[发明专利]一种哑铃型的超静定压电梁俘能器

说明书

技术领域

本发明属于一种通过吸收环境中的振动能量通过压电材料转化为电能来对微电子器件进行供电的有较高疲劳寿命的压电俘能器件，具体涉及一种哑铃型的超静定压电梁俘能器。

背景技术

近年来，由于微电子器件在民用，军用及医疗方面的广泛应用，为其供能的俘能器引起了越来越多科研工作者的关注。和传统的供能源电池相比，俘能器件的优点在于：输出稳定，寿命更长，更环保。Roundy等通过大量对俘能手段的分析比较后认为，压电俘能器的俘能效率最高、也最有发展前途。

现有的压电俘能器将主要的精力都集中在器件输出性能的优化设计上。然而作为传统电池的替代产品，俘能器自身的疲劳寿命没有被重视。然而事实上，俘能器件的服役时间的长短以及其工作状态下的安全性与稳定性直接决定了其存在的必要性，如果其工作疲劳寿命低于现有电池的供电时间，则其无限无源供电的优势无法体现。

在传统压电俘能系统中，压电梁一直是最重要的俘能结构之一。但是该结构为静定结构，即结构体上的约束数目与其自由度刚好相等，如果一旦其中一个约束出现问题，则整个结构无法继续工作。而其中置于支撑墙内的端部承受了俘能体的全部作用反力，根部应力集中现象明显，使得该改结构的疲劳寿命大为降低，也因此影响了整个俘能系统的工作服役寿命。从另外一个角度考虑，如果将压电梁的整体宽度或厚度增加，也能提高其承受应力的能力，但是相应的器件所占用的空间就更大，俘能系统的功率密度会降低。

发明内容

所以，针对以上的问题，本专利发明了一种有较高疲劳寿命的哑铃型超静定压电梁俘能器。当梁体上的约束数目超过其自由度时，称之为超静定梁。因此，这种俘能器的俘能主体结构的超静定支撑使得整个系统更为安全稳定，即使其中一个约束失去作用，整个系统也能照常工作。另外，且该结构纵向驱动力由两端共同承担，根部的应力大为降低，而哑铃型结构既保证了俘能结构根部足够的强度，又节省了应力相对较小的中部的空间，从而在保证输出功率密度的前提下，大幅提高俘能系统的整体服役寿命。

本发明是这样实现的：

一种哑铃型的超静定压电梁俘能器，包括支座外壳，以及两端固定在支座外壳上的哑铃型的压电双晶片梁，所述压电双晶片梁包括一对压电片层和位于压电片层中间的金属层，金属层是为了增强本浮能器的抗振动疲劳耐久性。压电片层和金属层的长度方向的两边为向内凹的弧线，宽度方向的两边为直线，从而使压电双晶片梁形成哑铃型。在使用过程中，压电片层与金属层除了厚度不同之外，长宽的规格均相同。

更进一步的方案是：弧线的外圆半径R＝(4α2b2+L2)/(8αb)，其中α为安全间隙系数，取值0.1～0.3，b为压电片层的宽度，L为压电片层的长度。

更进一步的方案是：中间金属层与单个压电片层的厚度比为0.8。

压电片层在厚度方向上极化，压电片层在上下表面都镀有薄电极。

哑铃型的压电双晶片梁的上部压电片层上表面的薄电极和下部压电片层下表面的薄电极通过导线连接后与微电子元件负载阻抗连接，再通过导线连接到金属层。

所述压电片层为压电陶瓷片。

所述薄电极为银电极。

为了提高俘能效果，在每个支座外壳中可以设置多个哑铃型的压电双晶片梁。

本发明振动支座外壳被固定在地基上以吸收来自环境中的振动能量，且有防尘，防磁的作用。外壳固定于在垂直方向作振幅为A，频率为f的简谐振动的地基上。负载为外接电子器件的工作阻抗。

本发明所依据的基本原理是：压电陶瓷片在机械外力作用下会产生电极化现象，