一種升頻式振動能量採集系統的製作方法
2023-10-17 17:58:54
一種升頻式振動能量採集系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種升頻式振動能量採集系統，通過低頻諧振結構感應環境振動頻率，並通過低頻諧振結構振動後與高頻諧振結構的接觸碰撞使得高頻諧振結構實現自激振動，以達到升頻的目的。通過高頻諧振結構的高頻率振動，使得高頻振動梁上的壓電材料層產生周期性拉伸與壓縮，實現振動能向電能的高效轉化，兼顧高密度輸出和低工作頻率。低頻諧振結構的振動梁具有較低的結構剛度與較大的諧振質量，可將共振頻率降低到50Hz以下，對環境振動頻率的感應靈敏，適用範圍較廣。
【專利說明】一種升頻式振動能量採集系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於微能源採集【技術領域】，具體涉及一種升頻式振動能量採集系統。
【背景技術】
[0002]振動能以不同的形式、強度和頻率廣泛存在於橋梁、樓宇、船舶、車輛、機械設備、家用電器等各種生產和生活設備中。因此對振動能進行採集為無線傳感網絡、嵌入式系統等低功耗設備供電有著廣泛的應用前景。例如，Perpetuum公司生產的振動能量採集器成功應用在火車車輪的軸承監測上；Ferro Solut1ns公司的振動能量採集器被應用於美國海軍的輪船和潛艇的健康監測中。
[0003]為了實現高效能量採集，振動型能量採集器的設計需要其固有頻率與環境振動源頻率相匹配，同時要求有較寬的工作頻帶以適應振動源頻率的隨機變化。研究表明多數振動源的頻率在200Hz以下，甚至低於50Hz。目前的微小型振動能量採集器往往無法同時兼顧高密度輸出和低工作頻率。具有較高能量輸出的能量採集器件往往工作頻率也較高，而在具備較低工作頻率時又難以實現能量高密度輸出。研究在低頻率振動下的高效能量採集是當前微小型振動能量採集技術的關鍵瓶頸問題。
[0004]目前的微小型振動能量採集器在低頻振動環境下電量輸出很低，無法滿足低功耗設備器件的供電需求。為實現低頻振動的高密度輸出，因此需要對原有的低頻振動進行升頻處理，現有的升頻式能量採集器需要在低頻和高頻諧振結構中組裝磁鐵，通過磁鐵吸引力或排斥力實現低頻振動向高頻振動的轉換，但該結構中磁鐵所佔面積較大，結構較為複雜，這對於能量採集器的微型化和系統化集成提出巨大挑戰。
[0005]因此，鑑於以上問題，有必要提出一種新型的升頻式能量採集系統，實現對低頻振動的靈敏感應及高效轉化，同時簡化採集系統的結構，實現採集系統的微型化與集成化。
實用新型內容
[0006]有鑑於此，本實用新型提供了一種升頻式振動能量採集系統，通過低頻諧振結構與高頻諧振結構的接觸碰撞，使得高頻諧振結構實現自激振動達到升頻的目的，且通過壓電材料層的拉伸與壓縮，實現振動能向電能的高效轉化。該採集系統的結構簡單，有利於實現採集系統的微型化與集成化。
[0007]根據本實用新型的目的提出了一種升頻式振動能量採集系統，包括高頻諧振結構與低頻諧振結構，所述高頻諧振結構與所述低頻諧振結構依次間隔固定設置，所述高、低頻諧振結構分別包括固定部件、質量塊、以及連接固定部件與質量塊的振動梁，高頻振動梁表面依次設置有底部電極層、壓電材料層與頂部電極層，所述高頻諧振結構與所述低頻諧振結構間的間距小於給定振動激勵下低頻諧振結構的振動幅值。
[0008]優選的，所述高頻諧振結構與所述低頻諧振結構平行設置。
[0009]優選的，所述低頻諧振結構的振動梁為直梁、單S型或多S型懸臂梁。
[0010]優選的，所述高頻諧振結構設置於所述低頻諧振結構一側，或對稱設置於所述低頻諧振結構的兩側。
[0011 ] 優選的，所述壓電材料層為壓電薄膜或壓電厚膜。
[0012]與現有技術相比，本實用新型公開的升頻式振動能量採集系統的優點是:通過低頻諧振結構感應環境振動頻率，並通過低頻諧振結構振動後與高頻諧振結構的接觸碰撞使得高頻諧振結構實現自激振動，以達到升頻的目的。
[0013]通過高頻諧振結構的高頻率振動，使得高頻振動梁上的壓電材料層產生周期性拉伸與壓縮，實現振動能向電能的高效轉化，兼顧高密度輸出和低工作頻率。
[0014]低頻諧振結構的振動梁具有較低的結構剛度與較大的諧振質量，可將共振頻率降低到50Hz以下，對環境振動頻率的感應靈敏，適用範圍較廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為高頻諧振結構的結構示意圖。
[0017]圖2為高頻諧振結構的截面圖。
[0018]圖3為本實用新型公開的低頻諧振結構的結構示意圖。
[0019]圖4為振動能量米集系統的結構不意圖。
[0020]圖5為初始碰撞狀態圖。
[0021]圖6為協同運動狀態圖。
[0022]圖7為非完全彈性釋放狀態圖。
[0023]圖8為高頻諧振結構的電壓輸出波形圖。
[0024]圖中的數字或字母所代表的相應部件的名稱:
[0025]1、高頻諧振結構2、低頻諧振機構3、固定部件4、振動梁5、質量塊11、底部電極層12、壓電材料層13、頂部電極層
【具體實施方式】
[0026]目前的微小型振動能量採集器在低頻振動環境下電量輸出很低，無法滿足低功耗設備器件的供電需求。為實現低頻振動的高密度輸出，因此需要對原有的低頻振動進行升頻處理，現有的升頻式能量採集器需要在低頻和高頻諧振結構中組裝磁鐵，通過磁鐵吸引力或排斥力實現低頻振動向高頻振動的轉換，但該結構中磁鐵所佔面積較大，結構較為複雜，這對於能量採集器的微型化和系統化集成提出巨大挑戰。
[0027]本實用新型針對現有技術中的不足，提供了一種升頻式振動能量採集系統，通過低頻諧振結構與高頻諧振結構的接觸碰撞，使得高頻諧振結構實現自激振動以達到升頻的目的，且通過壓電材料層的拉伸與壓縮，實現振動能向電能的高效轉化，該採集系統的結構簡單，實現採集系統的微型化與集成化。
[0028]下面將通過【具體實施方式】對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0029]請一併參見圖1至圖7，一種升頻式振動能量採集系統，包括高頻諧振結構I與低頻諧振結構2，高頻諧振結構I與低頻諧振結構2依次間隔固定設置，高頻諧振結構平行且對稱的設置於低頻諧振結構的上下側，且高頻諧振結構與低頻諧振結構間的間距小於給定振動激勵下低頻諧振結構的振動幅值。低頻諧振結構可感應外部環境的振動頻率，並隨其產生共振，通過低頻諧振結構與高頻諧振結構間接觸將振動傳遞給高頻諧振結構，高頻諧振結構實現自激振動，達到升頻的目的。其中高頻諧振結構可以設置於低頻諧振結構的任一側或對稱設置於兩側，具體方式不做限制。
[0030]高、低頻諧振結構分別包括固定部件3，質量塊5，以及連接固定部件與質量塊的振動梁4，高頻諧振結構的振動梁表面依次設置有底部電極層11、壓電材料層12與頂部電極層13，通過在高頻振動梁的表面鍍有壓電材料層，高頻振動梁的周期性往復運動會導致壓電材料層的周期性拉伸與壓縮，基於壓電效應，可實現機械能轉化向電能有效轉化，兼顧低工作頻率與高密度輸出的優點。
[0031]高頻諧振結構I為矽基懸臂梁。其中，壓電材料層可為壓電薄膜或壓電厚膜。通過壓電薄膜與振動梁的配合實現振動能量的採集，有效的簡化了採集系統的結構，有利於採集系統的微型化與集成度。
[0032]低頻諧振結構的振動梁為聚合物材料雙S型懸臂梁。該懸臂梁具有較低的結構剛度和較大的諧振質量，便於響應低頻環境的振動，並隨外部環境的振動發生共振，共振頻率可降低至50Hz以下，對環境振動頻率的感應靈敏，適用範圍較廣。高頻諧振結構與低頻諧振機構均可採用微加工手段製備。
[0033]其中聚合物材料可為橡膠、樹脂或塑料等，如聚醯亞胺(Polymide)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚對二甲苯(Parylene)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。低頻諧振結構的振動梁還可採用矽基材料製備。低頻振動梁的結構形狀及材料可根據待採集振動頻率值進行選擇，一般可為直梁、單S型或多S型懸臂梁等，具體結構不做限制。
[0034]一種基於升頻式振動能量採集系統的採集方法，具體步驟如下:
[0035]S1:高頻諧振結構與低頻諧振結構上下固定設置，高頻諧振結構可設置於低頻諧振結構上、下兩側或一側，高頻諧振結構與低頻諧振結構間的間距小於給定振動激勵下低頻諧振結構的振動幅值；
[0036]S2:初始接觸，在外界振動激勵下，低頻諧振結構的振動梁發生擺動，自水平位置向上側或下側擺動，與高頻諧振結構的振動梁產生接觸；
[0037]S3:協同運動，低頻與高頻的振動梁接觸耦合併一起運動至一側最高位置處；
[0038]S4:非完全彈性釋放，之後低頻與高頻的振動梁一起反向運動，高頻的振動梁開始發生非完全彈性釋放，產生自激振動，低頻的振動梁繼續運動與另一高頻振動梁接觸，通過接觸實現另一高頻振動梁的自激振動；
[0039]S5:高頻振動梁的周期性往復運動會導致壓電材料層的周期性拉伸與壓縮，基於壓電效應，實現振動能向電能的轉化輸出。
[0040]請參見圖5至圖7,升頻原理如下:
[0041]系統中的低頻諧振結構具有較低的結構剛度和較大的諧振質量。高頻諧振結構在低頻諧振結構的上下兩端或一端，具有較高的結構剛度和較小的諧振質量。組裝要精確控制高、低頻諧振結構間隙小於給定振動激勵下低頻諧振結構的振動幅值。以一個低頻振動梁的半個諧振周期為例，低頻和高頻振動梁的碰撞過程經歷了初始接觸(圖5)、協同運動(圖6)和非完全彈性釋放(圖7)過程。在外界振動激勵下，低頻振動梁從位置I運動到位置2時開始接觸碰撞到上端的高頻振動梁(圖5)。自此，低頻與高頻振動梁接觸耦合併一起從位置2運動到最高位置3 (圖6)，然後一起向下運動到位置4。此時，開始發生非完全彈性釋放，低頻振動梁將繼續向下運動到位置1，而被釋放的高頻振動梁則開始在其共振頻率下自激振動(圖7)。當低頻振動梁繼續運動到位置I時，開始接觸碰撞到下端的高頻振動梁。同理，通過接觸碰撞實現下端高頻振動梁的自激振動。此方法基於碰撞作用下實現了能量採集器在低頻環境振動到高頻系統自激振動的有效轉化。
[0042]實施例
[0043]在前期工作中對基於碰撞升頻機制的壓電能量採集系統做了實驗工作，通過MEMS矽基工藝製備了低頻和高頻壓電微結構梁。實驗中的高、低頻諧振梁晶片尺寸均為5.2mm*4.2mm*0.4mm。低頻振動梁採用雙S型設計可將共振頻率降低到20Hz。高頻振動梁共振頻率為127Hz，表面鍍有壓電薄膜層，可通過壓電效應將機械能轉換為電能輸出。圖8為高低頻諧振結構的電壓輸出波形圖的測試結果，由圖可見高頻諧振梁(127Hz)的電壓輸出遠遠高於低頻諧振梁(20Hz)的電壓輸出，有效實現低頻率高輸出的目的。
[0044]本實用新型公開了一種升頻式振動能量採集系統，通過低頻諧振結構感應環境振動頻率，並通過低頻諧振結構振動後與高頻諧振結構的接觸碰撞使得高頻諧振結構實現自激振動，以達到升頻的目的。
[0045]通過高頻諧振結構的高頻率振動，使得高頻振動梁上的壓電材料層產生周期性拉伸與壓縮，實現振動能向電能的高效轉化，兼顧高密度輸出和低工作頻率。
[0046]低頻諧振結構的振動梁具有較低的結構剛度與較大的諧振質量，可將共振頻率降低到50Hz以下，對環境振動頻率的感應靈敏，適用範圍較廣。
[0047]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
【權利要求】
1.一種升頻式振動能量採集系統，其特徵在於，包括高頻諧振結構與低頻諧振結構，所述高頻諧振結構與所述低頻諧振結構依次間隔固定設置，所述高、低頻諧振結構分別包括固定部件、質量塊、以及連接固定部件與質量塊的振動梁，高頻振動梁表面依次設置有底部電極層、壓電材料層與頂部電極層，所述高頻諧振結構與所述低頻諧振結構間的間距小於給定振動激勵下低頻諧振結構的振動幅值。
2.如權利要求1所述的升頻式振動能量採集系統，其特徵在於，所述高頻諧振結構與所述低頻諧振結構平行設置。
3.如權利要求1所述的升頻式振動能量採集系統，其特徵在於，所述低頻諧振結構的振動梁為直梁、單S型或多S型懸臂梁。
4.如權利要求1所述的升頻式振動能量採集系統，其特徵在於，所述高頻諧振結構設置於所述低頻諧振結構一側，或對稱設置於所述低頻諧振結構的兩側。
5.如權利要求1所述的升頻式振動能量採集系統，其特徵在於，所述壓電材料層為壓電薄膜或壓電厚膜。
【文檔編號】H02N2/18GK204103801SQ201420512080
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】劉會聰, 陳濤, 婁亮, 孫立寧, 王蓬勃, 劉楠 申請人:蘇州大學