[发明专利]免磁铁双稳态压电换能器

说明书

技术领域

本发明属于压电材料与器件和新型能源技术领域，具体地，涉及一种免磁铁双稳态压电换能器，这种压电换能器可以利用环境的振动能进行发电，也可以在电场的驱动下进行大幅度振动，实现开关、驱动等功能。

背景技术

压电材料是一种可以在机械应力作用下产生电场的功能材料，这种在机械应力作用下产生电场的效应称为压电效应。此外，压电材料也具有逆压电效应，即在电场的作用下产生机械应力或机械应变的特性。根据美国电气和电子工程师协会颁布的标准（IEEE 标准 176-1978），以下的公式（1）是压电材料的本构方程，可以用来表征压电效应和逆压电效应。在该公式（1）中，S和T分别表示机械应变和机械应力；E和D分别表示电场强度和电位移；S^E表示电场不变或等于零的条件下的机械弹性柔性系数，ε^T表示机械应力不变或等于零的条件下的介电常数，d是表征压电性能强弱的压电应变系数：

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从1880年居里兄弟发现压电效应以来一百多年来，人们已经利用压电材料研制出了各种压电器件，包括各种谐振器、换能器、滤波器、制动器、声表面波器件、电光器件、磁电器件等，这些压电器件广泛应用于信息、能源、环境等各个领域，在高技术发展中有着不可替代的重要作用。

近些年来随着微机电技术和集成电路的发展，电子电路的能耗越来越低，有些电子器件的能耗已经降低到微瓦量级，比如心脏起搏器，微纳米传感器，电子标签等等。因此利用环境能源实现低功耗电子器件免电池自供能工作的研究成为近些年来的一个热点。对于一些特殊应用领域实现电子器件的自供能具有紧迫性和显著的意义。比如在物联网领域，无线传感器节点数以万计，使用传统电池供电存在诸多问题，例如电池体积大、寿命短、难以反复充电等，特别是在建筑物墙体内的无线传感器节点实现传统电池的更换和充电几乎是不可能的。

而收集环境能源进行发电的技术，目前主要有光伏发电技术，热电转化技术，风能发电等，他们分别利用了环境中的太阳能、温差能、风能。环境中还有一种分布广泛的能源，即振动能，近些年来逐渐受到研究者的重视，成为一大研究热点。利用压电材料的压电效应进行振动能量收集是一种比较有效的振动能量收集方式。压电能量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、结构简单、体积小、易于满足集成化要求等特点，并且无需外加偏置电场，不受电磁干扰，所以压电能量收集器受到了越来越多的关注。

压电能量收集器虽然具有如上所述的一系列优点，但是距离完全满足实际应用要求还有一定距离。限制压电能量收集器实际应用的问题主要有频带窄、谐振频率高、能量采集效率低、理论模型不完善等。但是近来发展起来的非线性压电能量收集技术在一定程度上解决了这些问题，推进了压电能量收集器的实际应用进程。非线性压电能量收集技术主要体现在结构设计方面和能量采集电路方面。前者如美国专利US20110095648 A1中公开的双稳态压电能量收集器等，后者如PCT申请WO/2007/063194公开的同步电荷提取电路等。

上述双稳态结构压电能量收集器是非线性技术在压电能量收集领域应用的一个例证。采用这种结构不仅可以增加带宽，降低频率，还可以有效提高输出，增加能量转化效率。但是目前双稳态结构的实现都要通过磁铁的相互作用实现能态之间的跳跃，磁铁在振动能量收集过程中不仅易受周围磁场的影响，同时它本身产生的磁场也会对附近的电子器件产生影响，这与压电能量收集器不受电磁干扰的特性相矛盾。因此设计免磁铁的压电能量收集器件结构就显得格外重要和迫切。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种免磁铁双稳态压电换能器，该免磁铁双稳态压电换能器不仅可以用于振动能量的收集，还可以作为驱动器实现电驱动和开关控制的功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种免磁铁双稳态压电换能器，包括：具备由压电材料制成的压电换能单元；夹持所述压电换能单元以向所述压电换能单元提供轴向压缩力的夹具，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述夹具的两夹臂之间的距离；以及用于将所述压电换能单元形变所产生的电能输出并且能将来自外部电源的电能输入至所述压电换能单元的传输单元。

根据本发明，通过夹具夹持压电换能单元以向该压电换能单元提供轴向压缩力，并且由于压电换能单元的轴向尺寸略大于夹具的两夹臂之间的距离，可以使压电换能单元产生弯曲，形成上凸和下凹两个稳定状态，即形成双稳态压电换能器。也就是说、本发明的免磁铁双稳态压电换能器的双稳态结构由受轴向压缩的压电换能单元本身的压缩势能和弯曲势能形成，而不需要磁铁的相互作用来形成双稳态。