[发明专利]一种基于压电陶瓷的分形结构振动换能器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及宽频带振动换能器，特别是一种基于激光切割技术将分形结构应用于压电陶瓷的振动换能器及其制作方法，属于振动换能器的技术领域。

背景技术

近年来，随着无线通讯和MEMS技术的飞速发展，微型电子设备，微型传感器和微型能量收集器被广泛应用在各个领域。目前，MEMS传感技术正在朝着微功率，无源化，网络化和只能数字化的方向发展。随着微电子设备应用环境的日益复杂化以及其应用领域的多样化，研究人员对于系统的可持续化以及电源功能问题的要求越来越严格。因此，微型电子设备的能量收集材料以及能量收集系统已经逐渐成为一个重要的研究方向，越来越受到人们的关注。

环境能量采集是指收集环境中的光能、热能、风能、机械振动能，并且将其转化为电能的一种技术。太阳能风能等这些能量形式都受到环境的限制，而机械振动能是在环境中普遍存在的，因此研究如何将机械振动能高效的转化为电能有着广泛的应用前景。

目前，采集环境中机械振动能，一般都存在带宽窄，响应频率高且输出功率小的问题。因此本发明主要研究宽频带，低响应频率且输出功率较大的压电振动换能器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有压电振动换能器收集环境机械振动能响应频带窄、频率高、且单位时间发电量小的问题，提供一种压电陶瓷的分形结构压电换能器及其制作方法。使压电振动换能器能够在环境中实现宽频带高效率的采集能量。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为一种基于压电陶瓷的分形结构振动换能器，该换能器的主结构分为两层，采用压电陶瓷作为压电材料，金属铜作为衬底材料，两层结构互相连接，且形状自相似。

进一步，该换能器的振动换能器选取其质心作为支点，保证每一层结构都是有且只有一端为固定端的自相似结构，在金属衬底的上下表面均设有压电陶瓷片，压电陶瓷片与金属衬底粘和，金属衬底上下表面的压电陶瓷片采用串联的方式复合，以增加振动换能器的输出电流，从而增大输出功率，提高振动换能器的可用性。

进一步，压电陶瓷片通过环氧树脂与金属衬底粘和。

进一步，第二层结构以支点为固定端，上下左右分布有四个自相似的一层结构，固定端到一层结构的质心为梁，一层结构其余部分为质量块，振动换能器的一层结构有一端与主体相连接，连接的部分作为固定端，从固定端到一层结构自身质心的部分作为一层结构的梁，一层结构的其余部分为质量块，一层结构与二层结构有不同的主谐振频率，每一层结构除质心到固定端的其余部分都充当质量块。

采用上下两层压电陶瓷片串联的方式将压电片复合，串联方式是在上下压电陶瓷片上各引出一根导电线，含银混合物涂覆在上层压电陶瓷片的上表面和下层压电陶瓷片的下表面充当电极，为了保证串联，两块压电陶瓷片的极化方向需要保证相反。

采用一个圆柱形的陶瓷底座作为固定端，固定端选取在换能器的质心位置，使用环氧树脂胶粘和。

本发明还进一步提出一种制造上述基于压电陶瓷的分形结构振动换能器的方法，包括以下步骤：

S1：采用压电陶瓷作为压电材料，通过激光切割，将压电陶瓷片切割为分形结构；S2：采用金属铜作为衬底材料，采用激光切割，将金属片切割为分形结构；

S3：采用CCD自动定位，保证不同次切割的压电陶瓷片和金属片结构相同；

S4：用环氧树脂将压电陶瓷片和金属衬底粘合；

S5：在整体结构的质心设置支点。

与现有技术相比，本发明具有产生如下技术效果：

(1)本发明提供的压电陶瓷的分形结构振动换能器及其制作方法，采用自相似的两层分形结构，通过分形结构层与层之间主谐振频率的不同，可以响应环境中不同的振动频率，从而获得较宽的频带。每一层层内结构的自相似性又能够保证换能器采集密度，能够采集更多的能量。每一个换能单元固定端到质心为梁，其余部分等效为质量块，能够保证共振频率的降低。适合在环境中作为无线传感器和其他微型器件的电源。

(2)本发明提出的压电陶瓷的分形结构振动换能器，技术原理新颖，将分形结构用于压电陶瓷，改善了当前基于压电陶瓷的振动换能器结构单一，频带窄的缺点。

(3)本发明选取整体结构的质心为支点，能够保证振子每层结构的自相似性。

(4)本发明选取整体结构的质心为支点，是振动在结构上产生的应力均匀的分布到每一层结构。

附图说明

图1是本发明压电振子所采用的分形结构示意图。

图2是本发明压电陶瓷片和金属衬底粘和的结构示意图。