂梁的第二端具有预设间距，通过与所述第一级低频振子的排斥力驱动，且所述排斥力同时激发所述第一级低频振子的高频振动分量；所述第一级低频振子及第二级高频振子通过振动产生电能。2.根据权利要求1所述的二级振动式宽频带能量采集器，其特征在于：其能量来源于外界环境的振动。3.根据权利要求1所述的二级振动式宽频带能量采集器，其特征在于：所述第一级低...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕欣，唐翘楚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31