本发明专利技术公开了一种基于分形结构的小型宽带振动换能器及其封装方法，换能器包括由分形结构组成的层体和内部设有电极的框体，其中所述分形结构包括若干根主梁，及具备形状相似性且主谐振频率不同的至少三个换能单元；所述主梁的至少一端与框体固定连接；所述每个换能单元上设有质心以及与主梁或框体固定连接的固定端；所述每个换能单元上由固定端至质心所在的梁视为悬臂梁，其他梁视为质量块；在环境产生振动时，所述各换能单元上的质量块与悬臂梁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。本发明专利技术能够拓宽频带响应宽度、转换能量高，以及增加单位面积的能量采集密度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及一种宽带振动换能器，尤其设及一种基于分形结构的小型宽带振动换 能器及其封装方法，属于振动换能器的
技术介绍
近年来随着无线网络、MEMS和便携式电子设备的应用日益广泛，使用化学电池的 弊端日益得到人们的关注，如需定期更换、质量体积大、污染等问题。而且在一些特殊的场 合，定期更换电池是难W实现的，因此人们更加关注绿色可持续能源的使用，W此来替代传 统电池。其中W能量采集技术最为受到关注。 能量采集技术通过换能器自发的从环境中采集能量，其本质就是利用各种物理或 者化学效应（如光伏效应、压电效应、热电效应、电磁效应等）将换能器所处自然环境中的 各种能量（如光能、机械能、热能等）转换成可利用能量的过程。由于环境中的振动机械能 是一种广泛存在的能量形式，因此通过对振动机械能的采集使其替代或补充传统电池具有 广泛的应用前景。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。
技术实现思路
阳〇化]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，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，解决现有对现有振动换能器存在的响应带宽窄、频带 窄、能量转换密度较低的问题。 本专利技术具体采用W下技术方案解决上述技术问题： 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层体和内部设有电 极的框体，其中所述分形结构包括若干根主梁，及具备形状相似性且主谐振频率不同的至 少=个换能单元；所述主梁的至少一端与框体固定连接；所述每个换能单元上设有质屯、W 及与主梁或框体固定连接的固定端；所述每个换能单元上由固定端至质屯、所在的梁视为悬 臂梁，并且每个换能单元上与悬臂梁固定连接的梁均视为质量块；在环境产生振动时，所述 各换能单元上的质量块与悬臂梁根据环境振动频率接收振动，W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。 进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述主梁为四根。 进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述四根主梁中两两之间相互垂直 设置。 进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述框体采用金属铜框。 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W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。 进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述框体对压电聚合物薄膜层采用 导电胶相粘方式固定。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果： (1)、本专利技术提供的，采用至少 在=个换能单元上具有相似性的分形结构，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，并且分形结构具有自相似性，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W及增加单位面积的能量采集密度，能够作为无线 传感器W及其他微型器件的电源。(2)、本专利技术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】 图1为本专利技术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。 图2为本专利技术中第一换能单元的结构示意图。 图3为本专利技术中第二换能单元的结构示意图。 图4为本专利技术中第S换能单元的结构示意图。 图5为本专利技术中实施例二的基于分形结构的小型宽带振动换能器的结构示意图。图6为本专利技术带宽振动换能器还能用于能量采集系统的模块示意图。其中标号解释：1-框体，2-主梁，3-第一换能单元，4-第二换能单元，5-第S换能 单元，6-层体，7-第一换能单元的固定端，8-第一换能单元的悬臂梁，9-第一换能单元的 质量块，10-第二换能单元的固定端，11-第二换能单元的悬臂梁，12-第二换能单元的质量 块，13-第S换能单元的固定端，14-第S换能单元的悬臂梁，15-第S换能单元的质量块。【具体实施方式】 下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。 如图1所示，本专利技术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 形结构组成的层体和内部设有电极的框体，其中所述分形结构包括若干根主梁，及具备形 状相似性且主谐振频率不同的至少=个换能单元；所述主梁的至少一端与框体固定连接； 所述每个换能单元上设有质屯、W及与主梁或框体固定连接的固定端；所述每个换能单元上 由固定端至质屯、所在的梁视为悬臂梁，并且每个换能单元上与悬臂梁固定连接的梁均视为 质量块；在环境产生振动时，所述各换能单元上的质量块与悬臂梁根据环境振动频率接收 振动，W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。 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，并且分形结构具有自相似性，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。 本专利技术在具体实施时，可W根据需要对宽带振动换能器中分形结构进行设置，下 面列举本专利技术的实施例进行说明。 实施例一、 本实施例的分形结构的原型为谢尔宾斯基S角形分形结构，该结构具有自相似性 的特点。通过该=角形分形结构的不规则性就可W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，并且该分形结构具有自相似性，同时也保证了采集能量 密度的大小。如图1所示，本专利技术设计的分形结构在=个换能单元上具有明显相似性，运样 可W保证该结构至少有=个主谐振频率，从而拓宽频谱。 本实施例的宽带振动换能器，如图1所示，该结构采用一个框体1和层体6,层体6 内具有4根主梁2和=个换能单元作为要素。每根主梁2的一端与外部框体1相连接，优 选地，主梁2两两之间相互垂直设置，并且进一步地，可W优选采用采用金属铜框；层体6内 部由=个换能单元作为要素进行填充分布，=个换能单元大小及形状均不相同，但形状相 似。各换能单元是分别选取谢尔宾斯基=角形分形结构，并对其内部单元进行悬臂梁化，使 其内部结构在各个不同的换能单元上设有质屯、W及与主梁2或框体1固定连接的固定端； 所述每个换能单元上由固定端至质屯、所在的梁视为悬臂梁，并且每个换能单元上与悬臂梁 固定连接的梁均视为质量块。 本实施例的具体结构如图1所示，分形结构包括第一换能单元3,第二换能单元4， 及第=换能当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于分形结构的小型宽带振动换能器，其特征在于：包括由分形结构组成的层体和内部设有电极的框体，其中所述分形结构包括若干根主梁，及具备形状相似性且主谐振频率不同的至少三个换能单元；所述主梁的至少一端与框体固定连接；所述每个换能单元上设有质心以及与主梁或框体固定连接的固定端；所述每个换能单元上由固定端至质心所在的梁视为悬臂梁，并且每个换能单元上与悬臂梁固定连接的梁均视为质量块；在环境产生振动时，所述各换能单元上的质量块与悬臂梁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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：梁忠诚，王燕，刘瑞华，柳正球，丁若尧，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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