一种臼型压电俘能器制造技术

一种臼型压电俘能器，包括压电振子、基片、第一级电极、第二级电级和固定座(５），所述压电振子包括一个压电振子主梁和多个压电振子副梁，压电振子主梁是回环型结构，压电振子主梁的一个直线段上开有缺口，将压电振子主梁直线段分成压电振子主梁A和压电振子主梁B两部分；两个长方形的压电振子副梁C和D,对称连接在回环内两侧相对的压电振子主梁中部；两个压电振子副梁中间相隔一段空隙。本发明专利技术的压电俘能器在固定体积结构的条件下，通过改变压电振子主梁二段的比例，压电振子副梁保持和压电振子主梁长度的一致，能够有效改变压电俘能器的各阶谐振频率，适应环境振动源的频率变化，提高输出功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种臼型压电俘能器，属于将周边环境振动能俘获转化并存储供微电子器件使用的自供电

技术介绍
随着微电子技术以及无线传感技术的快速发展，各种电子产品相继迈入集成、微型和低功耗的时代，随之而来的问题便是传统电池慢慢难以满足此类电子产品的要求。因此，新的供电技术的发展迫在眉睫。环境中存在着机械能、风能、潮汐能、太阳能等能量存在方式，基于微电子产品的供电要求，微电子产品依靠俘能技术从环境中俘获能源的自供电方式慢慢成为解决微电子产品供能问题的优选方案。对此国内外专家学者广泛开展了微电子产品自供电技术研究，综合机械能、机械能、风能、潮汐能、太阳能的俘获效率和技术发展前景，从环境振动中俘获能量供能成为自供电技术的重点研究方向。振动俘能方式具有结构简单、无电磁干扰等优点。现有的压电俘能结构有悬臂梁结构、固支梁结构、跋型结构、阵列式结构等。常用的压电片形状有矩形、梯形、三角形、圆形等。例如矩形压电片，要想降低其谐振频率来达到共振俘获高的能量，只能通过增长长度和增加质量块，而在体积固定的微电子产品中，通过长度的增长来达到降低谐振频率是不可能的，而增加质量块虽然可以达到降低谐振频率，但是却大大减少了压电片的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有压电俘能结构存在的问题，本专利技术提出一种臼型压电俘能器，能够与环境振动频率相匹配，提高压电片单位面积输出功率。实现本专利技术的技术方案是，本专利技术一种臼型压电俘能器，包括压电振子、基片、第一级电极、第二级电级和固定座。所述压电振子包括压电振子主梁和多个压电振子副梁；所述压电振子主梁是由多个矩形首尾相互连接成的回环型结构，压电振子主梁的一个直线段上开有缺口，将压电振子主梁直线段分成压电振子主梁A和压电振子主梁B两部分；两个长方形C和D,对称连接在回环内两侧相对的压电振子主梁中部，与主梁A和主梁B平行；所述压电振子主梁和两个压电振子副梁同处一水平面上，两个压电振子副梁中间相隔一段空隙。所述压电振子主梁与所述压电振子副梁构成的结构类似于两个E形开口面对面连接在一起，这样的结构既兼顾了增长压电悬臂梁的有效长度，从而降低共振频率，还拓宽了压电俘能器的带宽。所述第一级电极位于压电振子的上表面，第二级电级位于压电振子的下表面，粘合剂将基片粘结在第二电极上；所述压电振子主梁的缺口的一端作为固定端安装在固定座上，缺口的另一端作为自由端。所述第一电极与第二电极的电流方向相反。所述基片采用的是不锈钢材料。所述俘能器在同样体积结构下，改变两个压电振子副梁C、D和压电振子主梁A和B的长度，即改变压电振子主梁A与压电振子主梁B段的比例；压电振子主梁A与压电振子主梁B的比例值从33%~300%之间，可以适应低频环境32~150Hz下的俘能要求，且有效带宽值从95Hz~124Hz之间变化。所述俘能器在同样体积结构下，增加1~3个副梁的个数，可以适应低频环境下的俘能要求。所述压电振子的总长度范围在20mm~55mm之间；压电振子副梁的宽度范围在1.5mm~6mm之间。本专利技术的有益效果是，本专利技术压电俘能器在固定体积结构的条件下，压电振子主梁段不变，增加副梁的个数，能够有效改变压电俘能器的各阶谐振频率，适应环境振动源的频率变化，提高输出功率。本专利技术压电俘能器在固定体积结构的条件下，通过改变压电振子主梁二段的比例，压电振子副梁保持和压电振子主梁长度的一致，能够有效改变压电俘能器的各阶谐振频率，适应环境振动源的频率变化，提高输出功率。本专利技术的压电俘能器降低了长期振动而引起断裂的可能性，延长了压电俘能器的使用寿命，符合微电子产品的微小、集成要求。本专利技术的压电俘能器结构简单、无电磁干扰、无污染。附图说明图1为本专利技术实施例1的结构示意图；图2本专利技术实施例1的结构俯视图；图3(a)(b)是利用ANSYS对实施例1的静态分析仿真图。图4(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)是利用ANSYS对实施例1、2、3的模态分析仿真图；图5(a)至(d)是利用ANSYS对第1、2、3实施例的谐响应仿真图。具体实施方式实施例１本专利技术实施例一种臼型压电俘能器的结构示意图如图1所示，压电振子的俯视图如图2所示。本实施例臼型压电俘能器包括压电振子1、基片2、第一级电极3、第二级电级6和固定座５，其中压电振子1是由多个矩形首尾相互连接成的类似于臼型的结构。第一级电极3和第二级电级6的方向是相反的，第一级电极3位于压电振子1的上表面，第二级电级6位于压电振子1的下表面，用粘合剂4将6与基片2粘住，基片2采用的是不锈钢材料，主要作用有：1避免压电振子断裂，2降低谐振频率。其中压电振子主梁段A的首端与固定端5连接在一起，压电振子主梁段B作为自由端，C、D为压电俘能器的两个压电振子副梁，有降低频率的效果。这里压电振子主梁段A、B与压电振子副梁C、D均相等梁长。其中压电振子是由首尾相接的多个矩形压电振子单元连接而成的类似于臼型的压电振子结构，由于结构的对称性，压电振子主梁的两个端口任意一个都可作为固定端。图3给出了实施例1的静态分析，即施加0.1N的力在压电振子上获得的电子云图，如图3（a）所示，和应力分布云图，如图3（b）所示。通过结合应力分布云图和电子云图我们可以看出：在图3（a）中，在施加0.1N的力后，整个压电单元的电荷密度是不同的，主梁处电荷最为集中，而在图3（b）中，固定端处的位移量是最小的，自由端处的位移量是最大的，结合图3（a）、（b）可得出固定端处的压电振子单元的位移是最小的但产生电量是较大的，沿着主梁向下，电荷输出呈现出减弱的状态，其副梁也是同样的趋势。但是由于固定端受力最大，容易带来压电振子的断裂，所以采用这种臼型压电振子减轻固定端的受力，而且能够增大自由端的电荷输出，从而提高整个俘能器的输出。图4(a)(e)(i)分别为实施例1的模态分析，固定端5固定住压电振子主梁A的一端，在自由端施加0.1N的力后，图4(a)(e)(i)得到的臼型压电俘能器的前三阶谐振频率，其中三阶频率分别为：32Hz、87Hz、117Hz。三阶频率都适用于低频环境下。图5（a）是实施例1的谐响应分析曲线图，可以看出本专利技术的臼型压电俘能器的三阶谐振频率的峰值电压分别为14.1V、12.5V、11.8V，峰值分别为1.6V、0.7V，说明本专利技术的压电俘能器在频率范围内的俘能效率是很可观的，而且也达到了低频环境中的宽频效果。图5（a）显示了此实施例的谐响应结果：在1~150Hz的低频范围内，基于一般无线传感技术节电供电电压为3v，连续输出电压高于3v的频率范围是78Hz~128Hz。实施例２本实施例中的结构与实施例１的结构相同，本实施例保持主梁与副梁的梁长一致，改变压电振子主梁A与压电振子主梁B的梁长，其中发电总面积保持不变，这里设压电振子主梁A长比压电振子主梁B的梁长为33%至300%。在压电振子主梁A梁长比压电振子主梁B梁长为33％时，图4(b)(f)(j)显示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种臼型压电俘能器，包括压电振子、基片、第一级电极、第二级电级和固定座，其特征在于，所述压电振子包括一个压电振子主梁和多个压电振子副梁，所述压电振子主梁是由多个矩形首尾相互连接成的回环型结构，压电振子主梁的一个直线段上开有缺口，将压电振子主梁直线段分成压电振子主梁A和压电振子主梁B两部分；两个长方形的压电振子副梁C和D,对称连接在回环内两侧相对的压电振子主梁中部，与主梁A和主梁B平行；所述压电振子主梁和两个压电振子副梁同处一水平面上，两个压电振子副梁中间相隔一段空隙；所述压电振子主梁与所述压电振子副梁构成的结构类似于两个E形开口面对面连接在一起的臼型结构，这样的结构既兼顾了增长压电悬臂梁的有效长度，从而降低共振频率，还拓宽了压电俘能器的带宽。

【技术特征摘要】
1.一种臼型压电俘能器，包括压电振子、基片、第一级电极、第二级电级和固定座，其特征在于，所述压电振子包括一个压电振子主梁和多个压电振子副梁，所述压电振子主梁是由多个矩形首尾相互连接成的回环型结构，压电振子主梁的一个直线段上开有缺口，将压电振子主梁直线段分成压电振子主梁A和压电振子主梁B两部分；两个长方形的压电振子副梁C和D,对称连接在回环内两侧相对的压电振子主梁中部，与主梁A和主梁B平行；所述压电振子主梁和两个压电振子副梁同处一水平面上，两个压电振子副梁中间相隔一段空隙；
所述压电振子主梁与所述压电振子副梁构成的结构类似于两个E形开口面对面连接在一起的臼型结构，这样的结构既兼顾了增长压电悬臂梁的有效长度，从而降低共振频率，还拓宽了压电俘能器的带宽。
2.根据权利要求１所述一种臼型压电俘能器，其特征在于，所述第一级电极位于压电振子的上表面，第二级电级位于压电振子的下表面，粘合剂将基片粘结在第二电极上；所述压电振子主梁的缺口的一端作为固定端安装在固...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾伟，孙旻，范瑞祥，江兵，张华清，陈丽娟，曹蓓，
申请(专利权)人：国网江西省电力科学研究院，国家电网公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江西;36