悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元及制备方法，包括柔性压电驻极体膜、固定台和振子；所述柔性压电驻极体膜的一端与所述固定台固定连接，另一端悬空形成自由端，并且端部与所述振子固定连接；所述柔性压电驻极体膜的表面连接导线；所述柔性压电驻极体膜内部设有若干个平行隧道结构。与现有技术相比，本发明专利技术中柔性压电驻极体膜具有较大可伸缩性，并且具有较高的横向压电活性，使能量采集器能够实现高效率地采集周围环境中的振动能；具有质量轻、柔韧性好、工艺简单、安装灵活等优点，可用于复杂环境中的振动能量采集。

Energy Conversion Unit of Cantilever Beam Vibration Energy Collector and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元及制备方法
本专利技术涉及功能器件
，尤其是涉及一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元。
技术介绍
近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，各类微电子设备、微传感器和可携带电子器件等微型机电设备的技术水平和应用范围不断扩大，在各类军事和民用领域有着广泛的应用前景。为了使微机电设备具有更高效、长久的工作效能，对其能源采集供应系统进行研究和改进是该领域中的研究热点之一。振动能作为最为常见且广泛存在的一种能量存在形式，通过能量收集技术收集振动能，并将其转化为电能进行存储和使用，是目前国际上较为成熟的方式。其中，悬臂梁式结构较为典型。一般而言，当悬臂梁的振动频率与外界振动频率一致时，即压电式振动能量收集器工作在共振状态下时，能量转化效率最高，输出功率和电压最大。然而，当收集器的悬臂梁的长度、质量块的位置固定后，悬臂梁的共振频率也固定，对于外界振动能量的收集限于某一频率下，应用范围较窄，能源收集率较低。中国专利CN106936334A公布了一种振动能量收集器及方法。收集器包括压电层、质量块、悬臂梁和基座。悬臂梁的一端垂直固定在基座上，另一端为自由端。质量块固定在悬臂梁自由端的上端面。悬臂梁上下表面设有由压电材料构成的压电层，通过电路连接在一起。悬臂梁选取具有敏感热膨胀系数的富有弹性的材料作为振动能量收集器的悬臂梁。该专利技术实现了振动能量收集器的固有振动频率可以随外界温度的改变而改变，解决了普通振动能量收集器悬臂梁频率固定致使应用范围较窄的问题的难题，拓宽了振动能量收集器的使用频宽，有利于提高能量收集效率，扩大了应用范围。但是该专利技术中仅能使用于不同温度下振动频率的调节，适用范围较窄，能源收集率低。中国专利CN103633879A公布了一种基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构，包括柔性主梁、压电悬臂梁和质量块，柔性主梁为矩形框状结构，中部开有矩形孔；压电悬臂梁一端粘结固定在柔性主梁的上表面，另一端在矩形孔上方悬浮，质量块粘附在压电悬臂梁的悬浮端；若干压电悬臂梁分别在矩形孔两侧呈叉指状平行于矩形孔短边等间距排列。基于柔性主梁的叉指式多悬臂梁拾振结构设计，大幅降低了系统的高阶拾振频率，同时减小了低阶拾振频率，进而有效拓宽了振动能量的采集频带。但是该专利技术中也存在一些不足之处，虽然采用柔性主梁可以降低共振频率，但是由此带来的阻尼损耗也造成了能量转化效率的降低。另外，由于该专利中各压电悬臂梁上下电极间的电势差不一定相等，采用并联的方式连接电极也会造成内部能量损耗。此外，该专利所采用的一些压电材料本身存在着一些缺点，如PZT陶瓷制作工艺复杂、柔韧性差、对环境污染较大，而PVDF则是灵敏度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，尤其是一种悬臂梁式柔性振动能量采集器的能量转换单元。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，包括柔性压电驻极体膜、固定台和振子；所述柔性压电驻极体膜的一端与所述固定台固定连接，另一端悬空形成自由端，并且端部与所述振子固定连接；所述柔性压电驻极体膜的表面与导线连接；所述柔性压电驻极体膜内部设有若干个平行隧道结构。本专利技术在柔性压电驻极体膜内设置了平行隧道结构，这一结构能大大增加样品的压电活性，并且在垂直于样品表面和沿样品表面但垂直于隧道延伸方向上能产生较大程度的应变，因而用悬臂梁结构进行能量采集时，能高效采集周围环境中的振动能。另外，采用本专利技术专利提出的方法制备的能量采集器谐振频率较低，而环境中的振动能一般在300Hz以下，因此可以采集环境中频率较低的能量，故可以提高能量采集效率。所述柔性压电驻极体膜包括热塑性聚合物膜片和贴合于所述热塑性聚合物膜片上表面和下表面的导电电极，且该导电电极与导线连接；所述热塑性聚合物膜片上设有平行隧道结构。所述热塑性聚合物膜片为对称结构。所述热塑性聚合物膜片为流延、压印或浇注方法制备得到的热塑性聚合物膜片；所述热塑性聚合物膜片的材质选自为氟化乙丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。所述导电电极的材质为铝、金、银、导电合金、石墨或石墨烯。优选地，所述导电合金为铜合金或铝合金。所述平行隧道结构处对应的热塑性聚合物膜片的上表面和下表面分别注入正电荷和负电荷。所述平行隧道结构以直线形、锯齿形或波浪形的方式延伸；所述平行隧道结构的截面形状为椭圆形、圆形或菱形；所述柔性压电驻极体膜上平行隧道结构截面的隧道横向宽度和相邻隧道间距的比值为0.1～10。所述柔性压电驻极体膜的自由端的延伸方向与所述平行隧道结构的轴向方向垂直；并且，所述柔性压电驻极体膜的上表面和/或下表面上设有长条形支撑层，该支撑层的设置方向为所述自由端的延伸方向。所述柔性压电驻极体膜的自由端的延伸方向与所述平行隧道结构的轴向方向平行。本专利技术还提供了一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元的制备方法，包括以下步骤：(1)通过流延、压印或浇注将热塑性聚合物膜片制成内部具有平行隧道结构的热塑性聚合物膜片；(2)在所述热塑性聚合物膜片的上表面和下表面分别覆盖导电电极；(3)通过电晕极化、接触法充电、离子注入或电子束注入方法对平行隧道结构中的热塑性聚合物膜片分别注入正电荷和负电荷，得到所述柔性压电驻极体膜；(4)将振子固定于所述柔性压电驻极体膜的一端作为自由端；(5)从两个导电电极上分别引出两根导线；(6)将柔性压电驻极体膜的另一端固定于固定台上，使得所述柔性压电驻极体膜的自由端悬空，得到所述能量转换单元。所述柔性压电驻极体膜的自由端的延伸方向与所述平行隧道结构的轴向方向垂直；所述步骤(3)为通过电晕极化、接触法充电、离子注入或电子束注入方法对平行隧道结构中的热塑性聚合物膜片分别注入正电荷和负电荷；在所述热塑性聚合物膜片的上表面和/或下表面贴合支撑层，得到所述柔性压电驻极体膜。所述步骤(2)中热塑性聚合物膜片的加工方法具体为：在上表面具有周期性平行凹槽结构的金属模板上贴设一片热塑性聚合物膜片，将两块贴有热塑性聚合物膜片的金属模板相对设置，并且热塑性聚合物膜片置于内侧；在两块贴有热塑性聚合物膜片的金属模板之间依次放置软橡胶垫、硅胶垫、软橡胶垫；用两钢板将金属模板夹住送入平板硫化机，热压处理，将置于金属模板之间的软橡胶垫和橡胶垫移除，将两块金属模板凹槽对齐固定，送入烘箱加热，取出降温、移除模板，得到具有平行隧道结构的热塑性聚合物膜片。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术的悬臂梁式柔性振动能量采集器的能量转化单元所用的材料为横向具有较大可伸缩性的聚合物基压电薄膜作为悬臂梁结构，采用柔性压电驻极体材料，压电薄膜具有较高的横向压电活性；并且该悬臂梁结构上还设有平行隧道结构，使该薄膜在横向产生较大形变；基于较高的压电活性以及薄膜较大横向形变的性质，该能量采集器中的柔性压电驻极体膜能够实现高效率地采集周围环境中的振动能；(2)本专利技术的能量采集器谐振频率较低，可以实现环境振动能的有效采集；(3)本专利技术中的柔性压电驻极体膜的柔韧性使得能量采集器即使处于较大的振动环境中也不易断裂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，包括柔性压电驻极体膜(7)、固定台(10)和振子(9)；所述柔性压电驻极体膜(7)的一端与所述固定台(10)固定连接，另一端悬空形成自由端，并且端部与所述振子(9)固定连接；所述柔性压电驻极体膜的表面连接导线；其特征在于，所述柔性压电驻极体膜(7)内部设有若干个平行隧道结构(11)。

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，包括柔性压电驻极体膜(7)、固定台(10)和振子(9)；所述柔性压电驻极体膜(7)的一端与所述固定台(10)固定连接，另一端悬空形成自由端，并且端部与所述振子(9)固定连接；所述柔性压电驻极体膜的表面连接导线；其特征在于，所述柔性压电驻极体膜(7)内部设有若干个平行隧道结构(11)。2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，其特征在于，所述柔性压电驻极体膜(7)包括热塑性聚合物膜片和贴合于所述热塑性聚合物膜片上表面和下表面的导电电极，且该导电电极与导线连接；所述热塑性聚合物膜片内设有平行隧道结构(11)。3.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，其特征在于，所述平行隧道结构(11)为以热塑性聚合物膜片为对称轴的对称结构。4.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，其特征在于，所述热塑性聚合物膜片为流延、压印或浇注方法制备得到的热塑性聚合物膜片；所述热塑性聚合物膜片的材质选自氟化乙丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述导电电极的材质为铝、金、银、导电合金、石墨或石墨烯。5.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，其特征在于，所述平行隧道结构(11)处对应的热塑性聚合物膜片的上表面和下表面分别注入正电荷和负电荷。6.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式振动能量采集器的能量转换单元，其特征在于，所述平行隧道结构(11)以直线形、锯齿形或波浪形的方式延伸；其截面形状为椭圆形、圆形或菱形；所述柔性压电驻极体膜(7)上平行隧道结构(11)截面的隧道横向宽度和相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓青，张咪，马星晨，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31