[发明专利]基于升频转换的动圈式微机械电磁振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种新能源技术领域的采集器，特别是一种基于升频转换的动圈式微机械电磁振动能量采集器。

背景技术

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 JOURNAL》(国际电子电工学会传感器学报)，Vol8，No.3，2008，261~268撰文“EnergyScavenging From Low-Frequency Vibrations by Using FrequencyUp-Conversion for Wireless Sensor Applications(利用升频转换从低频振动中收集能量用于无线传感器”，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。

发明内容

本发明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动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。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：上层拾振台、垫片和下层拾振台。垫片位于上层拾振台和下层拾振台之间。

所述的上层拾振台包括：顶盖、上层平面弹簧和永磁体。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，永磁体固定在上层中央平台上，在下层拾振台的正上方。

所述的顶盖凹坑深度为200微米至400微米，边长为3毫米至5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100微米500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1毫米-2毫米。平台上开有边长为50微米至500微米的阻尼孔。

所述永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体顶面和底面。