基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置的製作方法
2023-05-06 06:08:56 1
專利名稱：基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電技術領域的發電裝置，具體是一種基於壓電晶體 頻率轉換機構的微型發電裝置。
背景技術：
近年來，隨著集成電路技術和微/納機電系統(MEMS/NEMS)技術的不斷發展， 無線傳感網絡節點及可攜式微電子產品的應用越來越廣泛，目前微器件的電源供 給主要是靠化學電池，利用微型化學電池供電存在一個明顯的不足就是電池總能 量有限，使用壽命短，但隨著節點體積減小和使用數量迅速增加，更換大量的耗 盡電池變得非常困難，微機電系統由於具有體積小、能耗低的優點而得到了廣泛 的應用，因此利用微機電系統來進行發電具有廣泛的應用前景。
如果能夠利用自然界的振動來產生器件工作的電量，那將使得能量來源極 為廣泛，目前主要有三種能量轉換形式可以實現環境振動能到電能的轉換，即 壓電轉換、電磁轉換和靜電轉換。目前自然界中的振動多為低頻振動，要想利用 這些振動來產生電力，有必須把低頻振動轉化為高頻振動來提高轉換利用效率。
通過對現有技術文獻的檢索發現，中國專利授權公告號CN 2505614Y，公開 了一種基於電磁轉換的振動發電裝置，此裝置直接利用自然界的振動來發電，然 而自然界的振動多為低頻振動，要想得到較高的發電效率，需要利用必要的頻率 轉換機構來升高頻率，此外基於電磁轉換的發電裝置具有輸出電壓低、兼容性差、 存在電磁幹擾等缺點。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於壓電晶體頻率轉換機構 的微型發電裝置，具有輸出電壓高、轉換密度高、工作可靠、適應性強的突出優 點。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括基體、頻率轉換機構和 一組或多組發電機構，其中頻率轉換機構固定設置於基體的頂部，發電機構固定設置於基體的內部並與基體相接觸，頻率轉換機構和發電機構相互平行。 所述的基體為無頂矩形體結構；
所述的頻率轉換機構包括上層平面彈簧、上表面永磁體、永磁體支撐平 臺和下表面永磁體，其中上層平面彈簧的兩端分別連接基體和頂部和永磁體支 撐平臺，上表面永磁體和下表面永磁體分別位於永磁體支撐平臺的上下兩側並在 豎直方向上下振動。
所述的發電機構包括壓電材料、金屬電極、彈性支撐層和軟磁金屬層， 其中彈性支撐層的一端固定設置於基體內部，彈性支撐層的另一端的上表面設 有軟磁金屬層，壓電材料的上下表面分別與金屬電極和彈性支撐層固定連接。
所述的該軟磁金屬層的位置在下表面永磁體的豎直方向的投影範圍內，且 軟磁金屬層的豎直方向有效面積小於等於下表面永磁體的豎直方向有效面積。
本發明通過頻率轉換機構能有效地利用自然界中的低頻振動能量，由上層 平面彈簧和永磁體組成的結構在受到外界振動特別是垂直於彈簧所在的平面的
振動作用時，永磁體將會產生振動，永磁體與彈性支撐層上的軟磁金屬層材料具 有相互之間的吸引力，因而永磁體的振動可以帶動下面的軟磁金屬層材料的振 動，軟磁金屬層材料與彈性支撐層連為一體，因而彈性支撐層也隨之振動，並且 彈性支撐層有更高的共振頻率，因此實現了頻率轉換的目的；而當彈性支撐層上 下往復振動時，其表面的壓電材料層也將不斷的受到壓縮或拉伸，根據材料的正 壓電效應，兩個金屬電極上不斷的吸收或釋放電性相反的電荷，接入外電路時， 自由釋放電荷在電路中不停的往復運動形成電流，從而達到了發電的目的。
本發明利用壓電材料的壓電效應來產生電力，相對於利用電磁方式發電， 具有輸出電壓高、能量密度高、工作可靠、適應性強等突出優點。
圖l為本發明側面剖視圖。
圖2為本發明俯視圖。
圖3為發電機構俯視其中a為實施例l示意圖，b為實施例2示意圖，C為實施例3示意圖。 圖4為實施例2示意其中a為側面剖視圖，b為發電機構俯視圖。圖5為實施例3示意其中a為側面剖視圖，b為發電機構俯視圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限 於下述的實施例。
實施例1
如圖l、圖2和圖3所示，本實施例包括基體l、頻率轉換機構2和一組
發電機構3，其中頻率轉換機構2固定設置於基體1的頂部，發電機構3固定 設置於基體1的內部並與基體1相接觸，頻率轉換機構2和發電機構3相互平行。
所述的基體1為無頂矩形體結構，採用鋁材料製作，其中底面為正方形，邊
長為3毫米，高度為1.75毫米，基體厚度為200微米；
如圖1和圖2所示，所述的頻率轉換機構2包括四根上層平面彈簧4、上 表面永磁體5、永磁體支撐平臺6和下表面永磁體7，其中四根上層平面彈簧 4呈中心對稱的S型結構，該上層平面彈簧4的兩端分別連接基體1和頂部和永 磁體支撐平臺6，上表面永磁體5和下表面永磁體7分別位於永磁體支撐平臺6 的上下兩側並在豎直方向上下振動。
所述的上層平面彈簧4的厚度為15微米，寬度為200微米。
所述的上表面永磁體5以及下表面永磁體7均為圓柱體結構，其直徑為1. 2 毫米，高度為250微米。
所述的永磁體支撐平臺6的直徑大於等於上表面永磁體5或下表面永磁體7 的半徑，該永磁體支撐平臺6的厚度與上層平面彈簧4的厚度相同，為15微米， 為玻璃製成。
如圖3所示，所述的發電機構3包括軟磁金屬層8、壓電材料9、金屬電 極10以及彈性支撐層11，其中彈性支撐層11的一端固定設置於基體1內部， 彈性支撐層11的另一端的上表面設有軟磁金屬層8,壓電材料9的上下表面分 別與金屬電極IO和彈性支撐層11固定連接，壓電材料9的側面與基體1的側面 的垂直間距為100微米，壓電材料9的側面與軟磁金屬層8側面的垂直間距為 100微米。所述的軟磁金屬層8為長方體結構，長寬都為300微米，厚度為40微米， 採用金屬材料鎳製成，該軟磁金屬層8的位置在下表面永磁體7的豎直方向的投 影範圍內，且軟磁金屬層8的豎直方向有效面積小於下表面永磁體7的豎直方向 有效面積。
所述的壓電材料9的長度為1毫米，寬度為300微米，厚度為40微米，採 用鋯鈦酸鉛製成。
所述的金屬電極10的厚度為30微米，採用Ti金屬薄膜製成。 所述的彈性支撐層11為長方體結構，其尺寸為1. 5毫米*300微米*40微米， 該彈性支撐層11為金屬材料Pt製成。
所述的彈性支撐層11上設有直徑為20微米的阻尼孔12以減小空氣阻力。 本實施例的工作過程如下由上層平面彈簧4和上表面永磁體5和下表面永 磁體7組成的結構在受到外界振動特別是垂直於彈簧所在的平面的振動作用時， 上表面永磁體5和下表面永磁體7會發生振動，下表面永磁體7吸引下面的軟磁 金屬層8，從而上表面永磁體5和下表面永磁體7的振動可以帶動下面的軟磁金 屬層8的振動，軟磁金屬層8與彈性支撐層11相連接，從而導致了彈性支撐層 ll的振動，彈性支撐層11的共振頻率更高，因此可以達到頻率轉換的目的，彈 性支撐層11的振動能帶動壓電材料9的拉伸或壓縮，根據材料的正壓電效應， 金屬電極10與彈性支撐層11不斷的吸收或釋放電性相反的電荷，接入外電路時， 自由釋放電荷在電路中不停的往復運動形成交流電流，從而達到了發電的目的。 實施例2
如圖4a和4b所示，本實施例包括基體1、頻率轉換機構2和4組相同結 構的發電機構3，其中頻率轉換機構2固定設置於基體1的頂部，4組發電機 構3固定設置於基體1的內部四個側面並與基體1相接觸，頻率轉換機構2和發 電機構3相互平行。
本實施例中的4組發電機構3與實施例1中相同，均包括軟磁金屬層8、 壓電材料9、金屬電極10以及彈性支撐層11，其中彈性支撐層11的一端固定 設置於基體1內部，彈性支撐層11的另一端的上表面設有軟磁金屬層8，壓電 材料9的上下表面分別與金屬電極10和彈性支撐層11固定連接，壓電材料9的 側面與基體1的側面的垂直間距為100微米，壓電材料9的側面與軟磁金屬層8側面的垂直間距為100微米。 實施例3
如圖5a和圖5b所示，本實施例包括基體1、頻率轉換機構2和1組發電 機構3，其中頻率轉換機構2固定設置於基體1的頂部，4組發電機構3固定 設置於基體1的內部四個側面並與基體1相接觸，頻率轉換機構2和發電機構3 相互平行。
如圖5b所示，本實施例中的發電機構3包括軟磁金屬層8、壓電材料9、 金屬電極10以及彈性支撐層11，其中彈性支撐層11為萬字型結構，彈性支 撐層11的末端固定設置於基體1內部，彈性支撐層11的中心的上表面設有軟磁 金屬層8，壓電材料9的上下表面分別與金屬電極IO和彈性支撐層11固定連接， 壓電材料9的側面與基體1的側面的垂直間距為100微米，壓電材料9的側面與 軟磁金屬層8側面的垂直間距為100微米。
所述的軟磁金屬層8為長方體結構，該軟磁金屬層8的位置在下表面永磁體 7的豎直方向的投影範圍內，且其豎直方向有效面積與下表面永磁體7的豎直方 向有效面積相等。
權利要求
1、一種基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置，包括基體和頻率轉換機構，其特徵在於，還包括一組或多組發電機構，其中頻率轉換機構固定設置於基體的頂部，發電機構固定設置於基體的內部並與基體相接觸，頻率轉換機構和發電機構相互平行。
2、 根據權利要求1所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置，其 特徵是，所述的發電機構包括壓電材料、金屬電極、彈性支撐層和軟磁金屬層， 其中彈性支撐層的一端固定設置於基體內部，彈性支撐層的另一端的上表面設 有軟磁金屬層，壓電材料的上下表面分別與金屬電極和彈性支撐層固定連接。
3、 根據權利要求1所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置，其 特徵是，所述的發電機構包括軟磁金屬層、壓電材料、金屬電極以及彈性支撐 層，其中彈性支撐層為萬字型結構，彈性支撐層的末端固定設置於基體內部， 彈性支撐層的中心的上表面設有軟磁金屬層，壓電材料的上下表面分別與金屬電 極和彈性支撐層固定連接。
4、 根據權利要求1或2或3所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電 裝置，其特徵是，所述的基體為無頂矩形體結構。
5、 根據權利要求1所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置，其 特徵是，所述的頻率轉換機構包括上層平面彈簧、上表面永磁體、永磁體支撐 平臺和下表面永磁體，其中上層平面彈簧的兩端分別連接基體和頂部和永磁體 支撐平臺，上表面永磁體和下表面永磁體分別位於永磁體支撐平臺的上下兩側並 在豎直方向上下振動。
6、 根據權利要求2或3所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置， 其特徵是，所述的軟磁金屬層的位置在下表面永磁體的豎直方向的投影範圍內。
7、 根據權利要求2或3所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置，其特徵是，所述的軟磁金屬層的豎直方向有效面積小於等於下表面永磁體的豎直方向有效面積。
8、 根據權利要求2或3所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置， 其特徵是，所述的壓電材料的側面與基體的側面的垂直間距為100微米。
9、根據權利要求2或3所述的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置， 其特徵是，所述的壓電材料的側面與軟磁金屬層8側面的垂直間距為100微米。
全文摘要
一種微機電技術領域的基於壓電晶體頻率轉換機構的微型發電裝置，包括基體、頻率轉換機構以及一組或多組發電機構，其中頻率轉換機構固定設置於基體的頂部，發電機構固定設置於基體的內部並與基體相接觸，頻率轉換機構和發電機構相互平行。本發明利用壓電材料的壓電效應來產生電力，相對於利用電磁方式發電，具有輸出電壓高、能量密度高、工作可靠、適應性強等突出優點。
文檔編號H02N2/18GK101621258SQ20091005596
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者武 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛平, 奎 秦, 陳文元 申請人:上海交通大學