[发明专利]感知平面全方向振动的MEMS传感器和能量采集器及方法

权利要求书

1.一种感知平面全方向振动的MEMS传感器，其特征在于，所述传感器包括：中心振子、弹簧、固定框和信号处理器；其中，所述中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；所述弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，所述固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述圆片状的中心振子半径为r，厚度为h，满足所述中心振子的材料采用金属或高掺杂硅的导体。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述弹簧采用派瑞林Parylene的聚合物和特氟龙Teflon的聚合物，以及二氧化硅SiO₂和氮化硅Si₃N₄的无机压电驻极体材料中的一种。

4.一种感知平面全方向振动的MEMS能量采集器，其特征在于，所述能量采集器包括：中心振子、弹簧、固定框和电容；其中，所述中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；所述弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，所述固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至电容的两端；其中，N为正偶数，且≥4。

5.如权利要求4所述的能量采集器，其特征在于，所述圆片状的中心振子的半径为r，厚度为h，满足所述中心振子的材料采用金属或高掺杂硅的导体。

6.如权利要求4所述的能量采集器，其特征在于，所述弹簧采用派瑞林Parylene的聚合物和特氟龙Teflon的聚合物，以及二氧化硅SiO₂和氮化硅Si₃N₄的无机压电驻极体材料中的一种。

7.一种感知平面全方向振动的MEMS传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

1)平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变；

2)中心振子引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化；

3)在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场；

4)圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上，变化的电场在固定框上多对电极上存在不同的分量，即输出电压在多对电极上存在分量，信号处理器通过对比多对电极间的分量，从而实现在平面内360°全方向振动传感；其中，中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。

8.一种感知平面全方向振动的MEMS能量采集方法，其特征在于，所述能量采集方法包括以下步骤：

1)平面内任意方向的外力激励中心振子，中心振子位移改变；

2)中心振子引起圆周边缘的弹簧的弹性变形，弹簧在平面内受到振动而挤压或拉伸时，相邻圆环之间的间距变化，引起偶极矩变化；

3)在沿外力方向产生变化的电场，从而在通过与弹簧相连的沿着受力方向的电极间产生变化的电场；

4)圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至一个电容的两端，将电场能量储存，从而实现在平面内360°全方向振动能量采集，实现发电；

其中，中心振子为圆片状；在中心振子的圆周边缘连接弹簧，弹簧包括多个同心的圆环，相邻的两个圆环之间设置多块支撑块连接，呈中心对称分布，各个相邻的圆环之间的支撑块交错分布；弹簧采用压电驻极体，在弹簧的圆环形的侧壁上吸附极化电荷，同一圆环的内侧壁和外侧壁上所带的电荷的电性相反，从而在相邻的圆环之间所带电荷相反而形成偶极矩；在弹簧的外圈边缘连接固定框，固定框包括呈中心对称分布的N块电极，各块电极之间电绝缘，相邻的两个电极之间通过柔性的绝缘梁相连；圆心相对的一对电极通过一对电极连接线连接至信号处理器的一个通道上；其中，N为正偶数，且≥4。