双晶串联式固支梁压电能量收集器 |
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| 申请号 | CN201810387918.4 | 申请日 | 2018-04-26 | 公开(公告)号 | CN108347197B | 公开(公告)日 | 2024-04-02 |
| 申请人 | 南京邮电大学; | 发明人 | 张焕卿; 陆颢瓒; 戴瑞萍; 王德波; | ||||
| 摘要 | 本 发明 是一种双晶 串联 式固支梁压电 能量 收集器， 能量收集 器是包括固支梁、介质层、 质量 块 、压电材料和 电极 及其互联线，固支梁中心下方为质量块，固支梁的两侧分别布置有压电材料，固支梁与压电材料之间填充介质层，电极之间直接相连或通过金属通孔相连，能量收集器包括P2上极板和P2’上极板两个输出端。本发明提出一种双晶串联方式的固支梁压 电能 量收集器，通过压电材料之间的串联，实现高 电压 输出,简化外部 电路 设计，因此该结构具有广阔的研究前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双晶串联式固支梁压电能量收集器，其特征在于：能量收集器是包括固支梁（1）、介质层（2）、质量块（5）、压电材料和电极（3）及其互联线，所述固支梁（1）中心下方为所述质量块（5），所述固支梁（1）的两侧分别布置有压电材料，所述固支梁（1）与所述压电材料之间填充所述介质层（2），所述电极（3）之间直接相连或通过金属通孔（6）相连，所述能量收集器还包括P2上极板和P2’上极板两个输出端，所述固支梁（1）的两侧分别布置有压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3、压电材料P4、压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3’和压电材料P4’共8个压电材料层，同一表面的压电材料层之间不相连，所述固支梁（1）的上侧压电材料P1和压电材料P1’的上极板直接相连，固支梁（1）下侧压电材料P3和压电材料P4下极板直接相连，压电材料P3’和压电材料P4’下极板直接相连，所述压电材料P1下极板通过金属通孔（6）与压电材料P4上极板相连，压电材料P1’下极板通过金属通孔（6）与压电材料P4’上极板相连，压电材料P2下极板通过金属通孔（6）与压电材料P3上极板相连，压电材料P2’下极板通过金属通孔（6）与压电材料P3’上极板相连，所述压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、压电材料P4’的极化方向一致且所述压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、压电材料P4’构成一组压电材料层，所述压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4的极化方向一致且所述压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4构成另一组压电材料层，两组压电材料层的极化方向相反，通过所述电学连接方式，最终以等效为压电材料P2’上极板为低电势，压电材料P2上极板为高电势的串联电路，在振动的激励下，最终以压电材料P2’上极板为地，压电材料P2上极板为输出的高电压交流电源，且梁上的串联方式能够简化外部电路的设计。 |
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| 说明书全文 | 双晶串联式固支梁压电能量收集器技术领域背景技术[0002] 能量收集器根据压电效应实现能量转换，将外界能量激励转化为电能，再向低功耗设备及传感器等提供稳定持续的电能。能量转化的原理有很多种，其中较为常用的机械能——电能转化方式是根据压电效应，利用压电材料设计成各种高效的能量收集器。近年来随着MEMS技术和特种材料的飞速发展，对MEMS固支梁结构有了深入的研究，使得MEMS固支梁技术应用于压电式能量收集器成为可能，而压电式能量收集器收集的是交流信号，低功耗设备的正常工作需要直流信号作为电源，因此在能量收集器后级电路中需要加入整流电流，一般整流电路需要用到二极管，信号经过二极管会产生一定的压降，若压电能量收集器的输出电压小于二极管的正向导通电压，则整流电路将没有输出。 发明内容[0003] 为了解决以上问题，本发明提出一种双晶串联方式的固支梁压电能量收集器，通过MEMS技术使能量收集器小型化、集成化，同时其梁上串联结构能够提高输出电压，简化外部电路设计。 [0004] 为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的： [0005] 本发明是一种双晶串联式固支梁压电能量收集器，能量收集器是包括固支梁、介质层、质量块、压电材料和电极及其互联线，固支梁中心下方为质量块，固支梁的两侧分别布置有压电材料，固支梁与压电材料之间填充介质层，电极之间直接相连或通过金属通孔相连，能量收集器还包括P2上极板和P2’上极板两个输出端。 [0006] 本发明的进一步改进在于：固支梁的两侧分别布置有压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3、压电材料P4、压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3’和压电材料P4’共8个压电材料层，同一表面的压电材料层之间不相连。 [0007] 本发明的进一步改进在于：固支梁的上侧压电材料P1和压电材料P1’的上极板直接相连，固支梁下侧压电材料P3和压电材料P4下极板直接相连，压电材料P3’和压电材料P4’下极板直接相连。 [0008] 本发明的进一步改进在于：压电材料P1下极板通过金属通孔与压电材料P4上极板相连，压电材料P1’下极板通过金属通孔与压电材料P4’上极板相连，压电材料P2下极板通过金属通孔与压电材料P3上极板相连，压电材料P2’下极板通过金属通孔与压电材料P3’上极板相连。 [0009] 本发明的进一步改进在于：压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、压电材料P4’的极化方向一致，压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4的极化方向一致，所述压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、压电材料P4’构成一组压电材料层，所述压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4构成另一组压电材料层，两组压电材料层的极化方向相反。 [0010] 本发明的进一步改进在于：介质层为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母介质层。 [0011] 本发明的进一步改进在于：压电材料为ZnO、PZT‑5系列或AlN的压电材料。 [0013] 本发明的进一步改进在于：质量块为镍、钴、铝或铜制成的质量块。 [0014] 本发明的进一步改进在于：电极为铂、金、铜、钛或铝制成的电极。 [0015] 本发明的有益效果是：1、本发明采用固支梁结构，具有较高的稳定性，容易通过微细加工实现等优点；2、本发明通过八块压电材料进行串联，能够实现高电压输出，具有可观的电压输出特性；3、本发明通过梁上集成，简化外部电路设计；4、本发明基于MEMS技术，具有MEMS的基本优点，如体积小、重量轻、功耗低，便于集成等具有很好的研究和应用价值。 [0016] 本发明利用固支梁上压电材料电极的电学连接实现了梁上所有压电材料的串联，大幅度提升输出电压，能够避免了输出电压过小无法通过整流电路的情况，同时简化了外部电路的设计。除此以外该能量收集器还具备良品率高，稳定性好等优点，主要用于能量收集器，低功耗设备，微型传感器的供电等领域。附图说明 [0017] 图1 是本发明的纵向剖面图。 [0018] 其中：1‑固支梁；2‑介质层；3‑电极；4‑压电材料；5‑质量块；6‑金属通孔。 具体实施方式[0019] 为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。 [0020] 如图1 所示，本发明是一种双晶串联式固支梁压电能量收集器，能量收集器是包括固支梁1、介质层2、质量块5、压电材料和电极3及其互联线，能量收集器以硅为衬底，在硅衬底上设置有固支梁桥墩、固支梁桥墩均与硅衬底连接；MEMS固支梁均通过两端的固支梁桥墩固定并悬空于硅衬底的上方，能量收集器采用固支梁结构，具有高稳定性、高良品率，外部电路设计简单等优点，所述固支梁1中心下方为所述质量块5，所述金属质量块用于降低谐振频率，增大固支梁位移，所述固支梁1的两侧分别布置有压电材料，所述固支梁1与所述压电材料之间填充所述介质层2，所述介质层用于隔离金属固支梁与压电材料层，所述电极3之间直接相连或通过金属通孔6相连，电极用于收集正压电效应产生的电荷，所述能量收集器还包括P2上极板和P2’上极板两个输出端，P2上极板为输出，P2’上极板接地，所述固支梁1的两侧分别布置有压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3、压电材料P4、压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3’和压电材料P4’共8个压电材料层，同一表面的压电材料层之间不相连，所述固支梁1的上侧压电材料P1和压电材料P1’的上极板直接相连，固支梁1下侧压电材料P3和压电材料P4下极板直接相连，压电材料P3’和压电材料P4’下极板直接相连，所述压电材料P1下极板通过金属通孔6与压电材料P4上极板相连，压电材料P1’下极板通过金属通孔6与压电材料P4’上极板相连，压电材料P2下极板通过金属通孔6与压电材料P3上极板相连，压电材料P2’下极板通过金属通孔6与压电材料P3’上极板相连，所述压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、压电材料P4’的极化方向一致，所述压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4的极化方向一致，所述压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、压电材料P4’构成一组压电材料层，所述压电材料P1’、压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4构成另一组压电材料层，两组压电材料层的极化方向相反，也就是说两组压电材料层的极化方向相反，所述介质层2为ZrO2、SiO2、Si3N4或云母介质层，所述压电材料为ZnO、PZT‑5系列或AlN的压电材料，所述固支梁1为铜、铝或钛制成的固支梁，压电材料层在外力作用下产生正压电效应，用于机械能‑电能转化，所述质量块5为镍、钴、铝或铜制成的质量块，所述电极3为铂、金、铜、钛或铝制成的电极。该构型能将整个固支梁的电压输出特性发挥到最大。 [0021] 以压电材料P1、压电材料P2、压电材料P3’、 压电材料P4’极化方向为Z轴正方向，压电材料P1’ 压电材料P2’、压电材料P3、压电材料P4极化方向为Z轴负方向为例，当结构受到Z轴正方向的作用力时，各压电材料相对电势如表1所示： [0022] 表1 各压电材料相对电势分布 [0023] P1 P2 P3 P4 P1’ P2’ P3’ P4’ 上极板 低电势 高电势 高电势 低电势 高电势 低电势 低电势 高电势 下极板 高电势 低电势 低电势 高电势 低电势 高电势 高电势 低电势 [0024] 通过上述电学连接方式，最终可以等效为P2’上极板为低电势，P2上极板为高电势的串联电路，在振动的激励下，最终可以视为以P2’上极板为地，P2上极板为输出的高电压交流电源，且梁上的串联方式能够简化外部电路的设计。 |
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