本发明专利技术公开一种新能源技术领域的基于升频转换的定圈式微机械电磁式振动能量采集器，包括：低频拾振台、高频谐振台、垫片和感应线圈，低频拾振台包括：顶盖、上层平面弹簧和起振永磁体和／或软磁体。上层平面弹簧固定在顶盖凹坑的边沿上，上层平面弹簧包括上层中央平台及其周围的上层悬臂梁，起振永磁体和／或软磁体固定在上层中央平台上；高频谐振台包括：边框、下层平面弹簧、谐振永磁体，下层平面弹簧固定在边框上，下层平面弹簧包括下层中央平台及其四周的下层悬臂梁、谐振永磁体固定在下层中央平台上；垫片位于高频谐振台和感应线圈之间；感应线圈绕组固定在绝缘衬底上，在垫片下方固定不动。本发明专利技术转换效率高、易于实现批量化集成制造。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种微机电
的采集器，特别是一种基于升频转换的 定圈式微机械电磁振动能量采集器。技术背景随着微电子技术的日趋成熟，汽车传感、嵌入式系统、RFID(无线射频识别) 和无线传感网络等高新技术正在迅速发展。这些技术要求供电部件具有体积小、 重量轻、寿命长等特点。目前主要的供电方式是电池和有线电源。电池寿命短， 存储能量有限，相对上述器件而言体积和质量大，当工作寿命在几年以上时，基 于电池的供电方式难以满足传感器节点的供电需求。无线通信以及各种生物植入 和结构嵌入型微传感器又要求系统脱离电源线的束缚，以汽车胎压监测系统为 例，通常要求将微能源和压力传感器及信号发送装置一起植入轮胎内部，传统的 供电方式显然已无法满足上述新兴技术对电源的特殊要求。必须寻找一种新的电 源，使之克服在上述问题。因此，可自我维持微电源的研究成为微能源研究领域 的一个重要方向。振动能量采集器作为一种新型的微电源，可以把系统周围广泛存在的机械振 动能转换成电能，从而全天候地为各种低功耗的电子器件供电。目前完全集成制 造的微机械电磁振动能量采集器输出功率和电压低，难以满足低功耗器件应用的 需求。究其原因，根据理论分析，采集器通常应工作在谐振状态(拾振台的固有 频率与环境振动频率相等)，此时受迫振动振幅最大，而输出功率与受迫振动的 频率立方及振幅平方成正比。目前自然环境中存在的振动源频率通常都在10 100Hz左右，如果在设计中按照谐振要求将器件工作点(拾振台固有频率)设置 在此较低的频率下，当线圈及永磁体尺寸受限时，输出功率和电压都难以满足要 求，由于输出功率正比于与频率的立方，如果将工作点从几十Hz提升至几百Hz， 则输出功率将提高三个数量级。但改变工作点则难以满足谐振工作条件。因此设计器件时，如果满足谐振条件，则工作点频率过低、若提高工作点频率，则又不 满足谐振条件，器件性能受到很大限制。经对现有技术文献的检索发现，Kulah等在《IEEE SENSORS J0URNAL》(国 际电子电工学会传感器学报)，Vol8， No. 3， 2008， 261 268撰文"Energy Scavenging From Low—Frequency Vibrations by Using Frequency Up—Conversion for Wireless Sensor Applications (禾U用升步页转换从低步页振 动中收集能量用于无线传感器")，该文提出采用升频结构来解决上述问题，其基 本思路是，利用外界环境低频振动作用下的永磁体吸引位于其下方带有线圈的悬 臂梁顶端的软磁体，诱发含有线圈的悬臂梁发生高频振动并切割悬臂梁前方的另 一块永磁体所产生的磁力线而产生功率输出，从而将低频环境振动转换为线圈切 割磁力线时的高频振动。初步结果表明，在同样的外界振动条件下，采用此方案 可以将输出功率提高两个数量级。该设计虽然能够实现升频转换，但由于线圈制 作在可动平台上，导致器件制作工艺过于复杂，难以制作多层线圈。由于永磁体 要穿过线圈所在平面，因此永磁体占用了大部分面积，在器件面积一定时，限制 了线圈绕组的尺寸，包括绕组匝数和绕组长度，因此线圈所能产生的感应电动势 也受到限制。同时，由于永磁体占据了大部分面积，悬臂梁的尺寸和形状受到了 严格限制，在设计器件结构时，难以通过调整悬臂梁的形状和尺寸来改变悬臂梁 的刚度，难以通过改变阻尼孔的大小调整结构内部的阻尼力，进而改变振幅和固 有频率，只能在有限的几个频率点上实现升频转换，难以满足几赫兹至几百赫兹 这一较宽频谱内的任意频段上利用升频转换高效采集能量的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于升频转换的定圈式 微机械电磁振动能量采集器，使其满足对低频振动能量采集效率高、频率适应性 好、易于集成制造等方面的综合要求。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括低频拾振台、高频谐振台、 垫片和感应线圈。高频谐振台位于感应线圈上方，高频谐振台位于低频拾振台下 方，垫片位于高频谐振台和感应线圈之间。所述的低频拾振台包括顶盖、上层平面弹簧和起振永磁体和/或软磁体。 顶盖中央有凹坑，上层平面弹簧固定在顶盖凹坑的边沿上，上层平面弹簧包括上层中央平台及其四周的上层悬臂梁，起振永磁体和/或软磁体固定在上层中央平 台上，在高频谐振台的正上方。所述的顶盖上凹坑深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米。所述上层平面弹簧厚度为10微米-30微米。所述上层悬臂梁形状为方螺旋型，宽度为50微米-200微米，均布于上层中 央平台四周。所述上层中央平台为方形或圆形，边长3毫米-5毫米。平台上开有边长为 50微米至500微米的阻尼孔。所述起振永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于起振永磁体顶面和底面。 所述软磁体形状为立方体或圆柱体。所述的高频谐振台包括边框、下层平面弹簧、谐振永磁体，边框中央有通 孔，下层平面弹簧固定在边框上，下层平面弹簧包括下层中央平台及其四周的下 层悬臂梁、谐振永磁体固定在下层中央平台上，在感应线圈的正上方，谐振永磁 体能相对于垫片上下直线运动和/或倾斜摆动。所述的边框上的通孔深度为500微米至1000微米，边长为4毫米至6毫米。所述下层平面弹簧厚度为10微米-30微米。所述下层悬臂梁宽度为100微米-500微米，形状为蛙足型，均布于下层中 央平台周围。所述下层中央平台为方形或圆形，位于上层中央平台正下方，边长l毫米-2 毫米，平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔。所述谐振永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于谐振永磁体顶面和底面， 极性与起振永磁体相反。所述垫片为环形，内缘边长为4毫米至6毫米、厚度为200微米-400微米， 谐振永磁体能在此范围内相对于感应线圈上下直线运动和/或倾斜摆动、感应线 圈相对于垫片不动。所述的感应线圈由感应线圈绕组和绝缘衬底构成，位于谐振永磁体的正下 方。感应线圈绕组固定在绝缘衬底上，由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈 按螺旋渐开的方式组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在io微 米-30微米范围内。线圈之间有氧化铝或聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯等绝缘材料。 本专利技术主要用于高效采集自然界环境中广泛存在的各种200赫兹频率以下的低频振动能。低频拾振台内的悬臂梁比高频谐振台内的悬臂梁软、低频拾振台固有频率低于200赫兹，高频谐振台固有频率高于200赫兹。在受到低于200赫 兹的外界低频振动作用时，固有频率较低的低频拾振台会发生谐振，带动起振永 磁体和/或软磁体上下运动。当低频拾振台带动带动起振永磁体和/或软磁体向 下运动时，起振永磁体和/或软磁体和高频谐振台上的谐振永磁体的距离不断縮 小，由于起振永磁体和谐振永磁体极性相反，因此无论是起振永磁体还是软磁体、 它们和谐振永磁体之间的磁场力都会随距离的縮小不断增大，会克服下层悬臂梁 内部的弹性变形力吸引谐振永磁体向上运动，而下层悬臂梁内部的弹性变形力会 随着高频谐振台向上运动而不断增大；当低频拾振台带动起振永磁体和/或软磁 体向上运动时，起振永磁体和/或软磁体和谐振永磁体的距离不断增大，起振永 磁体和/或软磁体和谐振永磁体之间的磁场力不断减小，当磁场力小于本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于升频转换的定圈式微机械电磁振动能量采集器，包括：低频拾振台、高频谐振台、垫片和感应线圈，其特征在于： 所述高频谐振台位于感应线圈上方，高频谐振台位于低频拾振台下方，垫片位于高频谐振台和感应线圈之间； 所述的低频拾振台包括：顶盖、上层平面弹簧和起振永磁体和／或软磁体，顶盖中央有凹坑，上层平面弹簧固定在顶盖凹坑的边沿上，上层平面弹簧包括上层中央平台及其周围的上层悬臂梁，起振永磁体和／或软磁体固定在上层中央平台上，在高频谐振台的正上方； 所述的高频谐振台包括：边框、下层平面弹簧、谐振永磁体，边框中央有通孔，下层平面弹簧固定在边框上，下层平面弹簧包括下层中央平台及其四周的下层悬臂梁、谐振永磁体固定在下层中央平台上，在感应线圈的正上方，谐振永磁体能相对于垫片上下直线运动和／或倾斜摆动； 所述的感应线圈由感应线圈绕组和绝缘衬底构成，感应线圈绕组固定在绝缘衬底上，感应线圈在垫片下方固定不动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：戴旭涵，赵小林，丁桂甫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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