[发明专利]悬臂式压电静电复合微型俘能器

说明书

悬臂式压电静电复合微型俘能器，属于微机电系统和新能源领域，包括悬臂基板，压电片，质量块，以及正反电极板，电极片和驻极体。其中，悬臂基板，压电片，质量块组成压电俘能模块，利用压电片的压电效应，将周围环境振动能量俘获并将之转化成电能输出；正反电极板，电极片，驻极体组成静电俘能模块，利用平行板电容器原理，随着压电模块的振动，正电极板便携带电极片、驻极体上下运动，与固定反电极板上的电极片发生正对面积的变化，导致电容变化，进行充放电过程，将电能输出。本俘能器不仅采用多个等效电容并联提高电能输出，而且在振动过程中电容变化既包括极板正对面积的改变，同时也有极板间距离的变化，从而增加电能输出。

技术领域

本发明属于能量收集技术领域，涉及微机电系统和新能源技术领域，具体涉及一种采集环境中振动能量的压电静电复合俘能器及其俘能方法。

背景技术

随着无线传感网络的飞速发展以及未加工技术的不断进步，电子器件的体积和功耗逐渐降低，嵌入式系统、无线传感网络等领域加速向智能化和微型化方向发展，其中涉及的微器件和微系统在工作时往往需要体积小、功率高、寿命长和可靠性能的电源，即微能源。目前普遍采用化学电池或者燃料电池为系统供电，但是传统电池存在一系列的弊端导致无法满足人们日益增长的需求，例如寿命短，体积大，不能长时间连续工作，拆卸更换不便，废弃电池污染环境等。因此，寻找新能源技术成为解决该问题的一个有效途径。

自然界中存在着各式各样的能源，太阳能、振动能、热能、风能、核能等，可以通过能量转换技术将这些能源转化为电能。比如，利用光电材料的光电效应将太阳能转化为电能；利用热点材料的热电效应将热梯度转化为电能；利用压电材料的压电效应将环境中的振动能量转化为电能。其中，由于振动的普遍存在，利用环境振动能量发电应用更为广泛。

振动式能量收集器包括电磁式、压电式、静电式三种类型。电磁式及结构一般体积较大,为能量采集器的微型化设计带来困难；静电式结构是通过振动时改变电容极板间距或面积来实现能量转换，它可以很好地与MEMS集成，可靠性高；压电式发电结构较为简单，加工制造方便。将压电式与静电式能量收集技术结合起来，能够增加能量转换效率。

中国专利申请(公开号CN103904932B)公开了了一种静电式振动能量收集器及其制作方法，圆柱运动区域分为极化区和非极化区，区域相间分布，系统振动时圆柱不断变换位置，在极化区完成极化过程，非极化区释放计划电荷，输出电能。但是圆柱运动是混沌的，这就必然导致了无法输出较为稳定的电压与电功率，无法直接对微型器件供能。中国专利申请(公开号CN106972782A)公开了一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器，静电能量采集单元一与静电能量采集单元二分别对称固定在基体的两侧，可使输出能量叠加放大；压电能量采集单元采用双稳态梁、集电装置、双稳态梁串联结构，拓宽了采集能量的频域且输出更高更稳定的电能。但是静电能量采集单元采用完整大电容的方法，当两电极板相对位移一定时，明显不如多个等效小电容并联时总电容的改变量大，故输出电能较小。因此，采用多个小电容线性排列可明显提高输出电能。

发明内容

本发明的目的在于提供悬臂式压电静电复合微型俘能器，可以将环境中的振动能量转换为电能，为微电子器件提供能源。其中，静电俘能模块采用多个等效电容线性排列并联的方法代替一个大电容，可明显的提高输出性能。本发明所采取的技术方案是：发明悬臂式压电静电复合微型俘能器，包括悬臂基板(1)，压电片(2)，质量块(3)，正电极(4)，驻极体(5)和反电极(6)。悬臂基板(1)为矩形截面悬臂板，一端与外界固定即为固定端，另外一端则为自由端。悬臂基板的上表面粘贴有一压电片，压电片的长度方向与悬臂基板的长度方向一致，从悬臂基板的固定端向自由端延伸，压电片的铺设面积等于悬臂基板上表面总面积的1/3，压电片与悬臂基板等宽且边缘平齐；质量块(3)为长方体，宽度方向与悬臂基板等宽且边缘对齐，质量块位于悬臂基板末端，且关于基板对称；正电极(4)，驻极体(5)和反电极(6)构成静电俘能模块，位于质量块外侧，从左往右依次为正电极、驻极体、反电极。

压电片下表面绝缘，与悬臂基板之间固定连接。