[发明专利]一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器

说明书

本发明公开一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，包括平面线圈、振动磁极、平板、上磁轭、下磁轭，所述平板上分别开设有贯通的通孔和磁轭过孔，所述振动磁极设置在所述通孔处，所述平面线圈固定在所述磁轭过孔处，所述上磁轭固定在所述平板的上表面，所述下磁轭固定在所述平板的下表面；所述振动磁极可上下方向运动；通过所述振动磁极上下运动实现所述平面线圈的磁通大小变化、磁通方向翻转，从而增大磁通变化率，同时实现在所述上磁轭和所述下磁轭的磁力作用下的双稳态切换，从而易于将极性反转和双稳态切换效用叠加，在增加工作带宽的同时，显著提高输出功率密度，且器件易于集成制造。

技术领域

本发明涉及微尺度环境振动能量的高效收集和利用技术领域，具体地，涉及一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器。

背景技术

振动能量采集器将环境中振动能通过不同机制(电磁式，静电式，压电式与摩擦发电式)转换为电能以驱动电子器件工作。其中电磁式振动能量采集器以其输出阻抗低，输出功率大等特点受到了较多的关注，在无线传感器网络节点、可穿戴设备、医学植入器件的供电中有着广泛的应用前景。

目前微型化振动能量采集器的工作带宽和输出功率太低，已成为限制其应用的瓶颈问题之一。现有研究分别从利用双稳态振动提高振动能量传递效率和利用磁路优化提高能量转换效率的角度开展了大量的探索，但相关的分析和优化常常局限于能量传递或能量转换中的某个环节，难以从能量转换全过程的角度，兼顾传递和转换效率的全面提高；所采用的拾振结构，如悬臂梁等，难以实现结构动力学特性的灵活调整，若采用高深宽比结构实现集成制造较为困难。因此如何在性能优化的基础上，实现器件的集成制造，已成为亟待解决的关键问题。

经过对现有技术文献的检索发现，X.Xing等人在《Applied Physics Letter》(应用物理学报)，撰文“Wideband vibration energy harvester with high permeabilitymagnetic material”(基于高导磁率材料的宽频振动能量采集器)，提出了一种基于高导磁率材料的宽频振动能量采集器。作者通过利用高导磁率软磁材料作悬臂梁，一方面在极性反转永磁对和悬臂梁之间引入双稳态磁力非线性，实现工作频带的拓宽，另一方面在利用软磁悬臂梁在极性反转永磁对之间来回切换时磁通大小和方向的双重变化，显著增大包裹着软磁悬臂梁的线圈内部的磁通量变化率，从而提高功率输出。该设计方案虽然利用永磁体同时实现了产生反转磁通和双稳态切换两种功能，并利用软磁悬臂梁实现了磁通汇聚，但是仍然存在以下不足：首先，该方案并未从能量转换全过程的角度，针对兼顾拓展带宽和提高能量转换效率的双重要求来开展器件结构和磁路设计，难以充分协调双稳态与极性反转的共同作用，起到一加一大于二的效果，同时由于悬臂梁调整结构刚度仅能够通过调整长度、宽度、厚度实现，也难以根据双稳态切换的要求实现灵活调整。其次，该方案中，由于悬臂梁既是拾振结构，又是导磁结构，其结构参数既要顾及双稳态切换对刚度的要求无法随意调整，又要为了降低磁阻而尽可能增大横截面积，因此难以兼顾结构刚度和汇聚磁通两方面的综合要求，造成器件设计上的矛盾。最后，从整体结构上看，虽然高导磁率材料制成的悬臂梁具有磁通汇聚的效果，但整体磁路依然是开环磁路，仍有较多的磁场没有得到有效的利用。而且整体结构基于传统机械加工工艺思路来设计，线圈通过手工绕制而成，难以借助微加工工艺实现，极大的限制了利用半导体工艺缩小器件体积的可行性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种集成制造的磁性反转双稳态振动能量采集器，其结构设计能够充分利用极性反转和双稳态切换的叠加效果，兼顾拓宽工作带宽和输出功率的双重要求，同时实现了闭合磁路与拾振结构的集成制造，可以针对不同应用环境工况的激振频谱特性，在微尺度下实现了势阱深度可调的双稳态结构，满足振动能量的高效转换与利用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：