基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器，包括底座、固定台、柔性悬臂梁；柔性悬臂梁的一端通过固定台与底座相连；柔性悬臂梁由薄金属片、MEMS压电能量采集单元和管壳构成；MEMS压电能量采集单元设于管壳内并连同管壳一起固定于薄金属片的一端，薄金属片的另一端与固定台相连；在底座上位于柔性悬臂梁下方设有限位块；所述柔性悬臂梁与风向形成一个小于30°的初始攻角。本发明专利技术提出将碰撞引入微型风能采集器，以降低风能采集器的临界风速和提高其输出性能，进一步达到扩大其应用范围的目的；另一方面，将固定台同时作为钝体，对流场进行调整，扩大作用于采集器的风载荷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于基于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的可再生能源领域，特别涉及到利用碰撞现象降低微型风能采集器的临界风速和提高输出性倉泛。
技术介绍
将环境中的物理能(如微型太阳能电池、热电池、振动能采集器、风能采集器等)转换为电能的微型能量采集器具有低成本、小体积、长寿命、易集成、不需更换或充电等优点，是无线传感节点、自治式微系统等的理想电源，逐步受到国内外的广泛关注。由于环境振动能随处可见，国内外对微型振动能采集器开展了大量的研究。风能是自然界广泛存在的另一种可再生清洁能源，将风能转换为电能的微型风能采集器逐步成为目前国内外微能源研究的热点。同带有转子的风能采集器相比，基于风致振动机理的微型风能采集器不包括转动部件，具有结构简单、易于加工和可微型化等显著优点，是微型风能采集器的一种易于实现的技术方案。但是，现有的微型风能采集器只有当风速大于特定值(临界风速)时，基于风致振动机理的微型风能采集器才有较大的输出功率。对于基于风致振动机理的微型风能采集器而言，当其振动部分的固有频率越高，其临界风速越大。低频的微机电系统(MEMS)十分脆弱，采用光刻、淀积、刻蚀等微加工工艺难以制作出低频MEMS能量采集单元，因此目前的MEMS微型风能采集器的临界风速很高，远高于常规环境中可供利用的风速，这极大地限制了 MEMS微型风能采集单元的实际应用，因此研究降低包含MEMS能量采集单元的微型风能采集器的临界风速的方法对扩大其应用范围具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有微型风能采集器临界风速过高的问题，提出将碰撞引入微型风能采集器，以降低其临界风速和提高其输出性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案 一种基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器，包括底座、固定台、柔性悬臂梁；柔性悬臂梁的一端通过固定台与底座相连； 其中，柔性悬臂梁由薄金属片、MEMS压电能量采集单元和管壳构成；MEMS压电能量采集单元设于管壳内并与管壳一起固定于薄金属片的一端，薄金属片的另一端与固定台相连； 在底座上位于柔性悬臂梁下方设有限位块，限位块顶部与柔性悬臂梁下表面之间有一个初始间距； 所述柔性悬臂梁与风向形成一个小于30°的初始攻角。在将以上碰撞式微型压电风能采集器置于风场中发电时，将其固定台相对于来流方向置于柔性悬臂梁的前方，并使柔性悬臂梁与来流方向形成一个小于30°的初始攻角。在风载荷作用下，气流将首先到达固定台，该固定台同时也是一个钝体，来流通过该固定台后在其后面产生涡街，使流场发生显著变化，导致位于其后面的柔性悬臂梁的上、下表面之间产生随时间变化的空气压力差，该压力差将引起悬臂梁的振动。当风速达到悬臂梁的临界风速时，压力差的频率与悬臂梁的固有频率接近，悬臂梁将产生强烈的风致振动，并与其下面的限位块不断发生碰撞；悬臂梁与限位块的每次碰撞都将给MEMS压电能量采集单元一个冲量，使MEMS压电能量采集单元产生强烈振动；悬臂梁很软，其固有频率远低于MEMS能量采集单元自身的固有频率，悬臂梁与限位块的碰撞频率低于或等于悬臂梁的固有频率，因此在每两次碰撞之间，MEMS压电采集单元都将发生多次往还振动；在MEMS压电采集单元振动时，位于其压电层上、下表面的电极之间将产生交替变化的电势差，利用该电势差就可以为负载供电。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果 I、本专利技术提出的基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器，由MEMS压电能量采集单元及管壳与薄金属片构成的柔性悬臂梁很软，其固有频率远低于MEMS采集单元自身的固有频率，由于临界风速随固有频率的降低而降低，因此采用以上结构显著降低了临界风速。2、本专利技术提出的基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器，巧妙地利用悬臂梁与限位块的碰撞产生的冲量使MEMS压电能量采集单元产生强烈振动，实现了利用具有较高固有频率的MEMS采集单元采集低速风能的目的。3、本专利技术中位于底座上的固定台，不仅具有固定悬臂梁的功能，同时还具有钝体的功能，该固定台使悬臂梁附近的流场分布发生变化，扩大了动风载荷和降低了临界风速，同时起到了减小尺寸和提高低速风作用下的输出性能的目的。4、本专利技术中，MEMS压电能量采集单元是在安装于管壳内后才固定于薄金属片的一端的，管壳可以对MEMS压电能量采集单元进行保护，使其不易被损坏，可以有效提高采集器的工作寿命。5、本专利技术中，MEMS压电能量采集单元采用MEMS技术进行制作，具有可批量化加工和低成本等优势，在无线传感等领域具有广阔应用前景。附图说明图I是碰撞式微型压电风能采集器的结构示意 图2是热氧化的二氧化硅示意 图3是淀积下电极和压电层后，图形化的压电层示意 图4是图形化的下电极示意 图5是淀积并图形化的上电极不意 图6是衬底正面形成的释放槽示意 图7是衬底背面淀积并图形化的掩膜示意 图8是从衬底背面释放结构后得到的MEMS压电能量采集单元示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细地描述。如图I所不,一种基于MEMS的碰撞式微型压电风能米集器,包括底座4、固定台5、柔性悬臂梁7 ;柔性悬臂梁7的一端通过固定台5与底座4相连。固定台5设置在底座4上，固定台5可以为长方体，也可以为其它形状，或者由多个长方体重叠而成。柔性悬臂梁7由薄金属片3、MEMS压电能量采集单元I和管壳2构成。薄金属片3的厚度为O. lmnTlmm。MEMS压电能量米集单兀I设于管壳2内并与管壳一起固定于薄金属片3的一端,薄金属片3的另一端与固定台5相连。薄金属片3的另一端可以是安装在固定台5的上表面，也可以安装在固定台5的中间位置。在底座4上位于柔性悬臂梁7下方设有限位块6，该限位块6安装在底座4上，并且限位块6顶部与柔性悬臂梁7下表面之间有一个初始间距；该初始间距为O. 5mnTl0mm。柔性悬臂梁7与风向形成一个小于30°的初始攻角。在将以上碰撞式微型压电风能采集器置于风场中发电时，将其固定台相对于来流方向置于柔性悬臂梁的前方，并使柔性悬臂梁与来流方向形成一个小于30°的初始攻角。在风载荷作用下，气流首先到达固定台5，该固定台同时也是一个钝体，由于固定台的影响，气流通过固定台后流场发生显著变化，在其后面产生涡街，导致位于其后面的柔性悬臂梁7的上、下表面之间产生随时间变化的空气压力差，该压力差将引起悬臂梁7的振动。当风速达到悬臂梁7的临界风速时，压力差的频率与悬臂梁7的固有频率接近，悬臂梁7将产生强烈的风致振动，进一步位于其下面的限位块6不断发生碰撞；悬臂梁7与限位块6的每次碰撞都将给MEMS压电能量采集单元I 一个冲量，使MEMS压电能量采集单元I产生强烈振动；由MEMS压电能量采集单元I和薄金属片2构成的悬臂梁7很软，其固有频率远低于MEMS能量采集单元I自身的固有频率，悬臂梁7与限位块6的碰撞频率低于或等于悬臂梁 的固有频率，因此在每两次碰撞之间，MEMS压电采集单元I都将发生多次往还振动；在MEMS压电采集单元I振动时，位于其压电层上、下表面的电极之间将产生交替变化的电势差，利用该电势差就可以为负载供电。以上基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器中，其MEMS压电能量采集单元采用硅基微加工技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于MEMS的碰撞式微型压电风能采集器，其特征在于：包括底座（4）、固定台（5）、柔性悬臂梁（7）；柔性悬臂梁（7）的一端通过固定台（5）与底座（4）相连；其中，柔性悬臂梁（7）由薄金属片（3）、MEMS压电能量采集单元（1）和管壳（2）构成；MEMS压电能量采集单元（1）设于管壳（2）内并与管壳一起固定于薄金属片（3）的一端，薄金属片（3）的另一端与固定台（5）相连；在底座（4）上位于柔性悬臂梁（7）下方设有限位块（6），限位块（6）顶部与柔性悬臂梁（7）下表面之间有一个初始间距；所述柔性悬臂梁（7）与风向形成一个小于30°的初始攻角。

【技术特征摘要】
1.基于MEMS的碰撞式微型压电风能米集器,其特征在于包括底座(4)、固定台(5)、柔性悬臂梁(7);柔性悬臂梁(7)的一端通过固定台(5)与底座(4)相连； 其中，柔性悬臂梁(7)由薄金属片(3)、MEMS压电能量采集单元(I)和管壳(2)构成；MEMS压电能量米集单兀(I)设于管壳(2)内并与管壳一起固定于薄金属片(3)的一端,薄金属片(3)的另一端与固定台(5)相连； 在底座(4)上位于柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺学锋，高军，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：