[发明专利]基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，具体是一种基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器。

背景技术

微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems)是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的研究领域。随着无线传感器网络、嵌入式智能结构和可穿戴式健康监测等功耗低、独立工作系统的迅速发展，对长寿命的独立电源供应技术的需求越来越强烈。目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法。以压电材料的压电效应作为换能基础设计制作的微型压电发电装置因具备体积小，能量密度高，寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点，因而获得了广泛的关注。

MEMS压电能量采集器的工作原理是基于压电材料的正压电效应，其正压电效应是将机械能转化为电能，当外力作用到压电元件上并引起材料发生变形，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，导致原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。所产生的电能依赖于外部环境振动频率，当压电能量采集器的系统频率与外部振动频率相匹配产生共振时，将输出最大功率，但是，当压电能量采集器的系统频率偏离外部振动频率时，输出的功率将减少。

利用MEMS技术研制的压电式振动能量收集器，由于尺寸微小其固有频率较高，通常远高于环境振动频率。自然环境振动频率一般小于1000HZ范围内，而且主要集中在小于100Hz的范围内。因此，目前的MEMS能量采集技术还无法实现在低频环境下(小于100Hz)的能量采集。

经对现有技术文献的检索发现，Marco Ferrari，Vittorio Ferrari等在《Sensors and Actuators A》142(2008)329-335撰文“Piezoelectricmultifrequency energy converter for power harvesting in autonomousmicrosystems”(“自治微系统中多频率压电能量收集器”《传感器与执行器A》)。该文中提及到的实现频率匹配的方法是采用多个不同自然频率的双晶片压电悬臂梁组成的阵列实现更宽的等效频带。但是，用这种方法一方面增大了压电能量采集器的结构尺寸，而且使悬臂梁的制造过程变得复杂。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，使压电换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器工作频带窄、固有频率高等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：框架和设于框架内的双稳态梁、压电悬臂梁、永磁铁、软磁铁，双稳态梁的两端均固支于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，压电悬臂梁的一端固定于框架上，软磁铁设置于压电悬臂梁上。

所述双稳态梁的长度比框架内部的宽度要长，双稳态梁水平放置，且双稳态梁屈曲于框架内。

所述双稳态梁的两端均固支于框架上。

所述压电悬臂梁的一端固支于框架上，压电悬臂梁的另一端悬空。

所述软磁铁设于压电悬臂梁的悬空端的上表面。

所述永磁铁附着于双稳态梁的下表面的中部。

所述永磁铁与软磁铁的中心轴线相同。

所述压电悬臂梁，包括三层，中间层为金属层，上层和下层均为压电层。

上层压电层和下层压电层上均覆盖有电极。

上层压电层电极和下层压电层电极串联连接。