压电能量收集的弯曲结构及其制造方法技术

一种压电双晶片悬臂梁系统包括垫片，具有第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面、连接至锚固件的近端、以及与该近端相对的远端。系统进一步包括层压在垫片的第一主表面上的第一压电层以及层压在垫片的第二主表面上的第二压电层。第一梁加强件设置在垫片的与锚固件相邻的第一主表面上方，其中第一梁加强件至少部分地覆盖第一压电层。第二梁加强件设置在垫片的与锚固件相邻的第二主表面上方，其中第二梁加强件至少部分地覆盖第二压电层。

Bending structure and manufacturing method of piezoelectric energy collection

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电能量收集的弯曲结构及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求于2017年7月5日提交的申请号为62/528,886的美国临时申请以及于2017年7月13日提交的申请号为62/532,195的美国临时申请的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及利用周围机械振动或运动产生电能的压电悬臂结构。压电悬臂可以与电子电源管理电路一并使用以优化能量收集功能，从而为例如传感器、电子电路或系统的电气系统供电。
技术介绍
在无电池情况下以无限寿命的能源供应源生产电能是电子装置符合当前环境问题的挑战之一。因此，能量收集系统是电池更换的最相关解决方案之一。长期以来，使用压电悬臂双晶片梁/结构收集环境振动能量一直被研究与原型设计。图1表示现有技术，并且是将典型双晶片悬臂梁1刚性地夹紧在锚固件或锚固模块2内的侧视图。悬臂梁1的包含于锚固模块2中的部分可以被定义为悬臂梁1的“夹紧区域”，并且悬臂梁1的位于锚固模块2之外的部分可以被定义为自由长度、或者“弯曲区域”。通常，悬臂梁1通过震动质量块3终止于其自由末端，该震动质量块3被选择以向系统提供所需的共振频率。这种系统的共振频率主要由悬臂梁1的刚度与被附接至悬臂梁1的末端的震动质量块3控制。悬臂梁1的刚度取决于所使用的材料的弹性常数以及悬臂梁1在弯曲区域中的长度与厚度。通常，这些结构具有多层结构以使装置效率最大化。悬臂双晶片梁的最常见设计通常包括：夹在两个镀有电极的压电层之间的非晶垫片层(芯)，并且可选地，在梁的末端附接震动质量块。悬臂梁刚性地保持在与附接有震动质量块的相反的一端。当受到振动时，悬臂梁会发生振荡，其末端会以一定幅度振动。在此操作期间，内部应变会产生至压电层中，然后可以通过用电子电源管理电路将压电层分流以收集固有产生的电荷。当强烈要求振动时，悬臂梁的原理使机械应力在其压电层内并沿着悬臂梁产生以产生电荷；然而，应变级别并不规则地分布在梁的长轴上，并且在悬臂梁与锚固模块之间的交界处产生最高应变。因此，压电悬臂梁通常由中心层与外层组成，当结构沿与梁主表面正交的方向弯曲时，中心层与外层会不同地受到机械应力；与梁垫片的对称轴的厚度部分相对应的中心线理论上不会产生机械应力，并且被称为梁的中性轴或纤维，而附接于相对面上且远离中性轴的其它层受与离开中性轴的距离成比例的应力。此外，在悬臂梁嵌入锚固模块的区域不允许弯曲，并且由悬臂梁与锚固模块限定的外部结合界面是可能出现强烈应力的区域。这导致悬臂梁结构中机械约束的指数升高。此区域被观察到的极高应力是对梁的破坏的源头，其微裂纹或材料分层严重影响装置的可靠性或故障前平均时间(MTBF)。到目前为止，为提高可靠性与鲁棒性，已经公开对压电双晶片悬臂梁的几种优化。Benasciutti.D.等人(通过优化形状的压电双晶片的振动能量收集，微系统技术，2010年，第657-668页)与Defosseux.M.等人(用于压电振动能量收集的不同的梁的形状的比较，微型发电会议2010年论文集)的出版物中公开了设计的示例，其中研究并测试了宽度可变的悬臂。Benasciutti.D.与Defosseux.M.提出的解决方案中对梁的形状进行改变，并且在某些受几何形状限制的应用中可能会受损。Seddik.B.A等人的另一公开美国专利2013/0342075，其中与厚度恒定的结构相比，中间垫片层的可变厚度导致被夹侧的应力减小并且应力分布更好。不幸的是，制造这样的垫片不是普通的过程，并且需要特定的工具与对垫片厚度变化的精确控制。考虑以上描述，显然需要克服上述缺点的压电悬臂梁的更好设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种压电双晶片悬臂梁的新设计及其相关的制造方法，以便控制锚固界面处的机械约束与应力，从而提高压电双晶片悬臂梁在操作中的坚固性与耐久性。从构成层的厚度均匀且相对于中性轴或纤维对称设置的压电双晶片悬臂梁的通常结构，本专利技术的压电双晶片悬臂梁配备有设置在该压电双晶片悬臂梁的主表面上方的梁加强部或梁加强件，并且抗拉强度从锚固界面向该梁的另一末端变化。梁加强件的存在通过将机械应力从锚固界面逐渐分布至梁的另一末端，使梁的锚固界面处的应力最小化。应力的减小将降低锚定界面处的疲劳，因此增加在运转中的采集器的寿命。在一些实施例中，梁加强件设置在梁的每一侧上面，并且通过改变梁的厚度来获得梁加强件的抗拉强度变化。此外，如果厚度的变化被定义为平行于梁长度的坐标的函数并且进行优化设计，则可以根据规格调整梁中的最大应力。在这种情况下，锚固界面处应力的减小不会影响系统(梁+锚固模块)的总功率输出。为使本专利技术第一实施例的制造与实现方式容易，可以通过使用由相同材料制成并具有可变长度的多层加强件来实现梁加强件的可变厚度。如果适当地设计每层的长度，则如此获得的整个多层结构可近似于具有可变厚度的梁加强件。层的厚度与数量将控制这种近似的精度。在极其简化的情况下，可以仅考虑一层。在一些其它实施例中，通过使用可变刚度层改变梁加强件的材料成分、或通过在材料中形成孔来构造层、或在梁加强件的层内部设置一种或多种材料的夹杂物来获得加强件的抗拉强度变化。可以根据待获得的刚度应用许多不同的几何形状与组成，并且可以用不同拉伸性能的材料填充孔。在其它实施例中，双晶片结构特别是外层的层厚度，可以沿平行于梁长度的坐标变化。附图说明在下文中，将结合提供用于示出并非限制权利要求书的范围的附图与说明来描述本文中的实施例：图1是现有技术中通常已知的典型双晶片悬臂梁的剖视图。图2是具有夹在两个压电层之间的垫片的压电双晶片悬臂梁的剖视图。图3是在悬臂梁系统中使用的不同方向的图示。图4是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第一实施例的剖视图。图5是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第二实施例的剖视图。图6是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第三实施例的剖视图。图7是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第四实施例的剖视图。图8是示出受梁加强件影响的沿悬臂梁的应力变化的图。图9是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第五实施例的透视图。图10是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第六实施例的透视图。图11是根据本专利技术所制造的压电双晶片悬臂梁系统的第七实施例的透视图。具体实施方式现在参照附图与说明，本专利技术涉及制造压电双晶片悬臂梁(pBCB)以从周围环境的振动中直接收集电能的系统与方法。虽然本专利技术不限于双晶片悬臂梁，但是为清楚起见，该特定实施例将用于本申请的描述。本专利技术中，pBCB主要被专用于数十赫兹范围内的低频振动并针对数十赫兹范围内的低频振动而设计，并且优选地被设计成具有小的尺寸与体积，以被集成于医疗应用的传感器植入物或工业应用的传感器节点。但是，本专利技术不限于这些特定的设计选择。该操作的原理基于在压电层上产生的机械应力以在电极上产生电荷，然后通过电源管理电路(PMC)对该电荷进行收集并整流，用于对电池或超级电容器充电或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电双晶片悬臂梁系统，包括：/n垫片，包括第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面、连接至锚固件的近端、以及与所述近端相对的远端；/n第一压电层，层压在所述垫片的第一主表面上；/n第二压电层，层压在所述垫片的第二主表面上；/n第一梁加强件，设置在所述垫片的与所述锚固件相邻的第一主表面上方，并且至少部分地覆盖所述第一压电层；以及/n第二梁加强件，设置在所述垫片的与所述锚固件相邻的第二主表面上方，并且至少部分地覆盖所述第二压电层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170705 US 62/528,886;20170713 US 62/532,1951.一种压电双晶片悬臂梁系统，包括：
垫片，包括第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面、连接至锚固件的近端、以及与所述近端相对的远端；
第一压电层，层压在所述垫片的第一主表面上；
第二压电层，层压在所述垫片的第二主表面上；
第一梁加强件，设置在所述垫片的与所述锚固件相邻的第一主表面上方，并且至少部分地覆盖所述第一压电层；以及
第二梁加强件，设置在所述垫片的与所述锚固件相邻的第二主表面上方，并且至少部分地覆盖所述第二压电层。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一梁加强件、所述第二梁加强件、或者所述第一梁加强件和所述第二梁加强件具有从所述锚固件向所述垫片的远端减小的可变厚度。


3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一梁加强件、所述第二梁加强件、或者所述第一梁加强件和所述第二梁加强件具有基本平坦的外表面。


4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一梁加强件、所述第二梁加强件、或者所述第一梁加强件和所述第二梁加强件具有弯曲的外表面。


5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一梁加强件、所述第二梁加强件、或者所述第一梁加强件与所述第二梁加强件包括堆叠在所述压电层上的多个层，所述多个层中的每层的长度沿远离所述垫片的方向减小。


6.根据权利要求5所述的系统，其中所述多层中的一层或多层由具有与所述多层中的另一层的材料不同成分的材料构成。


7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一梁加强件、所述第二梁加强件、或者所述第一梁加强件与所述第二梁加强件限定多个孔，所述多个孔的尺寸基于沿着所述垫片的位置而变化。


8.根据权利要求7所述的系统，其中所述多个孔的尺寸从所述锚固件向所述垫片的远端增大。


9.根据权利要求7所述的系统，其中所述多个孔填充有与剩余梁加强件的材料不同的材料。


10.根据权利要求6所述的系统，其中所述多个孔关...

【专利技术属性】
技术研发人员：利博尔·鲁费尔，斯坎达·巴萨尔，埃米莉·翠奥斯，圭拉姆·费林，克莱尔·班底格尼斯，洪·勒康，波格丹·洛欣斯基，安·阮定，
申请(专利权)人：格勒诺布尔阿尔卑斯大学，维蒙股份公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR