一种宽频带压电发电装置，多个悬臂梁Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］……分为两组，每组悬臂梁的一端固定，另一端保持自由，悬臂梁之间保持平行，两组悬臂梁之间存在交叉部分。其中悬臂梁由压电换能元件（３４、３６）、引线（３１）、金属块（３２）和电极（３３、３５、３７）组成，电极和压电换能元件相间排列，引线（３１）处于悬臂梁的固定端，金属块（３２）处于悬臂梁的自由端。悬臂梁Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］……的尺寸和结构不同，压电换能元件的制作材料不同，金属块的质量不同，因而每个梁的谐振频率不同。两组悬臂梁Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］……呈平面内叉指结构排列或空间内叉指结构排列。本发明专利技术可吸收环境中多个频率分量的机械振动或噪声，由压电换能元件实现机械能向电能的转化，以增大发电量，提高发电效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电振动发电装置。技术背景近年来化石能源逐渐紧缺，由此造成的能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫 于能源和环保的压力，人们逐渐开始了利用新能源的探索，将自然环境中无处不在的振动转 化为电能便是其中的一种。压电材料的压电效应(机械能々电能)为利用机械振动发电提供 了可能。随着微机电系统(MEMS)及微电子技术的发展，各种微功耗的电子产品逐渐面世，客观 上促进了微能源(Micro Power, —般在微瓦和毫瓦量级)的研究。另一方面，将风能、太 阳能、核能等可再生能源微型化存在诸多困难。因此，利用压电材料获取环境振动实现发电 近来成为人们的关注热点。综观压电发电技术的发展现状，国内外的研究人员目前将主要精力集中于悬臂梁结构， 比如W0 2007121092，描述了这种结构，由金属块、压电层、电极、压电板等组成，如图la 所示。这种结构仅能工作在一种振动模式下，只能在一个谐振工作点发电效率最高，因此发 电量低，如图lb所示。为了获得较高效率，往往装置的尺寸很大，不利于与微系统的集成。 中国专利CN 2745781提出了一种悬挂结构，由压电堆、弹簧和金属块构成发电器件，用于 吸收汽车中的振动能量，但也只能针对某一频率。美国专利US 6858970设计了一种采用MEMS 工艺制作的发电结构，但悬臂梁的排布方式单一，没有充分利用空间。美国专利US 7057330， 提出了一种宽频带压电能量获取装置，采用多个弹簧(弹性原件)和金属块相联结的方式将 外界振动转化为电能。这种形式虽能达到宽频发电的目的，但该装置的整体结构复杂，且系 统谐振频率高实用性不强。总结以上几种结构可以发现，目前见诸报道的各种压电振动发电系统大多集中于悬臂梁 和弹簧金属块两种结构。由于弹簧金属块结构尺寸大，刚度高，因而谐振频率高，另一方面 环境振动多属于低频振动，所以该结构并不实用。而单一悬臂梁结构，只能吸收某一频率的 外界机械振动，发电效率低，应用范围较窄，不利于压电发电技术的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服目前压电振动发电技术工作模式单一、环境适应能力差、不易微型 化等缺点，提出一种叉指型结构的宽频带压电发电装置。本专利技术采甩多个不同结构参数的悬臂梁并行叉指SE排列.，实现了多个振动模式同时工作，进而扩大压电发龟技术的应用范围， 提高环境适应能力，增大发电效率。目前用于压电发电的悬臂梁结构为电极、压电换能元件、电极三层叠加，压电换能元件 位于上下两层电极的中间位置，类似三明治结构，其中悬臂梁的长度远大于宽度和厚度，悬 臂梁的一端固定，另一端保持自由，自由端上附着金属块。为克服这种单一悬臂梁结构的缺 点，本专利技术设计了将多个悬臂梁结构集成为一体的形式，这些悬臂梁的长度、宽度和厚度不 同，采取叉指型排列方式，包括平面内叉指排列和空间内叉指排列。平面叉指型结构排列方 式是将所有悬臂梁分为两组，每组悬臂梁的一端统一固定于装置两侧的支架上，与支架垂直， 另一端自虫，两组悬臂梁之间存在交叉部分，即两组悬臂梁所在区域重叠迫梁与梁之间不接 触，像人的十个手指头可以在同一平面内交叉排列一样，这种结构可以节约空间。空间叉指 型结构方式则为将两组悬臂梁分别固定于上下两个平面，两组悬臂梁之间存在交叠部分，即 两组悬臂梁存在空间重叠区域，但梁与梁彼此不接触。悬臂梁中的压电换能元件为薄片状， 压电换能元件的长度远大于宽度和厚度， 一般在十倍以上。压电换能元件可采用多种压电材 料制作，包括压电单晶、压电陶瓷、压电高分子聚合物和压电薄膜等。压电换能元件的极化 方式为横向，即压电换能元件在长度方向上发生伸縮时，其上下表面将产生电荷。悬臂梁中 的压电换能元件与电极相间排列，压电换能元件始终置于上下两电极之间，形成两个电极和 一个压电换能元件的电极-压电换能元件-电极结构；或三个电极和两个压电换能元件，其中 一个压电换能元件位于上表面电极和中间电极之间，另一个压电换能元件位于中间电极和下 表面电极之间，形成电极-压电换能元件-电极-压电换能元件-电极结构；或由更多个压电换 能元件和电极组成悬臂梁，但电极数量始终比压电换能元件数量多一个，压电换能元件和电 极二者相间排列，且压电换能元件处于两个电极之间。各个悬臂梁上附着的金属块质量可以 不同，但金属块始终位于电极和压电换能元件构成的悬臂梁的自由端。本专利技术中的多悬臂梁结构可用微细加工技术，如表面微加工技术和体微加工技术加工制 作，以实现与微系统和微器件的集成。同时也可以应用传统工艺方法，如切割、粘接、烧结 等，制作成大尺寸结构，以增大发电量。由于各个悬臂梁的尺寸及悬臂梁上附着金属块质量不一样，因此本专利技术所设计的装置具 有多个谐振工作点，可吸收外界振源中多个振动频率的机械振动，并转化为电能，实现宽频 带压电发电。另外，本专利技术的优点在于可以通过叉指型并行排列多个悬臂梁以充分利用空间， 实现有限空间内发电效率的最大化。 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。图la为现有技术单悬臂梁的结构示意图；图lb为对应图la所示结构的发电量-频率曲线；图2a为平面内叉指型多悬臂梁结构的X-Y平面示意图；图2b为对应图2a所示结构的发电量-频率曲线；图3为具有双层压电换能元件的悬臂梁结构；图4为宽频压电振动发电装置(平面叉指结构)的三维结构图；图5为空间内多悬臂梁的叉指型结构排列。具体实施方式图la描述了现有技术单悬臂梁L的结构，单悬臂梁L包括压电换能元件14、引线ll、 金属块12、正电极13和负电极15，压电换能元件14和两个电极13和15三者叠层排列， 压电换能元件14位于正电极13和负电极15中间，类似三明治结构。引线11处于悬臂梁L 的固定端，分别用于导出正负电荷，金属块12处于悬臂梁L的自由端，以在振动时使单悬 臂梁L产生最大振幅。图lb为图la所示的单悬臂梁发电量-频率曲线，横轴表示外界振动 的频率，竖轴表示悬臂梁的发电量。需要说明的是，悬臂梁的谐振频率由悬臂梁L本身的尺 寸(长、宽、厚)、材料以及金属块12的质量决定，与外界环境无关。当该悬臂梁L处于振 动环境中，悬臂梁将发生振动，压电换能元件14通过压电效应将机械振动转化为电能，并 通过引线ll把电能导出。当外界振动频率等于谐振频率fV时，悬臂梁L的振幅达到最大， 压电换能元件14的变形亦最大，此时发出最大电量V。图2a为本专利技术平面内叉指型多悬臂梁结构的X-Y平面示意图，该结构中具有L、 L2、 L3……等多个悬臂梁，这些悬臂梁尺寸、结构、压电换能元件材料、金属块质量不同，因此 分别具有不同的谐振频率。将该装置放置于某一具有多个频率的复杂振动环境中，环境中的振动将诱发装置中的多个悬臂梁产生谐振，压电换能元件遂通过压电效应将机械振动转化为 电能。图2b为对应图2a所示结构的发电量-频率曲线，横轴表示外界振动的频率，竖轴表 示悬臂梁的发电量。fkl、 fk2、 &……为分别对应图2a中的悬臂梁L,、 L2、 L3……的谐振频率， 当外界环境具有fw、 fk2、 fk3……等频率分量时，图2a所示结构中所有的梁均处于谐振状态， 此时总发电量为V-^+Va+V^ 。图3所示为具有双压电换能元件的悬臂梁结构，包括2个压电换能元件34和36，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种宽频带压电发电装置，包括外界振源（４１），装置外壳（４２），固定悬臂梁结构的支架（４３），悬臂梁Ｌ、压电换能元件（１４）、引线（１１）、金属块（１２）和电极（１３、１５）；压电换能元件和电极组成悬臂梁Ｌ，电极和压电换能元件相间排列，引线（１１）处于悬臂梁Ｌ的固定端，金属块（１２）处于悬臂梁Ｌ的自由端，其特征是：多个悬臂梁Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］……分为两组，每组悬臂梁的一端固定，另一端保持自由，悬臂梁与悬臂梁之间保持平行，两组悬臂梁之间存在交叉部分；悬臂梁Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］、Ｌ↓［３］……具有不同的尺寸和结构，压电换能元件的制作材料不同，其上附着的金属块的质量不同。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜楠，刘俊标，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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