雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置的製作方法

2024-02-04 06:17:15

專利名稱：雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，可有效收集周圍環境的振動機械能進行發電，屬於節能技術及再生環保新能源領域。
背景技術：
隨著MEMS和可攜式電子設備的應用日益廣泛，使用化學電池供電的傳統方式暴露出諸多弊端，如壽命短、需要定期更換、汙染環境等；尤其對於工作條件苛刻或在人類難以接近的地方使用的電子設備而言，更換電池成本頗高且難以實現；因此，如何為這些電子設備供電已成為亟待解決的問題。利用壓電材料的正壓電效應可將周圍環境中的振動能轉化成電能，以實現電子設備的自供能。懸臂式壓電振子因其振動頻率低、能量轉化率高且易於集成化而備受關注。中國 專利(公開號CN101262189A)公開了一種雙晶懸臂式壓電發電裝置以收集彎曲振動能量轉化為電能，中國專利(公開號CN102420542A)公開了一種單晶片懸臂式壓電振動發電機，將壓電層和彈性梁的有效長度比值調整為O. 66，提高了發電機的開路輸出功率。上述懸臂式發電裝置，當其振動最大時，壓電片變形最大，此時產生的電量最多。這便要求外激勵和懸臂梁的固有頻率儘量保持一致。然而環境中的振動源振動頻率往往是不穩定的，因此這種裝置很難實現與環境振動頻率的良好匹配，能量轉化效率低、發電量小。為了提高發電效率，中國專利(公開號CN102412757A)提出一種基頻共振頻率可調的懸臂型壓電發電機，通過調節懸臂梁端部質量塊的位置改變懸臂梁的有效剛度，以調節壓電發電機的基頻共振頻率使之與激勵頻率匹配，但這種方式在實際應用中較難實現。中國專利(公開號CN101272109A)和(公開號CN102148587A)分別公布了一種多懸臂梁式和多懸臂板式的壓電發電裝置，拓寬了壓電發電裝置的共振頻帶，但此類陣列式發電裝置各壓電振子無法同時工作，要達到足夠的帶寬則需要多個懸臂梁，導致結構體積較大，難以實現微型化。美國專利(公開號W02010151738A3 )和中國專利(公開號CN102064745A)公開了一類雙穩態壓電懸臂梁發電裝置，有效拓寬了懸臂梁的共振頻帶，但其帶寬範圍仍是有限的，一旦環境頻率偏離壓電懸臂振子的共振頻帶範圍，發電裝置的響應敏感度則會下降，無法充分吸收環境中的振動能。

發明內容
針對目前壓電懸臂梁發電裝置環境適應性差、發電效率低、單位時間內發電量小的問題，為了使壓電發電裝置能更適應環境中隨機、寬帶、低頻的小幅振動源，本發明提供一種雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，通過改進結構設計，使之具有更寬的工作頻率帶，同時提高單位時間的發電量，優化提升發電裝置的綜合性能。為了解決上述技術問題，本發明雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置予以實現的技術方案是包括殼體，所述殼體內的中央位置固定有一圓柱體夾具，所述圓柱體夾具上均布有八個雙穩態壓電懸臂振子結構，所述八個雙穩態壓電懸臂振子結構呈環形陣列；所述雙穩態壓電懸臂振子結構包括固定在夾具上的一雙晶片壓電懸臂梁，所述雙晶片壓電懸臂梁的自由端設有第一永久磁鐵，在同側的殼體內壁上、且與所述第一永久磁鐵同一水平位置處固定有第二永久磁鐵，所述第一永久磁鐵和第二永久磁鐵的質量相同，且按照磁極相對放置；所述雙晶片壓電懸臂梁包括彈性梁以及分別粘貼在彈性梁上下表面的第一壓電層和第二壓電層，所述第一壓電層、第二壓電層和彈性梁的寬度相等，第一壓電層和第二壓電層的長度相等、且與彈性梁的長度之比為O. 6，第一壓電層和第一壓電層的同一端均與彈性梁的根部對齊；第一壓電層和第二壓電層的上下兩面均分別設有電極；裝夾在圓柱體夾具上的八個雙穩態壓電懸臂振子結構，呈兩兩相對於圓柱體夾具的中心線對稱地布置；相互對稱布置的兩個雙穩態壓電懸臂振子 的結構參數一致，相鄰布置的雙穩態壓電懸臂振子的結構參數不同。進一步講，本發明雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，其中，每個雙晶片壓電懸臂梁上的第一壓電層和第二壓電層之間採用串聯或並聯連接。將環形陣列的八個雙穩態壓電懸臂振子結構按照沿環形相鄰四個為一組的方式分為兩組，每組包括的四個壓電懸臂振子串聯連接，兩組之間則並聯連接。所述雙穩態壓電懸臂振子的結構參數包括雙晶片壓電懸臂梁的尺寸和第一永久磁鐵和第二永久磁鐵的質量。所述彈性梁的材料選用鋁、銅和單晶矽中的一種。所述第一壓電層和第二壓電層中壓電材料選用PZT和PVDF中的一種。所述電極由鉬金鍍層或銀鍍層構成，所述電極設有引出導線。與現有技術相比，本發明的有益效果是(I)利用雙穩態壓電發電系統固有的非線性特性，在環境振動激勵和磁力的共同作用下使壓電懸臂梁振子發生隨機共振，與傳統壓電懸臂梁振子相比，雙穩態系統具有較寬的諧振頻帶和較大響應幅值，正符合環境中隨機、寬頻弱激勵的特點，從而提高發電效率。(2)本發明由八個結構參數不盡相同的雙穩態壓電懸臂梁振子組成，導致其對應的諧振頻帶也不盡相同，從而使整個發電裝置具有更寬的工作頻率；同時，對稱安置的壓電振子具有相同結構參數的設計使得當外界環境的振動頻率落在本發電裝置的諧振頻帶內時，至少會有兩個發電振子同時工作，從而有效提高單位時間內裝置的發電量。


圖I是本發明中雙穩態壓電懸臂振子結構的側視圖；圖2是本發明雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置的立體結構示意圖；圖3是圖2所示雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置的俯視圖；圖4是同一個雙穩態壓電懸臂振子結構中第一、第二永久磁鐵間排斥力作用示意圖；圖5是本發明雙穩態壓電懸臂梁振子的非線性勢能函數圖。圖中I-雙晶片壓電懸臂梁 2-第一壓電層3-第二壓電層
4-電極5-導線6-第一永久磁塊7-第二永久磁塊8-殼體9-圓柱體夾具
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。如圖2和圖3所示，本發明雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，包括殼體8，所述殼體8內的中央位置固定有一圓柱體夾具9，所述圓柱體夾具9上均布有八個雙穩態壓電懸臂振子，所述八個雙穩態壓電懸臂振子呈環形陣列；所述雙穩態壓電懸臂振子包括固定在夾具上的一雙晶片壓電懸臂梁1，所述雙晶片壓電懸臂梁I的自由端設有第一永久磁鐵6，在同側的殼體內壁上、且與所述第一永久磁鐵6同一水平位置處固定有第二永久磁鐵7 ;所述雙晶片壓電懸臂梁I包括彈性梁以及分別粘貼在彈性梁上下表面的第一壓電層2和第二壓電層3，所述彈性梁的材料選用鋁、銅和單晶矽中的一種，所述第一壓電層2和第二壓電層3中壓電材料選用PZT和PVDF中的一種；所述第一壓電層2、第二壓電層3和彈性梁的寬度相 等，第一壓電層和第二壓電層的長度相等、且與彈性梁的長度之比為O. 6，第一壓電層2和第一壓電層3的同一端均與彈性梁的根部對齊；第一壓電層2和第二壓電層3的上下兩面均分別設有電極4 ;所述第一永久磁鐵6和第二永久磁鐵7的質量相同，且按照磁極相對放置；裝夾在圓柱體夾具9上的八個雙穩態壓電懸臂振子結構，呈兩兩相對於圓柱體夾具9的中心線對稱地布置；相互對稱布置的兩個雙穩態壓電懸臂振子結構的參數一致，即雙晶片壓電懸臂梁尺寸及兩個磁塊的質量完全相同；但相鄰布置的雙穩態壓電懸臂振子結構的參數不同，所述雙穩態壓電懸臂振子的結構參數包括雙晶片壓電懸臂梁I的尺寸和第一永久磁鐵6和第二永久磁鐵7的質量。當環境振動時，外界的機械振動通過夾緊裝置帶動各個雙晶片壓電懸臂梁發生橫向振動，此時位於雙晶片壓電懸臂梁上下表面的第一、第二壓電層發生形變產生電荷。本發明中所述第一、第二永久磁塊6和7為矩形，且按同磁極相對放置，所產生的排斥力，使得壓電懸臂振子在適當條件下(壓電振子為負剛度系統時)發生隨機共振，此時振子在兩個穩態之間自由躍遷，從而拓寬了壓電振子的諧振頻帶。對稱固定的壓電懸臂梁振子因結構參數一致而具有相同的諧振頻帶，但與其他各個壓電懸臂振子的諧振頻帶卻不重合，從而有效拓寬整個發電裝置的工作頻帶。此外，當環境振動頻率落在整個發電裝置的工作頻帶內時將至少有兩個雙穩態壓電振子同時工作，從而提高了發電裝置單位時間內的發電量。每個雙晶片壓電懸臂梁I上的第一壓電層2和第二壓電層3之間採用串聯或並聯連接。將環形陣列的八個雙穩態壓電懸臂振子結構按照沿環形相鄰四個為一組的方式分為兩組，每組包括的四個壓電懸臂振子串聯連接，兩組之間則並聯連接。即8個雙穩態壓電懸臂振子結構之間採用串-並混聯的方式連接。每層壓電層的上下表層均鍍有由鉬金鍍層或銀鍍層構成的電極4，並焊有引線作為導線5，以方便與後續的收集存儲裝置連接。本發明的複合懸臂梁結構可用微加工技術實現與微電子器件的集成；也可應用傳統工藝製成大尺寸結構，用於車載或其他移動式電子設備。實施例圖I示出了本發明中雙穩態壓電懸臂振子結構，包括雙晶片壓電懸臂梁1，所述雙晶片壓電懸臂梁I的上、下兩表面分別粘貼有第一壓電層2和第二壓電層3 ;所述第一壓電層2和第二壓電層3與雙晶片壓電懸臂梁I上的彈性梁的寬度相同，所述第一壓電層2和所述第二壓電層3的長度均為彈性梁長度的60%。第一壓電層2和第二壓電層3的極化方向沿懸臂梁的厚度方向，如圖I中的P所示箭頭方向，壓電層均採用壓電陶瓷片，在每個壓電陶瓷片的上、下表面均鍍有電極4，通過導線5可與整流存儲電路連接；雙晶片壓電懸臂梁I的自由端粘貼有第一永久磁鐵6,在殼體8的內壁上,對正著第一永久磁鐵6的位置處固定有第二永久磁鐵7，兩塊磁鐵同磁極一側相對放置以提供排斥力。圖2和圖3分別是整個雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置的安裝圖和俯視圖，圓柱體夾具9固定在一輪廓為八稜柱的絕緣殼體8的中部，八個雙晶片壓電懸臂梁I的一端分別插入到圓柱體夾具9內，且八個雙晶片壓電懸臂梁I呈環形陣列布置；當外界環境振動時，圓柱體夾具9會隨之而產生振動，從而帶動八個雙晶片壓電懸臂梁I發生橫向受迫振動，粘貼在懸臂梁上下表面的壓電陶瓷片隨之發生形變，從而將環境中的振動機械能轉化為電能。
本發明中，對稱固定的壓電懸臂梁振子因結構參數一致而具有相同的諧振頻帶，但與其他各個壓電懸臂振子的諧振頻帶卻不重合，可以有效拓寬整個發電裝置的工作頻帶，從而使整個裝置具有較寬的諧振頻帶。圖4是第一、第二永久磁鐵間排斥力作用示意圖，兩磁鐵相鄰的端面間距為d，矩形磁鐵的長為10，改變間距d的大小會引起兩磁鐵之間排斥力大小的改變；當間距d調整到合適的範圍內時，非線性勢函數會出現兩個穩態勢阱，從而使壓電懸臂梁振子構成一個雙穩態系統；d的範圍與雙穩態壓電懸臂梁振子的結構參數有關，對於所發明裝置而言，由於各個梁的結構參數不盡相同，因此各個壓電振子兩磁鐵間距d的範圍也不同。圖5是利用matlab (在數值計算、數值仿真、工程繪圖等方面應用廣泛，是美國Mathfforks公司出品的商業數學軟體，本發明所使用的版本是2010a)數值仿真得到的雙穩態壓電懸臂梁振子的非線性勢能函數圖，圖5中的a是壓電懸臂梁振子模型的剛度係數，且α = 3μ°Μ V -k
2πδ4Σ其中，μ ^=4 X 10-7H/m為真空磁導率，M為磁鐵的磁化強度，V為磁鐵的體積，δ為兩磁鐵中心之間的水平距離，L為梁端部磁鐵中心到梁根部的水平距離，k是不加磁鐵時懸臂梁的剛度。當a為正值時，懸臂梁振子才可能構成雙穩態系統；從而可以確定不同結構參數的各個壓電振子可構成雙穩態系統的條件，即磁鐵端面間距d的適宜範圍。本發明雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，其中，雙晶片壓電懸臂梁I的材料、尺寸，第一永久磁鐵和第二永久磁鐵的大小及磁鐵的間距可根據具體情況進行調整。雙晶片壓電懸臂梁上的彈性梁可採用鋁、銅、單晶矽或其他複合材料；壓電層中壓電材料選用PZT、PVDF或其他壓電複合材料；第一永久磁鐵和第二永久磁鐵可選用矩形釹永久磁鐵等。綜上所述，本發明雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置的工作頻域寬，發電效率和單位時間的發電量較單一壓電懸臂梁結構及列陣式線性壓電懸臂梁結構明顯提高。儘管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。·
權利要求
1.一種雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，包括殼體(8)，其特徵在於，所述殼體(8)內的中央位置固定有一圓柱體夾具(9)，所述圓柱體夾具(9)上均布有八個雙穩態壓電懸臂振子結構，所述八個雙穩態壓電懸臂振子結構呈環形陣列；所述雙穩態壓電懸臂振子結構包括固定在圓柱體夾具上的一雙晶片壓電懸臂梁(1)，所述雙晶片壓電懸臂梁(I)的自由端設有第一永久磁鐵(6)，在同側的殼體內壁上、且與所述第一永久磁鐵(6)同一水平位置處固定有第二永久磁鐵(7 ),所述第一永久磁鐵(6 )和第二永久磁鐵(7 )的質量相同,且按照磁極相對放置； 所述雙晶片壓電懸臂梁(I)包括彈性梁以及分別粘貼在彈性梁上下表面的第一壓電層(2)和第二壓電層(3)，所述第一壓電層(2)、第二壓電層(3)和彈性梁的寬度相等，第一壓電層和第二壓電層的長度相等、且與彈性梁的長度之比為O. 6，第一壓電層(2)和第一壓電層(3)的同一端均與彈性梁的根部對齊；第一壓電層(2)和第二壓電層(3)的上下兩面均分別設有電極(4); 裝夾在圓柱體夾具(9)上的八個雙穩態壓電懸臂振子結構，呈兩兩相對於圓柱體夾具(9)的中心線對稱地布置；相互對稱布置的兩個雙穩態壓電懸臂振子結構的參數一致，相鄰布置的雙穩態壓電懸臂振子結構的參數不同。
2.根據權利要求I所述雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，其特徵在於，每個雙晶片壓電懸臂梁(I)上的第一壓電層(2 )和第二壓電層(3 )之間採用串聯或並聯連接。
3.根據權利要求2所述雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，其特徵在於，將環形陣列的八個雙穩態壓電懸臂振子結構按照沿環形相鄰四個為一組的方式分為兩組，每組包括的四個壓電懸臂振子串聯連接，兩組之間則並聯連接。
4.根據權利要求I所述雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，其特徵在於，所述雙穩態壓電懸臂振子結構的參數包括雙晶片壓電懸臂梁(I)的尺寸和第一永久磁鐵(6)和第二永久磁鐵(7)的質量。
5.根據權利要求I所述雙穩態複合懸臂梁壓電發電轉置，其特徵在於所述彈性梁的材料選用鋁、銅和單晶矽中的一種。
6.根據權利要求I所述雙穩態複合懸臂梁壓電發電轉置，其特徵在於所述第一壓電 層(2)和第二壓電層(3)中壓電材料選用PZT和PVDF中的一種。
7.根據權利要求I所述雙穩態複合懸臂梁壓電發電轉置，其特徵在於所述電極(4)由鉬金鍍層或銀鍍層構成，所述電極(4)設有引出導線(5)。
全文摘要
本發明公開了一種雙穩態複合懸臂梁壓電發電裝置，包括殼體，所述殼體內的中央固定有一圓柱體夾具，所述夾具上均布有八個雙穩態壓電懸臂振子結構，呈環形陣列；所述雙穩態壓電懸臂振子結構包括固定在夾具上的一雙晶片壓電懸臂梁，粘貼在梁上下兩面的第一壓電層和第二壓電層，梁自由端所設的第一永久磁鐵以及在同側殼體內壁上與第一永久磁鐵磁極相對放置的第二永久磁鐵；所述第一第二壓電層的上下兩面均分別設有電極；八個雙穩態壓電懸臂振子結構呈兩兩對稱地布置；相互對稱的兩個雙穩態壓電懸臂振子結構的參數一致。本發明裝置的工作頻域寬，發電效率和單位時間的發電量較單一壓電懸臂梁結構及列陣式線性壓電懸臂梁結構明顯提高。
文檔編號H02N2/18GK102790548SQ20121024972
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者孫舒, 曹樹謙, 郭抗抗 申請人:天津大學