[发明专利]一种双向振动的压电能量收集装置

说明书

一种双向振动的压电能量收集装置，涉及能量收集技术，本发明是为了解决传统的能量收集装置结构繁琐、能量采集效率低、输出低的问题。本发明所述的一种双向振动的压电能量收集装置中，两个质量块对称施加在硅衬底自由端两侧；硅衬底上开有水平方向和竖直方向的两个长方形通孔，形成水平悬臂梁与竖直悬臂梁；材料层附着在水平悬臂梁与竖直悬臂梁外表面，每个长方形通孔每个侧面上的压电层按照振动条件下受应力状态的不同分为两部分；每个悬臂梁振动条件下同一时刻受力状态相同的电极层相互串联，形成两个串联电路，两个串联电路并联后接入外部能量收集电路。该装置适用于集成电路、微机电系统及无线传感网络等领域。

技术领域

本发明涉及能量收集技术，属于机械工程领域，更具体地，属于能量收集设备领域。

背景技术

近年来，随着集成电路、微机电系统(MEMS)及无线传感网络的不断发展，为了解决无线传感器件在使用过程中供电不持久、电池替换困难及存在浪费、污染等问题，能量收集技术应运而生，其本质是将电子器件所处周围环境中吸收的微小能量收集并转化为电能供给后续使用的过程。在规模上，目前大型装置如太阳能电池板、风能发电机已获得广泛应用，但就小型化、微型化能量收集方面还缺乏行之有效的产品和设备。

目前环境中的多种能量已被收集利用，基与光伏效应、电磁效应、压电效应、热电效应等原理将太阳能、风能、电磁能、振动能、热电、射频信号等能量转化为电能。其中，振动能以其方便获取、高功率密度、清洁安全等优势获得了研究者的广泛关注。基于振动能量的三种不同模式，压电振动以其结构简单、寿命长、效率高、易与MEMS加工工艺兼容等特点优于静电和电磁振动模式，这在MEMS尺度的器件实现微加工制造和体积缩放等方面尤其可取。

振动能量广泛存在于日常生活中，房屋、桥梁、道路的固有振动；机器、汽车的运行振动；人体中肢体、血液、心脏等的生命活动都可以为微型压电振动能量收集装置提供输入条件。能量收集在无线网络、嵌入式及微型低功耗系统中具有非常广泛的应用。目前，压电振动能量收集装置多采用基础的悬臂梁式，主要由弹性层、压电层组成。为了获得更多的能量输出，可采用增大压电层面积、增加压电陶瓷片数、降低固有频率、增加低频段共振数、拓展振动于固有频率下的带宽等方式。传统的能量收集装置大多只针对单方向振动，并且只在低频段产生一次共振，能量采集效率不高，难以满足一些场合下的使用要求。因此，设计一种结构紧凑、高效、高输出的压电振动能量收集装置尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的能量收集装置结构繁琐、能量采集效率低、输出低的问题，现提供一种双向振动的压电能量收集装置。

本发明所述的一种双向振动的压电能量收集装置包括硅衬底、材料层和质量块；

所述硅衬底的一端为自由端，另一端为固定端，两个质量块对称施加在自由端两侧；硅衬底上开有水平方向和竖直方向的两个长方形通孔，其中，水平方向的长方形通孔的上、下表面构成水平悬臂梁，竖直方向的长方形通孔的前、后表面构成竖直悬臂梁；

所述材料层附着在水平悬臂梁与竖直悬臂梁的外表面，材料层由内向外依次为氧化物层、粘附层、底电极层、种晶层、压电层和顶电极层；

每个长方形通孔每个侧面上的压电层按照振动条件下受应力状态的不同分为两部分；

每个悬臂梁振动条件下同一时刻受力状态相同的电极层相互串联，形成两个串联电路，所述两个串联电路并联后接入外部能量收集电路。

本发明述的一种双向振动的压电能量收集装置主要由硅(Si)衬底、材料层和质量块组成。

硅衬底分为自由端和固定端，自由端与固定端之间开两个长方形通孔。靠近自由端的一组压电片(即材料层中的压电层)共振于一阶模态，靠近固定端的另一组压电片共振于第二阶模态。固定端为实验夹持部分，四角开螺纹孔以方便定位和固定。

材料层由多层不同功能的材料组成。从硅衬底向外依次包括氧化物层、粘附层、底电极层、种晶层、压电层和顶电极层。