專利名稱：一種交錯壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種俘能系統(tǒng)，具體涉及一種通過吸收環(huán)境中的振動能量通過壓電材料轉(zhuǎn)化為電能來對微電子器件進(jìn)行供電的具有較高實際功率密度的交錯壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，而構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的元素是安置在各種物件中的傳感器設(shè)備。傳統(tǒng)的為這些傳感器供電的方式是有線供電或電化學(xué)電池供電。有線供電雖然能保證器件所需能量的正常供給，但由于傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感單元的數(shù)量眾多，使得布線困難。傳統(tǒng)電化學(xué)電池的供電量會隨著時間的推移而逐漸減弱，因此只能在較短時間內(nèi)保證微器件的正常工作，其傳統(tǒng)的電池供能方式已逐漸不能滿足其發(fā)展需求， 通過吸取環(huán)境中的振動和噪聲能來為該類器件進(jìn)行供電的方法越來越受到關(guān)注。其中，壓電俘能器由于其較高且較穩(wěn)定的能量輸出和能量吸收效率成為最受推崇的俘能器件。壓電雙晶片梁型結(jié)構(gòu)由于其共振頻率相對其他更加接近環(huán)境振動的頻率，因此是壓電俘能器設(shè)計中的最常用的結(jié)構(gòu)之一。然而，傳統(tǒng)俘能器設(shè)計中的壓電雙晶片梁都采用的是同側(cè)分布或者是橫向分布，或沒有給出較具體的空間分布方案。壓電俘能器的使用對象是體積很小的各類微電子器件和傳感設(shè)備，因此在滿足輸出需求的前提下，其所占用的空間應(yīng)盡可能小。因此，Roundy等學(xué)者都以輸出能量密度作為壓電俘能器的重要性能指標(biāo)。輸出能量密度是單位體積的壓電俘能器所輸出的功率，然而壓電俘能結(jié)構(gòu)不是靜止的器件，其工作時是需要占用一定空間的。如果這個工作空間設(shè)置的過小，相鄰的兩個壓電體間就有可能發(fā)生碰撞，使得俘能系統(tǒng)發(fā)生故障，輸出功率降低，甚至完全報廢。典型壓電俘能系統(tǒng)的壓電雙晶片的一側(cè)嵌入外部支座壁中，另一端處于自由狀態(tài)，形成壓電雙晶片梁結(jié)構(gòu)。俘能器系統(tǒng)的設(shè)計中壓電雙晶片梁都采用的是同側(cè)分布或者是橫向分布，而為了保證各壓電器件之間的能夠正常工作而不相互發(fā)生碰撞，壓電元件之間就必須保證有一定的空間，對于傳統(tǒng)俘能系統(tǒng)而言，其安全空間需求量較大，降低了單位空間內(nèi)的俘能效率，即降低了其實際功率密度。然而實際功率密度對于壓電俘能系統(tǒng)這種微電子器件的能量源是相當(dāng)重要的指標(biāo)，因此急需一種有較高的實際功率密度的俘能系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種具有較高實際功率密度的交錯壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)。合理的評判一個壓電系統(tǒng)的輸出性能的指標(biāo)應(yīng)為實際輸出功率密度，即俘能系統(tǒng)的體積應(yīng)同時包括壓電體本身和安全工作間隙。本專利基于這一理念，提出了一種具有較高實際輸出功率密度的交叉分布壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，通過對壓電雙晶片梁進(jìn)行交叉分布能大幅度的提高俘能系統(tǒng)的實際功率密度。[0007]本實用新型是這樣實現(xiàn)的一種具有較高實際功率密度的交錯壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)，包括外部支座和壓電雙晶片梁；外部支座的作用是將環(huán)境振動源中的振動能量引入到俘能系統(tǒng)中，讓整個俘能裝置作垂直于水平面的豎直振動，同時也起到增強系統(tǒng)振動穩(wěn)定性和封裝的作用。壓電雙晶片梁是俘能系統(tǒng)中的主要俘能元件，將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能。壓電雙晶片梁由上下兩層從厚度方向極化的一對有相同幾何尺寸的壓電片，以及中間用以加強整體結(jié)構(gòu)的金屬層組成。壓電片的上下表面鍍有電極，電極通常選用導(dǎo)電性能較好的銀材質(zhì)。在使用過程中，浮能系統(tǒng)中的俘能結(jié)構(gòu)由多個壓電雙晶片梁串聯(lián)而成，其與傳統(tǒng)俘能器陣的重要區(qū)別在于，俘能結(jié)構(gòu)中相鄰的兩個壓電雙晶片梁分別布置在外部支座的左右兩側(cè)，而不是像傳統(tǒng)俘能系統(tǒng)中分布在同一側(cè)。即第m個壓電雙晶片梁的一端嵌入外部支座的左側(cè)壁，第m+1個壓電雙晶片梁的一端嵌入外部支座的右側(cè)壁。壓電雙晶片梁可通過導(dǎo)線串聯(lián)在一起，并與負(fù)載阻抗串聯(lián)。也可以采用其他的電路連接方式，如壓電雙晶片梁并聯(lián)后再與負(fù)載阻抗串聯(lián)，或者在單個壓電雙晶片梁與單個負(fù)載阻抗串聯(lián)后再與其他單個壓電雙晶片梁與單個負(fù)載阻抗的串聯(lián)電路并聯(lián)，以及其他的電路連接方式。壓電俘能器的供能對象是體積很小的各類微電子器件和傳感設(shè)備，因此在要求其提供盡可能大輸出功率的同時，要盡量節(jié)省空間占用。因此Roundy等學(xué)者都以輸出能量密度作為壓電俘能器的重要性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的壓電俘能器的功率密度定義為
權(quán)利要求1.一種交錯壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)，包括外部支座和位于外部支座內(nèi)部的壓電雙晶片梁，其特征在于相鄰的兩個壓電雙晶片梁分別布置在外部支座的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述俘能系統(tǒng)，其特征在于所述壓電雙晶片梁由上下兩層從厚度方向極化的一對有相同幾何尺寸的壓電片，以及中間用以加強整體結(jié)構(gòu)的金屬層組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述俘能系統(tǒng)，其特征在于所述壓電片的上下表面鍍有電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述俘能系統(tǒng)，其特征在于所述電極選用銀材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述俘能系統(tǒng)，其特征在于所述壓電雙晶片梁通過導(dǎo)線串聯(lián)在一起，并與負(fù)載阻抗串聯(lián)。
專利摘要本實用新型公開了一種具有較高實際功率密度的交錯壓電雙晶片梁型俘能系統(tǒng)，包括外部支座和位于外部支座內(nèi)部的壓電雙晶片梁，其特征在于相鄰的兩個壓電雙晶片梁分別布置在外部支座的兩側(cè)。本實用新型與現(xiàn)有的壓電俘能器相比具有以下優(yōu)點該俘能系統(tǒng)與傳統(tǒng)同側(cè)俘能系統(tǒng)相比，即使取材完全一致，其實際輸出功率密度比傳統(tǒng)俘能系統(tǒng)的在各激勵頻率下都有大幅的提高，尤其在俘能器最值得關(guān)注的共振區(qū)附近，其實際輸出功率密度提高了近一倍。
文檔編號H02N2/18GK202210762SQ201120354509
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者李榮鋒, 葛銳, 薛歡 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司