[发明专利]基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置

说明书

本发明公开了一种基于碰撞的压电‑静电复合式俘能器装置，包括箱体，悬臂板，压电层，质量块，折梁及静电俘能模块，将压电悬臂板固定在箱体上，通过箱体接收环境的振动激励，使悬臂板产生振动变形，从而使粘贴在悬臂板上的压电片产生变形获取能量，在悬臂板的固定端粘贴质量块，起到降低结构固有频率及提高变形的作用，静电俘能模块安装在箱体两侧的突起上，静电模块中的基板安装在折梁的端部，利用悬臂梁上的质量块与折梁的碰撞，将竖直方向的振动转换为水平方向的位移，提高了对周围环境的适应性，采用滑块导轨的方式限制折梁两端的位移，从而将静电俘能模块中的电容极板间距控制在极小的范围内，以实现较大的电容变化，产生较高的电压。

技术领域

本发明涉及一种基于碰撞的压电-静电复合式俘能器装置，通过收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源技术领域。

背景技术

近年来，随着微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)的快速发展，微型传感器等微型电子设备的应用范围不断扩大，已广泛应用于各个领域。由于MEMS结构具有微型化的特性，其电源的设计是此类技术需要解决的关键问题之一。为了降低微型传感器的维护难度和成本，传统的化学电池已经不能满足MEMS结构的需要。因此，利用环境振动能量供电成为更好的电源解决方案。

目前，基于振动的三种能量采集方式包括：电磁式、静电式和压电式。为了提高俘能器的转换效率和输出功率，不必局限于单一转换方法，考虑将其中两种或两种以上的俘能技术用于同一设备中。当前，电磁-压电复合式俘能器由于体积较大，难以应用于MEMS设备中，而静电式俘能技术易于与MEMS技术集成，且结构设计简单，因而有利于结合压电技术，制作出各方面性能更好的俘能器。2006年，Khbeis等人设计出一种压电-静电复合式俘能器，能够收集低频和低能量密度的环境振动，并且把压电过程产生的电能提供给静电模块作为预加载电压，解决了静电俘能器需要外部电源供电的问题。2009年， Khbeis等人对该设备进行优化设计，制作出实验模型。2014年，韩国延世大学Youngkee等人提出一种压电-静电复合式柔性结构，能够收集低频环境的振动机械能。同年，上海交通大学杨斌等人在设计了一种基于PDMS柔性材料的压电-静电复合式俘能器，该设备结构简单，制作容易，并且具有较高的能量转换效率和较大的输出功率。2015 年，Madinei等人提出一种可调谐的压电-静电耦合式俘能器，利用静电模块拓宽系统的频带，有效提高了压电模块的输出功率。由此可见，压电-静电式俘能器解决了压电俘能器采集效率低和静电俘能器需要外部电源供电的问题，是有效的MEMS技术电源解决方案。

发明内容

本发明基于压电和静电系统，提出一种压电-静电复合式俘能器装置。本发明的目的是利用碰撞实现压电系统与静电系统的耦合，将悬臂梁的纵向位移转换成折梁的横向位移，提高俘能器的俘能效率，并且静电部分保持极小的电容板间距，从而提高输出电压。

为了解决俘能器的上述问题，本发明的解决方案如下：

本发明的压电系统包括悬臂梁、压电层和质量块，悬臂梁通过其固定端的H型结构固定在箱体上的凹槽内。所述质量块通过JL-510 环氧AB胶水粘贴在悬臂梁的自由端。所述悬臂梁和质量块的材料均为钢。所述压电层通过JL-510环氧AB胶水粘贴在悬臂梁的固定端附近。所述压电层由保护层、压电薄膜和电极层构成，压电层的长宽高尺寸为10×3.6×0.05mm；电极层分别附着在压电薄膜上下表面，电极线从电极层导出至压电层外侧。所述压电薄膜和电极层被保护层完全包裹，保护层厚度为0.125mm。所述压电层材料为极化后的PVDF，电极层材料为银，电极材料为铜线，保护层材料为聚酯薄膜。

本发明所述的静电系统包括折梁和四个驻极体静电俘能模块，每个驻极体静电俘能模块由正负电极、基板和驻极体构成，每个电极包括一个电极板和六个块状电极，每组静电俘能模块的两个电极板分别与箱体及基板相连。所述驻极体附着在基板一侧的块状电极的端部。通过过盈配合分别将两个基板安装在折梁的两端。滑块安装在基板的两侧，导轨安装在框架上。