[实用新型]一种交错压电双晶片梁型俘能系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种俘能系统，具体涉及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具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能系统。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，而构成物联网最关键的元素是安置在各种物件中的传感器设备。传统的为这些传感器供电的方式是有线供电或电化学电池供电。有线供电虽然能保证器件所需能量的正常供给，但由于传感网络中的传感单元的数量众多，使得布线困难。传统电化学电池的供电量会随着时间的推移而逐渐减弱，因此只能在较短时间内保证微器件的正常工作，其传统的电池供能方式已逐渐不能满足其发展需求，通过吸取环境中的振动和噪声能来为该类器件进行供电的方法越来越受到关注。其中，压电俘能器由于其较高且较稳定的能量输出和能量吸收效率成为最受推崇的俘能器件。

压电双晶片梁型结构由于其共振频率相对其他更加接近环境振动的频率，因此是压电俘能器设计中的最常用的结构之一。然而，传统俘能器设计中的压电双晶片梁都采用的是同侧分布或者是横向分布，或没有给出较具体的空间分布方案。压电俘能器的使用对象是体积很小的各类微电子器件和传感设备，因此在满足输出需求的前提下，其所占用的空间应尽可能小。因此，Roundy等学者都以输出能量密度作为压电俘能器的重要性能指标。输出能量密度是单位体积的压电俘能器所输出的功率，然而压电俘能结构不是静止的器件，其工作时是需要占用一定空间的。如果这个工作空间设置的过小，相邻的两个压电体间就有可能发生碰撞，使得俘能系统发生故障，输出功率降低，甚至完全报废。

典型压电俘能系统的压电双晶片的一侧嵌入外部支座壁中，另一端处于自由状态，形成压电双晶片梁结构。俘能器系统的设计中压电双晶片梁都采用的是同侧分布或者是横向分布，而为了保证各压电器件之间的能够正常工作而不相互发生碰撞，压电元件之间就必须保证有一定的空间，对于传统俘能系统而言，其安全空间需求量较大，降低了单位空间内的俘能效率，即降低了其实际功率密度。然而实际功率密度对于压电俘能系统这种微电子器件的能量源是相当重要的指标，因此急需一种有较高的实际功率密度的俘能系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能系统。

合理的评判一个压电系统的输出性能的指标应为实际输出功率密度，即俘能系统的体积应同时包括压电体本身和安全工作间隙。本专利基于这一理念，提出了一种具有较高实际输出功率密度的交叉分布压电双晶片梁型俘能系统。数值模拟结果表明，通过对压电双晶片梁进行交叉分布能大幅度的提高俘能系统的实际功率密度。

本实用新型是这样实现的：

一种具有较高实际功率密度的交错压电双晶片梁型俘能系统，包括外部支座和压电双晶片梁；外部支座的作用是将环境振动源中的振动能量引入到俘能系统中，让整个俘能装置作垂直于水平面的竖直振动，同时也起到增强系统振动稳定性和封装的作用。

压电双晶片梁是俘能系统中的主要俘能元件，将机械振动能转化为电能。压电双晶片梁由上下两层从厚度方向极化的一对有相同几何尺寸的压电片，以及中间用以加强整体结构的金属层组成。压电片的上下表面镀有电极，电极通常选用导电性能较好的银材质。

在使用过程中，浮能系统中的俘能结构由多个压电双晶片梁串联而成，其与传统俘能器阵的重要区别在于，俘能结构中相邻的两个压电双晶片梁分别布置在外部支座的左右两侧，而不是像传统俘能系统中分布在同一侧。

即第m个压电双晶片梁的一端嵌入外部支座的左侧壁，第m+1个压电双晶片梁的一端嵌入外部支座的右侧壁。

压电双晶片梁可通过导线串联在一起，并与负载阻抗串联。也可以采用其他的电路连接方式，如压电双晶片梁并联后再与负载阻抗串联，或者在单个压电双晶片梁与单个负载阻抗串联后再与其他单个压电双晶片梁与单个负载阻抗的串联电路并联，以及其他的电路连接方式。

压电俘能器的供能对象是体积很小的各类微电子器件和传感设备，因此在要求其提供尽可能大输出功率的同时，要尽量节省空间占用。因此Roundy等学者都以输出能量密度作为压电俘能器的重要性能指标。传统的压电俘能器的功率密度定义为：