[发明专利]一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器

说明书

本发明公开一种压电‑摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括压电振动能量收集器主结构和摩擦电能量收集单元；压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座、多个梯形压电悬臂梁构成的共质量块压电悬臂梁阵列及质量块；摩擦电能量收集单元包括上、下电极和表面微结构处理的柔性介电摩擦层。本发明梯形压电悬臂梁可均匀压电层上的应力分布以提高压电结构的输出功率；串联的共质量块压电悬臂梁阵列可提高压电结构的输出电压；相邻压电梁之间的间隙可以减小压电结构的空气阻尼，增加振动幅度；上、下带柔性介电摩擦层摩擦电能量收集单元实现碰撞限幅，拓展压电振动能量收集器的工作频带，同时实现摩擦电机理转换，提高器件的输出功率。

技术领域

本发明涉及MEMS微能源技术领域，特别涉及一种宽频带工作和高功率输出的压电-摩擦电复合式微型能量收集器。

背景技术

长寿命、高能量密度、高性能微型环境能量收集技术是一项典型的军民两用技术，在智能制造、信息化武器装备、无人值守监测网络、环境监测、人体健康监测网络、智能建筑、物联网等领域具有迫切的应用需求。当前，以上众多领域采用的无线微电子器件与系统均采用电池供电，传统电池存在寿命短、体积大、环境污染、更换不方便、有时甚至无法更换和特殊环境不能正常工作等不足，严重制约了以上诸多领域的发展。基于MEMS/NEMS技术的具有长寿命、小体积、高功率密度、高可靠性、低成本、免维护的微能源技术是解决这些问题的重要使能技术。

振动能广泛存在于我们周围的环境中，现有的振动能量收集器主要有压电式、电磁式和静电式。压电振动能量收集器具有无外加电源、结构简单、MEMS工艺兼容性好、输出功率密度较高等优点，成为国内外微能源技术的重要研究方向。由于压电振动能量收集器在固有频率与环境的振动频率相匹配的谐振状态下的输出功率达最大；又振动环境一般比较复杂，其振动频率多为具有较宽频带的复合式频率，为此，开展具有较宽频带范围的可有效提高压电振动能量收集器的能量获取效率。同时目前国内外研制的振动能量收集器主要集中在单一转换机制，限制了器件的能量转换效率，设计基于两种或者两种以上俘能机理的复合式结构是提高振动能量收集器能量转换效率的一种有效方法。如何改善和提高器件的能量获取效率和能量转换效率，提高输出性能和工作频带是微型压电振动能量采集器得以在无线传感网络节点实用化的关键问题，也是目前研究和关注的热点与难点。

发明内容

本发明目的在于为解决现有技术的问题，提供一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，有效改善和提高器件的能量获取效率和能量转换效率，提高器件输出性能和工作频带，以解决传统压电能量收集器工作频带窄，输出电压与输出功率不能同时满足无线传感网络节点的应用需求等问题。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种压电-摩擦电复合式宽频带微型能量收集器，包括封装外壳以及设置在外壳内部的压电振动能量收集器主结构和上、下两个垂直接触分离式摩擦电能量收集单元；所述压电振动能量收集器主结构包括硅固定基座、质量块和共质量块压电悬臂梁阵列；所述共质量块压电悬臂梁阵列由多个等间距的相同尺寸的梯形压电悬臂梁组成，梯形压电悬臂梁横卧水平布置，梯形下底与一侧的硅固定基座连接，梯形上底共同连接另一侧的质量块；所述质量块包括硅质量块及其上、下表面的电极层；所述摩擦电能量收集单元包括上、下电极和表面微结构处理的柔性介电摩擦层，上、下电极固定在质量块的上方和下方，隔开一定距离，上、下电极的表面具有表面微结构处理的柔性介电摩擦层，工作中与质量块形成垂直接触分离关系。

作为优选，所述的梯形压电悬臂梁由下至上依次包括硅支撑梁、压电膜下电极层、压电膜和压电膜上电极层。