[发明专利]使用非线性屈曲梁的压电能量收集及其方法

说明书

本发明公开了一种能量收集器，所述能量收集器包括框架，所述框架具有底座、附连到所述底座的第一侧构件，和附连到所述底座并与所述第一侧构件间隔开的第二侧构件。梁联接在所述框架的所述第一侧构件和所述框架的所述第二侧构件之间。所述梁具有基底层，所述基底层具有附连到所述框架的所述第一侧构件的第一端部、附连到所述框架的所述第二侧构件的第二端部、第一面、和与所述第一面相对的第二面。所述基底可响应于振动力而弹性变形。所述梁还包括第一压电层，所述第一压电层接合到所述基底层的所述第一面并具有用于电连接到负载的端子，所述第一压电层包括至少一个压电贴片。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月19日提交的美国临时专利申请62/377,221的优先权，该专利的公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及能量收集器，更具体地，涉及压电能量收集器。

背景技术

现代心脏起搏器需要电池，因此在需要心率支持的患者的整个生命周期内，必须再次接受手术来更换电池。与传统的起搏器相比，在无引线起搏器中使用电池更具挑战性。无引线起搏器的微型尺寸需要很小的电池，直到最近，还没有电池技术能够可靠地为无引线起搏器供电。而且，目前的无引线起搏器电池会在不到12年的时间内耗尽。这需要将另一个无引线起搏器安置在心脏中。

相比之下，能量收集器不断产生电力，永远不会耗尽电力。然而，高固有频率是微机电系统(“MEMS”)能量收集器中的常见问题。已经使用不同的方法来降低能量收集器的固有频率，以便增加设备的输出功率。

发明内容

本公开提供了一种压电能量收集器(EH)，其将运动(诸如，例如生物运动，包括心肌运动、Jung运动、隔膜运动、血管中的血流等)转换成电。在一个实施方案中，能量收集器被优化用于收集心肌或心脏运动。所产生的电力可用于为身体内的生物医学传感器和设备供电。在一个实施方案中，该电力可用于为无引线起搏器供电。建模表明，我们的EH可以产生足够的电力，以使用心跳振动为无引线起搏器供电。建模还表明，该设备对心率的变化具有稳健性，并且可以在很大范围内为起搏器提供足够的电力以供电。建模结果表明，本公开的示例性心脏运动能量收集器比无引线起搏器中的相同尺寸的电池产生更多的电力。

本发明的能量收集器的一些实施方案包括限定在刚性框架中的非线性、热屈曲的双压电晶片压电梁。在一些实施方案中，该系统在高温下组装并在体温下工作。梁和框架的热膨胀系数的差异导致梁在工作温度(例如，体温)下屈曲。这种有意的屈曲使得梁不稳定且非线性，这改善了设备的功率产生和稳健性。具有与无引线起搏器相容的尺寸(例如0.5cm³)的典型能量收集器预期具有高固有频率。在本发明的设计的实施方案中，通过使用屈曲梁可以明显降低固有频率。将质量块大致放置在该梁的中间处以进一步降低固有频率。分析地得出了EH的固有频率和振型并在本文中示出。对应于几何非线性的项包括在机电耦合控制方程中。

附图说明

为了更全面地理解本公开的性质和目的，应参考结合附图进行的以下具体实施方式，其中：

图1是在两端夹在刚性框架中的热屈曲梁的示意图；

图2是示出梁的轴向缩短(Δ)的图，其中(1)示出未屈曲的梁，(2)示出屈曲梁；

图3是示出梁的缩短对其固有频率的影响的图表；

图4是示出压电层厚度对平均功率输出的影响的图表。(Δ＝0.15μm,t_s＝0.01cm)；

图5是示出温差对功率输出的影响的图表；

图6是示出由心跳加速度引起的耗能梁中部的挠曲的图表；

图7是示出EH的来自心跳振动的瞬时功率的图表；