一種單晶片懸臂式壓電振動發電機的製作方法
2023-05-26 09:22:06 3
專利名稱：一種單晶片懸臂式壓電振動發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓電振動發電機，尤其是一種單晶片懸臂式壓電振動發電機。
背景技術：
微電子、無線網絡傳感器和MEMS等低功耗產品得到了大力發展，它們主要的供能方式是化學電池，但是化學電池存在著諸多弊端，如電池壽命有限，需要定時更換，有時環境限制而更換困難。環境存在多種低頻機械振動能，如果能從周圍環境中收集能量，實現自供能，將能解決能源不足的問題。壓電俘能器因具有較高的功率密度和機電耦合係數，無需 外界電源，不發熱、無電磁幹擾、無汙染和易於實現結構的小型化、集成化等優點，且能滿足此類低功耗產品的供能需求被廣泛用作俘能元件。但是環境中的振動頻率一般都比較低，如汽車發動機的振動頻率為50Hz，電力變壓器的振動頻率為100Hz。對於低頻振動能量收集，可以採用壓電層與彈性層等長結構的懸臂型單晶壓電俘能器來實現，但是這種結構的工作效率較低。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了一種壓電層與彈性層長度比為O. 66的單晶片懸臂式壓電俘能裝置。本實用新型為實現上述實用新型目的採用如下技術方案一種單晶片懸臂式壓電振動發電機，所述壓電振動發電機通過導線與負載連接，所述壓電振動發電機包括基座、彈性層、壓電層、粘結層、質量塊；其中所述彈性層的一端與基座固定連接，彈性層的另一端與質量塊固定連接，壓電層通過粘結層粘結在彈性層的上表面，壓電層的上表面和下表面分別鍍有一個電極。所述單晶片懸臂式壓電振動發電機中，壓電層和彈性層的厚度比為I : 1，壓電層和彈性層有效長度的比值為O. 66。所述單晶片懸臂式壓電振動發電機中，壓電層為PZT-5H型壓電陶瓷，所述彈性層的材料為不鏽鋼。本實用新型採用上述技術方案，具有以下有益效果提高了單晶片懸臂式壓電振動發電機的開路輸出功率。
圖I為單晶片懸臂式壓電發電結構模型示意圖。圖2為壓電層與彈性層長度比與壓電振動發電機開路輸出功率關係的示意圖。圖3為單晶片低頻懸臂式壓電振動發電機給負載供電的電路圖。圖中標號說明1為基座，2為彈性層，3為壓電層，4為粘結層，5為質量塊，6和7為金屬銀電極，8和9為導線，10為負載。
具體實施方式
以下結合附圖對實用新型的技術方案進行詳細說明如圖I所示的單晶片懸臂式壓電振動發電機，包括基座I、彈性層2、壓電層3、質量塊5。彈性層2的一端與基座I固定連接，彈性層2的另一端與質量塊5固定連接。單晶片低頻懸臂式壓電振動發電 機給負載供電的電路圖如圖3所示，彈性層2超出壓電層3的部分嵌入到基座I內，稱為固定端，與固定端相對應的懸臂梁的另一端稱為自由端。在自由端固定有質量塊5，質量塊5為具有較高密度的材料如鎢、鎳、鉛等材料。彈性層2和壓電層3通過粘結層4粘結在一起。粘結層的厚度足夠薄，使電極7和彈性層4之間能夠保持短路狀態。彈性層2的材質為不鏽鋼，壓低層3選用了 PZT-5H型壓電陶瓷，粘結層的材料為504強力膠，其組分比例為A : B = 2 : I。壓電層3厚度和彈性層2厚度相等，壓電層2長度Lp和懸臂梁有效長度L之間的長度比為O. 66。壓電層3的上表面和下表面分別鍍有一個金屬銀電極6和7，兩個金屬銀電極6和7分別通過導線8、彈性層4和導線9與負載10連接。由壓電陶瓷的正壓電效應原理
I S1 — S11' + d31E3、
J D3 = d31^1 + e33E3可知，當懸臂梁在受到z方向慣性力作用下，壓電層會在X方向產生拉伸和壓縮，並在z向形成耦合電場。式(I)中，sn、ε33和d31分別為壓電材料的柔度係數、介電常數和壓電常數，D3為電位移，E3為電場強度，S1和σ I分別為應變和應力。PZT-5H型壓電陶瓷的d312/ ε 33比值較高，可以有效提高壓電振動發電機的發電量。基座的振動加速度為Ain時，振動發電機的開路輸出功率為
1LpWt d2 (2L- Lp)(t - 2z)E=P p 31 (--^--mA2 )2(I)
2e3341式中m為質量塊的質量，Lp為壓電層的長度，L為懸臂梁固定端到質量塊質心的距離，稱為懸臂梁的有效長度。z為懸臂梁的中性軸位置，Z= (tp2_ilts2)/2(tp+ilts)，tp為壓電層的厚度，ts為彈性層的厚度，η = Ep/ES，ES為彈性層的彈性模量，Ερ為壓電層的彈性模量。為了使壓電層內部擁有更多的應力，必須避免壓電層同時受到拉應力和壓應力，因此中性軸的位置必須位於彈性層內，即ts3 tp/j。I為懸臂梁相對於中性軸的轉矩慣量，I =(wtp2/12) +wtp (-z+tp/2) + η wts2+ nwtp(z+ts/2)，w為懸臂梁的寬度。壓電層與彈性層長度比與壓電振動發電機開路輸出功率的關係圖如圖2所不。由公式(2)可知，不鏽鋼材質的彈性層2具有較高的彈性模量，具有較高密度的材料製成的質量塊5質量大，壓電層3厚度和彈性層2厚度相等保證了中性軸位置位於彈性層2內，而當壓電層3長度Lp和懸臂梁有效長度L之間的長度比為O. 66時，單晶片低頻懸臂式壓電振動發電機的輸出功率最大。
權利要求1.一種單晶片懸臂式壓電振動發電機，所述壓電振動發電機通過導線與負載連接，其特徵在於包括基座、彈性層、壓電層、粘結層、質量塊；其中所述彈性層的一端與基座固定連接，彈性層的另一端與質量塊固定連接，壓電層通過粘結層粘結在彈性層的上表面，壓電層的上表面和下表面分別鍍有一個電極。
2.根據權利要求I所述的單晶片懸臂式壓電振動發電機，其特徵在於所述壓電層和彈性層的厚度比為I: I，壓電層和彈性層有效長度的比值為O. 66。
3.根據權利要求I所述的單晶片懸臂式壓電振動發電機，其特徵在於所述壓電層為PZT-5H型壓電陶瓷，所述彈性層的材料為不鏽鋼。
專利摘要本實用新型涉及一種壓電振動發電機，尤其是一種單晶片懸臂式壓電振動發電機。所述單晶片懸臂式壓電振動發電機包括基座、彈性層、壓電層、粘結層、質量塊。採用大彈性模量的彈性層、厚度與彈性層相等而長度不等的壓電層壓電層以及大密度的質量塊，提高了單晶片懸臂式壓電振動發電機的開路輸出功率。
文檔編號H02N2/18GK202385033SQ201120556028
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者譚林林, 鄒玉煒, 黃學良 申請人:東南大學