[发明专利]一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器

说明书

本发明提供一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，所述低频柔性能量采集器包括：柔性衬底；支撑块，所述支撑块位于所述柔性衬底上；悬臂梁，所述悬臂梁的第一端固定于所述支撑块上，所述悬臂梁的第二端为自由端；压电薄膜，所述压电薄膜位于所述悬臂梁的上表面；以及永磁体，所述永磁体位于所述悬臂梁自由端下方的所述柔性衬底上；其中，所述悬臂梁自由端与所述永磁体之间设有预设间距。通过本发明提供的低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，解决了现有可穿戴能量采集器在低频运动条件下发电效率低并且供电不稳定的问题。

技术领域

本发明属于微机械传感领域，特别是涉及一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器。

背景技术

可穿戴设备在卫生保健、医疗康复、运动训练和单兵装备等各种微系统应用中的需求量很大，而传统的可穿戴设备主要由电池供电，这就导致了可穿戴设备工作时间有限，且电池更换及电池充电及其不方便，无法满足“即插即用”的要求。为了解决这个问题，自供电的可穿戴能量采集器受到越来越多的关注。

最近有研究者开发出一种基于摩擦发电的可穿戴能量采集器，通过身体运动时电介质材料和电极之间摩擦诱导产生自由电子发电。但由于电介质材料表面和电极表面之间的摩擦速度(即机体运动速度)对这种能量采集器的发电效率有显著的影响，从而导致其发电很不稳定；即机体运动速度(或频率)越低，应变速率越小，发电功率也就越低。而当机体运动频率从3.0Hz降至0.5Hz时，这种能量采集器产生的电流峰值则从2.6μA降至0.2μA，电压峰值下降到原来的50％，每个发电周期输出的电能衰减了数十倍。而人体常见的运动频率在1Hz以下，而且运动形式不同频率也会改变。可见，这种能量采集器在人体的低频的运动条件下不但发电效率低而且发电不稳定，这些特性都不利于可穿戴电子系统的持续平稳供电。

鉴于此，有必要设计一种新的低频柔性能量采集器和自供能运动计数器用以解决此问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低频柔性能量采集器和自供能运动计数器，用于解决现有可穿戴能量采集器低频发电效率低而且供电不稳定的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低频柔性能量采集器，所述低频柔性能量采集器包括：

柔性衬底；

支撑块，所述支撑块位于所述柔性衬底上；

悬臂梁，所述悬臂梁的第一端固定于所述支撑块上，所述悬臂梁的第二端为自由端；

压电薄膜，所述压电薄膜位于所述悬臂梁的上表面；以及

永磁体，所述永磁体位于所述悬臂梁自由端下方的所述柔性衬底上；

其中，所述悬臂梁自由端与所述永磁体之间设有预设间距。

优选地，所述低频柔性能量采集器的能量来源于肢体运动，以将肢体运动转换为所述悬臂梁的高频谐振发电。

优选地，在一个肢体运动周期内，所述低频柔性能量采集器进行两次高频谐振发电。

优选地，当肢体伸展以拉长所述柔性衬底时，所述悬臂梁自由端与所述永磁体分开，所述悬臂梁进行高频谐振发电；当肢体回缩以使所述柔性衬底回弹时，所述悬臂梁自由端与所述永磁体吸合，所述悬臂梁以更高的谐振频率进行谐振发电。

优选地，所述低频能量采集器还包括位于所述柔性衬底和所述永磁体之间的支撑块。

优选地，所述压电薄膜包括：下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上电极和所述下电极通过导线与外接负载连接。

本发明还提供了一种低频柔性能量采集器，所述低频柔性能量采集器包括：

柔性衬底；