一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，屬于微機(jī)電系統(tǒng)和微能源【技術(shù)領(lǐng)域】。壓電能量采集單元與支撐體上部連接，該支撐體下部鍵合在基體上，在該支撐體的內(nèi)部有電容能量采集單元，該電容能量采集單元中有電解質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是既采用同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩種不同機(jī)制的能量采集，以達(dá)到對(duì)輸出能量疊加放大的效果，又通過(guò)對(duì)壓電和電容能量采集單元的結(jié)構(gòu)提高了器件的能量轉(zhuǎn)換效率，可高效率的實(shí)現(xiàn)寬頻帶振動(dòng)能量的采集，尤其適用于低頻小振幅環(huán)境振動(dòng)的能量采集。
【專利說(shuō)明】一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)和微能源【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種微型壓電、電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器的能源供給問(wèn)題已成為制約傳感器發(fā)展的重要因素。當(dāng)前，微電子器件的功耗已降低至幾十至幾百微瓦的量級(jí)，在這樣的能耗需求下，利用能量采集器將周圍環(huán)境的能量通過(guò)某種方式自動(dòng)轉(zhuǎn)化成電能，從而為各種低功耗微電子器件供電成為可能。同傳統(tǒng)能源(如傳輸線、電池等)相比，能量采集器不受連接線限制，且無(wú)需頻繁更換，適合為各種低功耗無(wú)線傳感器供能。
[0003]環(huán)境中存在一種無(wú)處不在的能量:振動(dòng)。振動(dòng)能量采集器是自主電源供給研究的重點(diǎn)，其工作方式主要有電磁式、靜電式和壓電式三種。電磁式一般體積較大，為能量米集器的微型化設(shè)計(jì)增加了難度。鑒于壓電式和靜電式振動(dòng)能量采集器體積小、輸出能量高等優(yōu)點(diǎn)，過(guò)去幾年中相關(guān)研究院所對(duì)壓電式和靜電式能量采集器開(kāi)展了研究。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Pisano教授采用振動(dòng)_壓電的能量轉(zhuǎn)換模式，研制了在高溫下仍能獲得87uW/cm2功率密度的能量采集器；美國(guó)羅切斯特大學(xué)(University of Rochester)的S ΜGracewski設(shè)計(jì)了一種用于采集振動(dòng)能量的電容能量采集器，通過(guò)在電極板間添加電離子物質(zhì)提高了能量采集效率；美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)的YabinLiao研究了在懸臂梁不同位置上添加質(zhì)量塊對(duì)懸臂梁振動(dòng)特性及能量采集效率的影響；清華大學(xué)的王曉峰通過(guò)在電容極板表面進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了電容的存儲(chǔ)能力。綜上所述，如何最大限度的提高能量轉(zhuǎn)換效率是研究者關(guān)心的一大熱點(diǎn)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種微型壓電和電容復(fù)合式振動(dòng)能量采集器，目的是提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:壓電能量采集單元與支撐體上部連接，該支撐體下部鍵合在基體上，在該支撐體的內(nèi)部有電容能量采集單元，該電容能量采集單元中有電解質(zhì)。
[0006]本發(fā)明所述壓電能量采集單元結(jié)構(gòu)是:蛛網(wǎng)狀壓電薄膜上部沉積有上電極、下部沉積有下電極，該下電極與支撐材料固定連接，上電極與導(dǎo)線一連接，下電極與導(dǎo)線二連接。
[0007]本發(fā)明所述壓電能量采集單元中支撐材料下部固定連接質(zhì)量塊。
[0008]本發(fā)明所述電容能量采集單元包括上極板和下極板，下極板與基體固定連接，上極板與支撐材料下部連接，上極板與導(dǎo)線三連接，下極板與導(dǎo)線四連接。
[0009]本發(fā)明所述上極板和下極板的表面有球狀微結(jié)構(gòu)或金字塔狀微結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明所述下極板采用階梯結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎，采用壓電和電容復(fù)合作用機(jī)制進(jìn)行振動(dòng)能量采集，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。采用蛛網(wǎng)狀壓電薄膜的受力方向與壓電電荷產(chǎn)生的方向相互垂直，壓電常數(shù)為d31，與能量采集器設(shè)計(jì)的振動(dòng)模態(tài)相符合，較大的提高了能量轉(zhuǎn)換效率。蛛網(wǎng)狀壓電薄膜采用了蛛網(wǎng)狀新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在同等外界振動(dòng)環(huán)境下使蛛網(wǎng)狀壓電薄膜產(chǎn)生更大的形變，以獲得更多的壓電電荷，提高能量轉(zhuǎn)換效率。電容上下極板表面進(jìn)行了表面球狀微結(jié)構(gòu)及表面金字塔狀微結(jié)構(gòu)的處理，較大的提高了能量轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)質(zhì)量塊的質(zhì)量改變壓電能量采集單元的固有頻率，拓寬能量采集器的適用頻率范圍；電容上下極板間距可根據(jù)環(huán)境中的振幅大小進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳能量轉(zhuǎn)換效率。
[0012]既采用同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩種不同機(jī)制的能量采集，以達(dá)到對(duì)輸出能量疊加放大的效果，又通過(guò)對(duì)壓電和電容能量采集單元的結(jié)構(gòu)提高了器件的能量轉(zhuǎn)換效率，可高效率的實(shí)現(xiàn)寬頻帶振動(dòng)能量的采集，尤其適用于低頻小振幅環(huán)境振動(dòng)的能量采集。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的蛛網(wǎng)狀壓電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例2的上極板或下極板球狀微結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9是本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10是本發(fā)明實(shí)施例3的上極板或下極板金字塔狀微結(jié)構(gòu)圖；
圖11是本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12是本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖13是本發(fā)明實(shí)施例4階梯狀電容下極板結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]壓電能量采集單元1與支撐體2上部連接，該支撐體2下部鍵合在基體5上，在該支撐體的內(nèi)部有電容能量采集單元3，該電容能量采集單元3中有電解質(zhì)4。
[0015]當(dāng)感受到環(huán)境振動(dòng)時(shí)，壓電能量采集單元1和電容能量采集單元3 —同振動(dòng)，這種振動(dòng)一方面使蛛網(wǎng)狀壓電薄膜101和支撐材料102產(chǎn)生形變，通過(guò)逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，通過(guò)上電極、下電極采集電荷至后續(xù)整流電路中；另一方面振動(dòng)引起電容上極板、下極板間正對(duì)面積和距離不斷變化，導(dǎo)致電容量變化，從而在電容極板表面產(chǎn)生電荷，采集至后續(xù)的整流電路中。通過(guò)兩種機(jī)制的復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換。
[0016]本發(fā)明所述壓電能量采集單元1結(jié)構(gòu)是:蛛網(wǎng)狀壓電薄膜101上部沉積有上電極104、下部沉積有下電極105，該下電極105與支撐材料102固定連接，上電極104與導(dǎo)線一106連接，下電極105與導(dǎo)線二 107連接。
[0017]本發(fā)明壓電能量采集單元1采用了蛛網(wǎng)狀壓電薄膜101和支撐材料102疊放的復(fù)合膜狀結(jié)構(gòu)，且兩者熱膨脹系數(shù)等物理性能相近，能減小壓電能量采集單元形變對(duì)復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力的影響。
[0018]本發(fā)明所述壓電能量采集單元1中支撐材料102下部固定連接質(zhì)量塊103 ;該質(zhì)量塊103可增加振幅，降低能量采集器固有頻率，提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0019]本發(fā)明所述電容能量采集單元3包括上極板304和下極板303，下極板303與基體5固定連接，上極板與支撐材料102下部連接，上極板304與導(dǎo)線三305連接，下極板303與導(dǎo)線四306連接。
[0020]本發(fā)明所述上極板304和下極板303的表面有球狀微結(jié)構(gòu)301或金字塔狀微結(jié)構(gòu)302 ;增加了電容變化量，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
[0021]本發(fā)明所述下極板303采用階梯結(jié)構(gòu)；調(diào)整階梯的結(jié)構(gòu)，使之與電容上極板(304)變形后的撓度曲線相應(yīng)和，最大程度縮小兩極板間距，產(chǎn)生更大的電容變化量，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0022]電容能量采集單元3上極板、下極板間添加了電解質(zhì)4，增大了電容變化量，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
[0023]下邊結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]實(shí)施例1
如圖2、3、4所示，壓電能量采集單元1與支撐體2上部連接，該支撐體2下部鍵合在基體5上，在該支撐體的內(nèi)部有電容能量采集單元3，該電容能量采集單元3中有電解質(zhì)4，所述壓電能量采集單元1結(jié)構(gòu)是:蛛網(wǎng)狀壓電薄膜101上部沉積有上電極104、下部沉積有下電極105，該下電極105與支撐材料102固定連接，上電極104與導(dǎo)線一 106連接，下電極105與導(dǎo)線二 107連接；所述壓電能量采集單元1中支撐材料102下部固定連接質(zhì)量塊103 ；所述電容能量采集單元3包括上極板304和下極板303，下極板303與基體5固定連接，上極板與支撐材料102下部連接，上極板304與導(dǎo)線三305連接，下極板303與導(dǎo)線四306連接。
[0025]實(shí)施例2
如圖5、6、7所示，上極板304和下極板303的表面有球狀微結(jié)構(gòu)301，其余同實(shí)施例1。
[0026]實(shí)施例3
如圖8、9、10所示，上極板304和下極板303的表面有金字塔狀微結(jié)構(gòu)302，其余同實(shí)施例1。
[0027]實(shí)施例4
如圖11、12、13所示，下極板303采用階梯結(jié)構(gòu)，其余同實(shí)施例1。
【權(quán)利要求】
1.一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，其特征在于:壓電能量采集單元與支撐體上部連接，該支撐體下部鍵合在基體上，在該支撐體的內(nèi)部有電容能量采集單元，該電容能量采集單元中有電解質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述壓電能量采集單元結(jié)構(gòu)是:蛛網(wǎng)狀壓電薄膜上部沉積有上電極、下部沉積有下電極，該下電極與支撐材料固定連接，上電極與導(dǎo)線一連接，下電極與導(dǎo)線二連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述壓電能量采集單元中支撐材料下部固定連接質(zhì)量塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述電容能量采集單元包括上極板和下極板，下極板與基體固定連接，上極板與支撐材料下部連接，上極板與導(dǎo)線三連接，下極板與導(dǎo)線四連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述上極板和下極板的表面有球狀微結(jié)構(gòu)或金字塔狀微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微型壓電和電容復(fù)合振動(dòng)能量采集器，其特征在于:所述下極板采用階梯結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104506086SQ201510027934
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月21日
【發(fā)明者】楊旭, 付宇鵬, 王東方, 趙繼 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)