摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種摩擦?壓電?磁電復合式振動微能源采集器，將一塊磁鐵懸浮起來作為微型能源采集器的敏感單元，提高了敏感部件的靈敏度，從而實現(xiàn)機械能的采集；同時，通過將具有互補工作模式的壓電、磁電、摩擦三種發(fā)電單元集成，從而實現(xiàn)對機械能的高效采集。由中間向兩側(cè)，采集器依次包含電磁鐵、摩擦薄膜、電磁感應線圈、壓電層和結(jié)構(gòu)基座，電磁層采用磁懸浮設(shè)計，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中敏感元件上面的機械連接，可以感應更微小的機械振動；壓電層采用了一端固定并連接電極，另一端錯位支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且利用磁場同極相斥的原理，感應敏感元件（懸浮磁鐵）的位移變化，使壓電薄膜發(fā)生形變。摩擦層采用疊放雙層膜的方式，利用懸浮磁鐵震動接觸摩擦層，在兩層摩擦膜之間感應電荷。
【專利說明】
摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于器件技術(shù)能源材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種摩擦-壓電-磁電復合式單自由度微能源采集器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。當前世界經(jīng)濟的高速發(fā)展以及人類文明的不斷進步，都離不開化石能源，包括煤炭、石油、天然氣等的廣泛應用，因而，可以毫無夸張地說，當前的世界經(jīng)濟是建立在化石能源基礎(chǔ)上的。然而，伴隨著經(jīng)濟發(fā)展所引起的全球溫室效應和能源短缺已經(jīng)開始全面影響人類社會的生存與發(fā)展，這迫使人們不斷尋找新的能源以及改變現(xiàn)在的用能方式和結(jié)構(gòu)。電能是能源應用中最有效、最直接的一種形式，很多能源形式最終都轉(zhuǎn)換為電能而被人加以利用。在宏觀方面，社會的正常運轉(zhuǎn)和人們的日常生活都有賴于常規(guī)能源或新能源所產(chǎn)生和輸送而來的電能;在微觀方面，個人電子產(chǎn)品、植入式生物傳感器、微電子機械系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測傳感器甚至小到納米機器人、微型馬達等都需要獨立、持久性的供能裝置來提供動力。
[0003]機械能是周圍環(huán)境中分布最廣且最容易獲取的能量之一，存在于機械振動、風動能、水流動能以及肌肉伸縮等各種情景中。相應地，許多方法也被提出用來將機械能轉(zhuǎn)化為電能，包括電磁感應、靜電感應、壓電效應和摩擦發(fā)電。摩擦發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，依靠摩擦點電勢的充電栗效應，把極其微小的機械能轉(zhuǎn)化為電能。在摩擦過程中，具有不同摩擦極性的兩種材料相互接觸-分離，進而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電流。相對于其他發(fā)電形式，摩擦發(fā)電具有體積小、重量輕、高輸出功率、低成本和可選材料種類豐富等優(yōu)勢。然而，不論哪種形式的發(fā)電方式都存在一定的局限性，不能達到對機械能的高效采集，輸入的大部分能量以熱能、材料形變和物體動能等形式耗散掉。為了解決機械能的高效采集問題，將具有互補工作模式的發(fā)電方式集成在同一器件上是一種可行性很高且有效的解決途徑。因此，設(shè)計一種新型的器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多種采集方式相結(jié)合將大幅度提高采集效率，并具有廣闊的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新型摩擦-壓電-磁電復合式單自由度振動微能源采集器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)多種采集方式相結(jié)合，將大幅度提高采集效率。
[0005]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，包括位于中部的磁懸浮支撐架，所述磁懸浮支撐架的邊緣四周的磁鐵放置腔內(nèi)放置懸浮固定磁鐵柱，所述磁懸浮支撐架的中心空腔內(nèi)放置磁鐵支架，所述磁鐵支架內(nèi)固定懸浮磁鐵;所述磁懸浮支撐架的上下兩側(cè)分別設(shè)置摩擦薄膜，所述摩擦薄膜的背面覆蓋一層電極并引出導線；上下兩層摩擦薄膜分別固定于上下層的電磁感應線圈上，每層電磁感應線圈固定安裝于各自的線圈支架中心并引出導線;所述線圈支架固定安裝于結(jié)構(gòu)基座上;所述結(jié)構(gòu)基座內(nèi)固定安裝壓電薄膜并引出導線，所述壓電薄膜中心設(shè)置磁鐵片;位于上下層的線圈支架對稱固定安裝于磁懸浮支撐架的兩側(cè)。
[0006]摩擦-壓電-磁電復合式微能源采集器由內(nèi)到外依次是電磁層、摩擦層、壓電層、結(jié)構(gòu)基座。電磁層利用磁懸浮原理將一塊扁圓形磁鐵懸浮起來，通過懸浮磁鐵感應外部環(huán)境的機械振動，懸浮磁鐵發(fā)生振動，電磁感應線圈就可以產(chǎn)生感應電荷，電荷流過外電路形成電流，提尚磁鐵米集振動能的靈敏性，可以感應更加微小的振動，有利于提尚米集效率。摩擦層的摩擦材料背面覆一層電極，雙層摩擦膜順序疊放，懸浮磁鐵振動時會與位于其兩側(cè)的摩擦薄膜形成撞擊，受到擠壓時，雙層摩擦膜感應出電荷，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電流。壓電層的壓電薄膜中心固定有一塊小型磁鐵片，磁極與懸浮磁鐵的磁極相對，因為電磁場同極相斥，在懸浮磁鐵振動時會排斥磁鐵片使其產(chǎn)生位移，從而帶動壓電薄膜產(chǎn)生形變，由于磁場的同極相斥原理從而使壓電薄膜發(fā)生形變產(chǎn)生電流。整個機構(gòu)采取上下對稱設(shè)計，增加能源米集單兀，提尚米集效率。
[0007]本發(fā)明設(shè)計合理，將壓電單元、摩擦單元和磁電單元集成在方形機構(gòu)中，能實現(xiàn)多種能源轉(zhuǎn)化方式的復合式應用，相對于傳統(tǒng)的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，以及更加豐富的應用場合，可以解決個人電子產(chǎn)品(如手機、手環(huán)等)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)(如森林火災檢測系統(tǒng)、紅外傳感安防系統(tǒng)等)的自供電問題，具有很好的市場應用價值。
【附圖說明】
[0008]圖1表示本發(fā)明所述能量采集器件的分解示意圖。
[0009]圖2表示本發(fā)明所述能量采集器件的剖面示意圖。
[0010]圖3磁懸浮示意圖。
[0011]圖中:1-結(jié)構(gòu)基座，2-壓電層，3-磁鐵片，4-圓柱電極，5-支撐梁，6-線圈支架，7-電磁感應線圈，8-磁懸浮支撐架，9-懸浮固定磁鐵柱，I O-摩擦薄膜，11-懸浮磁鐵，12-磁鐵支架。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。
[0013]—種摩擦-壓電-磁電復合式單自由度振動微能源采集器，如圖1、2所示，包括位于中部的磁懸浮支撐架8，所述磁懸浮支撐架8的邊緣四周的磁鐵放置腔內(nèi)放置懸浮固定磁鐵柱9，所述磁懸浮支撐架8的中心空腔內(nèi)放置磁鐵支架12，所述磁鐵支架12內(nèi)固定懸浮磁鐵11;所述磁懸浮支撐架8的上下兩側(cè)分別設(shè)置摩擦薄膜10，所述摩擦薄膜10的背面覆蓋一層電極并引出導線;上下兩層摩擦薄膜10分別固定于上下層的電磁感應線圈7上，每層電磁感應線圈7固定安裝于各自的線圈支架6中心并引出導線;所述線圈支架6固定安裝于結(jié)構(gòu)基座I上;所述結(jié)構(gòu)基座I內(nèi)固定安裝壓電薄膜2并引出導線，所述壓電薄膜2中心設(shè)置磁鐵片3;所述壓電薄膜2的一側(cè)通過兩根支撐梁5固定、另一側(cè)通過兩個圓柱電極4固定;位于壓電薄膜2內(nèi)側(cè)的支撐梁5和圓柱電極4均與線圈支架6固連，位于壓電薄膜2外側(cè)的支撐梁5和圓柱電極4均與結(jié)構(gòu)基座I固連。位于上下層的線圈支架6對稱固定安裝于磁懸浮支撐架8的兩側(cè)。
[0014]摩擦-壓電-磁電三種發(fā)電單元被集成在同一個結(jié)構(gòu)內(nèi)部，器件工作的基本構(gòu)想是通過懸浮磁鐵11感應外部環(huán)境的機械振動，懸浮磁鐵11發(fā)生振動，電磁感應線圈7就可以產(chǎn)生感應電荷，電荷流過外電路形成電流；同時由于磁場的同極相斥原理從而使壓電層2發(fā)生形變產(chǎn)生電流;懸浮磁鐵11振動時會與位于其兩側(cè)的摩擦薄膜10形成撞擊，雙層摩擦膜10感應出電荷，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。整體機構(gòu)采取對稱設(shè)計，增加了能量采集單元。
[0015]整個器件的具體實現(xiàn)步驟如下:
步驟1:采用公知的自組裝方法制備摩擦薄膜10，或者采用市場購買的摩擦薄膜。
[0016]步驟2:制備合適尺寸的結(jié)構(gòu)基座1、圓柱電極4、支撐梁5，線圈支架6，電磁感應線圈7，懸浮磁鐵支撐腔8。
[0017]步驟3:將電磁感應線圈7固定在線圈支架6的中心腔內(nèi)，引出導線。
[0018]步驟4:將兩個圓柱電極4分別固定在機構(gòu)基座I上部和線圈支架6下部，引出導線。
[0019]步驟5:將兩根支撐梁分別固定在結(jié)構(gòu)基座I上部和線圈支架6下部。
[0020]步驟6:將磁鐵片3固定在壓電薄膜2中心。
[0021]步驟7:將壓電薄膜2—端固定在機構(gòu)基座I上的兩個圓柱電極4之間，另一端固定于兩根支撐梁5之間。
[0022]步驟8:將線圈支架6固定在結(jié)構(gòu)基座I上，其上圓柱電極4和壓電薄膜2固定連接。
[0023]步驟9:將摩擦薄膜10置于線圈支架6的上表面中心，與電磁感應線圈7固定，引出導線。
[0024]步驟10:重復上述步驟，組裝另一組相同結(jié)構(gòu)。
[0025]步驟11:將懸浮固定磁鐵柱9放置于磁懸浮支架8的四個小腔內(nèi)。
[0026]步驟12:將懸浮磁鐵11固定在磁鐵支架12中心腔內(nèi)。
[0027]步驟13:將上一步組裝好的磁鐵支架12放到磁懸浮支架8中心的空腔內(nèi)。
[0028]步驟14:將之前組裝好的兩組結(jié)構(gòu)分別固定在磁懸浮支架8兩側(cè)。
[0029]上述方案中:
步驟I中，在制備摩擦薄膜10時要在摩擦薄膜背面做一層電極并引出導線，摩擦薄膜10直徑要略小于磁懸浮支撐架8中心的空腔的直徑，這是為了在步驟14組裝中將摩擦薄膜10沉入磁懸浮支撐架8中心的空腔內(nèi)。
[0030]步驟2中，制作的電磁感應線圈7和線圈支架6的厚度要保證相同。磁懸浮支撐架8制作時四周的放置懸浮固定磁鐵柱9的四個腔要保證依次間隔90度，且到中心的距離相同，這是為了懸浮磁鐵11和懸浮固定磁鐵柱9由于磁場的相互作用自動形成磁懸浮效果后磁鐵支架12能位于磁懸浮支撐架8空腔的中心，不與懸浮支撐架8的空腔內(nèi)壁接觸，影響懸浮磁鐵11靈敏度。
[0031]步驟4中，固定的兩個圓柱電極4位置要對齊，組裝后位置要正好將壓電層2夾住，這是為了避免壓電薄膜2在多次形變過程中造成固定部分松動。
[0032]步驟5中，兩根支撐梁5要錯位固定，這是為了在壓電薄膜4形變過程中減小阻力。
[0033]步驟6中，壓電薄膜2采用柔性壓電材料，例如PVDF制作，其上固定磁鐵片3，感應懸浮磁鐵11的振動使壓電材料發(fā)生形變。
[0034]步驟7中，固定壓電薄膜4的時候要保證磁鐵片3位于結(jié)構(gòu)的中心位置，這是為了能更好的感應懸浮磁鐵11的振動；磁極要與懸浮磁鐵11的磁極相對，這是為了利用磁場同極相斥原理感應振動，且可以保證整體結(jié)構(gòu)在上下倒置時候?qū)弘姳∧?的感應振動沒有影響。
[0035]步驟9中，放置摩擦薄膜要雙層順序放置，引出兩根導線。
[0036]步驟11中，在放置過程中要保持懸浮磁鐵11和懸浮固定磁鐵柱9磁極方向保持一致。這是為了在放置好以后懸浮磁鐵11和懸浮固定磁鐵柱9由于磁場的相互作用自動形成磁懸浮效果。
[0037]步驟13中，器件敏感元件懸浮磁鐵11采用磁懸浮方式，去掉了機械連接，提高了靈敏度。
[0038]本發(fā)明采用機械能的能量采集技術(shù)，利用磁懸浮原理使一塊較大的磁鐵懸浮起來作為微型能源采集器的敏感單元，提高了敏感部件的靈敏度，從而實現(xiàn)機械能的采集；同時，通過將具有互補工作模式的壓電、磁電、摩擦三種發(fā)電單元集成，從而實現(xiàn)對機械能的高效采集。由中間向兩側(cè)，采集器依次包含電磁鐵、摩擦薄膜、電磁感應線圈、壓電層和結(jié)構(gòu)基座，電磁層采用磁懸浮設(shè)計，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中敏感元件上面的機械連接，可以感應更微小的機械振動;壓電層采用了一端固定并連接電極，另一端錯位支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且利用磁場同極相斥的原理，感應敏感元件(懸浮磁鐵)的位移變化，使壓電薄膜發(fā)生形變。摩擦層采用疊放雙層膜的方式，利用懸浮磁鐵震動接觸摩擦層，在兩層摩擦膜之間感應電荷。而且本結(jié)構(gòu)采用對稱式設(shè)計，能更好的利用懸浮磁鐵的N極和S極兩個磁極，同時也增加了摩擦層和壓電層采集單元數(shù)量，提高了微型能源采集器的采集效率。
[0039]以上僅是本發(fā)明眾多具體應用范圍中的代表性實施例，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制，器件結(jié)構(gòu)不受球殼大小、緩沖層材料種類、線圈匝數(shù)、線圈個數(shù)、線圈在球殼上的布局、球殼劃分方式、壓電和摩擦材料的種類等限制，凡采用變換或是等效替換而形成的技術(shù)方案，均在權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:包括位于中部的磁懸浮支撐架(8)，所述磁懸浮支撐架(8)的邊緣四周的磁鐵放置腔內(nèi)放置懸浮固定磁鐵柱(9)，所述磁懸浮支撐架(8)的中心空腔內(nèi)放置磁鐵支架(12)，所述磁鐵支架(I2)內(nèi)固定懸浮磁鐵(11);所述磁懸浮支撐架(8 )的上下兩側(cè)分別設(shè)置摩擦薄膜(10)，所述摩擦薄膜(1 )的背面覆蓋一層電極并引出導線；上下兩層摩擦薄膜(10)分別固定于上下層的電磁感應線圈(7)上，每層電磁感應線圈(7)固定安裝于各自的線圈支架(6)中心并引出導線;所述線圈支架(6)固定安裝于結(jié)構(gòu)基座(I)上;所述結(jié)構(gòu)基座(I)內(nèi)固定安裝壓電薄膜(2)并引出導線，所述壓電薄膜(2)中心設(shè)置磁鐵片(3); 位于上下層的線圈支架(6)對稱固定安裝于磁懸浮支撐架(8)的兩側(cè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:所述壓電薄膜(2)的一側(cè)通過兩根支撐梁(5)固定、另一側(cè)通過兩個圓柱電極(4)固定;位于壓電薄膜(2)內(nèi)側(cè)的支撐梁(5)和圓柱電極(4)均與線圈支架(6)固連，位于壓電薄膜(2)外側(cè)的支撐梁(5)和圓柱電極(4)均與結(jié)構(gòu)基座(I)固連。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:兩根支撐梁(5)錯位固定;兩個圓柱電極(4)對齊固定。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:所述壓電薄膜(2)采用柔性壓電材料PVDF制作。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:所述磁懸浮支撐架(8)的邊緣同一圓周內(nèi)間隔90°設(shè)置四個磁鐵放置腔。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:所述摩擦薄膜(10)直徑小于磁懸浮支撐架(8)的中心空腔的直徑。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的摩擦-壓電-磁電復合式振動微能源采集器，其特征在于:所述電磁感應線圈(7)和線圈支架(6)的厚度相同。
【文檔編號】H02N1/04GK105915117SQ201610243461
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】何劍, 穆繼亮, 韓建強, 溫濤, 王二偉, 丑修建, 薛晨陽, 張文棟
【申請人】中北大學