[发明专利]低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种能够捕获多模态环境振动能量的低频宽带压电与磁电复合振动能量采集器。

背景技术

无线传感器网络融合传感技术、计算机技术和无线通信技术，实现了信息采集、传输和处理的真正统一，是二十一世纪最重要的技术之一，具有巨大的应用和研究价值。近年来，无线传感网络在健康监测、医疗保健、灾害监测等领域发展迅猛，然而，一个关键性问题引起了研究人员的广泛关注，网络中每一个节点的寿命往往不取决于传感器本身而取决电源。传统化学电池，存在很多缺点，如体积大、质量大、供能寿命有限，并需要定期更换，由此带来的材料浪费与环境污染等问题也不容忽视。如何及时高效的对系统进行供电成为了限制无线传感器网络发展的瓶颈问题。

在众多的环境能量中，振动能是一种比较普遍的能量形式。它广泛存在于楼宇、桥梁、公路、车辆、飞行器等各种生产和生活设备中。与其它环境能量相比，振动能量在使用环境、使用时间和能量密度上都具有明显的优势。

目前，振动能量采集技术主要集中于三种方式：静电式（也称电容式）、电磁式以及压电式。从过去几年的研究成果来看，静电式振动能量采集方式在工作时需要额外提供一个初始的启动电压源或电荷源，这为器件的制造和微型化带来不便；因此电磁式和压电式成为当前能量采集的主流方式，二者工作时不需要独立的外加电压源，且电磁式能量采集材料制备容易、成本低廉，压电式能量采集密度大、便于MEMS加工，但目前大都是单一的压电或电磁式能量采集方式，复合式能量采集的报道较为少见，且捕获的环境振动模式较为单一，低频、宽频带振动能量采集问题尚未很好解决。

日常生活中的环境振动频率主要集中于10-100HZ的超低频段，且振动具有多源性，振动频带较宽，振动模态复杂。

发明内容

本发明的目的针对现有技术存在的问题，整合压电、磁电双重理论，设计了一种低频宽带压电/磁电复合多模态振动能量采集器，可以捕获多种模态的环境振动能量，保证了系统在较低频的情况下在较宽的频率范围内达到高效率的能量输出。该发明制作工艺简单，易于集成及批量化生产。

本发明的技术方案是：

一种低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器，由外围结构、拾振结构、固定基板、弹簧和永磁铁组成，其特征在于：所述的拾振结构包括压电阵列、质量块及螺旋感应线圈；拾振结构共有二个，分别与二个固定基板连接，并通过弹簧分别固定在外围结构左侧和右侧的内壁上，永磁铁共有四个，分别位于二个拾振结构的正上方和正下方，其一端通过键合方式与外围结构固定连接，另一端悬空；所述的质量块固定在压电阵列中每个悬臂梁的末端。

所述的压电阵列中的压电片采用悬臂梁结构，由三层构成：上、下两层为压电层，采用的材料为压电陶瓷；中间层为金属弹性梁，压电层与中间层长度、宽度皆一致，采用胶粘贴，压电阵列末端与质量块连接，并通过键合方式与固定基板固定连接；压电阵列所有压电片底部用引线连接，最后通过一根引线连接到固定基板，打孔后从基板引出，引线与相应的外接引线键合盘连接。

所述的螺旋感应线圈为导电线圈，一端固定在固定基板上一端悬空，螺旋感应线圈通过嵌入方式与固定基板固定连接；螺旋感应线圈悬浮端连接引线，沿悬梁方向引至固定基板，固定端直接在固定基板上连接引线，打孔后从固定基板引出，引线与相应的外接引线键合盘连接。

所述的压电阵列与螺旋感应线圈之间要留有间距，在感受了外界振动后做上下振动时保证二者之间不会发生碰撞。

与现有技术比较，本发明整合了压电、磁电能量采集双重理论，可以捕获多种模态的环境振动能量，解决了目前能量采集器采集振动模态单一的问题，并实现了低频环境下，捕获较宽频率范围的振动能量，大大提高了采集效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的三维结构图。

图3为本发明拾振结构的三维立体图。

图中：拾振结构1；压电阵列2；质量块3；螺旋线圈4；固定基板5；弹簧6；永磁铁7；外围结构8。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作详细说明：

如图1所示，低频宽带压电与磁电复合多模态振动能量采集器由拾振结构1、压电阵列2、质量块3、螺旋感应线圈4、固定基板5、弹簧6、永磁铁7（（a）-（d），共4块）以及外围结构8组成。拾振结构1由压电阵列2、质量块3以及螺旋感应线圈4组成。