一種壓電懸臂梁俘能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電懸臂梁俘能器，包括壓電振子，所述壓電振子包括多個相同的在同一平面依次連接的壓電振子單元，除去首尾兩個壓電振子單元后其它任意一個壓電振子單元的兩個端部，其中一個端部與相鄰的其中一個壓電振子單元位于同一側(cè)的端部固定連接，另一個端部與另一個相鄰的壓電振子單元位于同一側(cè)的端部固定連接，所述壓電振子單元每隔一個互相平行，首尾兩個壓電振子單元空出的兩個端部，其中一個端部作為所述壓電振子的固定端，另一個端部作為所述壓電振子的自由端。本發(fā)明通過增加矩形或梯形的個數(shù)，能夠有效的降低壓電懸臂梁俘能器的各階諧振頻率，擴大共振頻率帶寬，從而使其適應環(huán)境振動源的頻率變化，提高輸出功率。
【專利說明】一種壓電懸臂梁俘能器
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子器件供電，特別是涉及一種在低頻率帶寬下提高輸出功率的壓電懸臂梁俘能器，屬于將環(huán)境振動源振動所產(chǎn)生的機械能的能量轉(zhuǎn)化為電能并收集供微電子器件使用的【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著微機械加工技術(shù)、微電子技術(shù)以及無線技術(shù)的不斷提高，諸如射頻識別系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡以及各種可植入微型傳感器之類的電子產(chǎn)品快速進入集成化、微型化和低功耗時代。然而，傳統(tǒng)的化學電池因存在體積大，壽命短、存儲能量有限以及帶來環(huán)境污染等各種不利因素，已經(jīng)很難滿足微器件的供能需求。因此，新的供電技術(shù)研究已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
[0003]環(huán)境能量獲取技術(shù)逐漸發(fā)展成為一項新的技術(shù)理念。機械動能、光能、熱能等等都是環(huán)境中可以采集的能量來源，其中機械動能較為廣泛的存在于自然環(huán)境中，且不像光能、熱能等受到自然條件的限制，所以將環(huán)境中的動能直接轉(zhuǎn)換成低功耗微型器件的供能能源具有廣闊的應用前景。
[0004]對此國內(nèi)外學者廣泛開展了無線傳感器的自供能技術(shù)研究，其中，從環(huán)境振動中取能一直是國內(nèi)外研究的重點，而基于壓電效應的環(huán)境振動俘能方法具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾等優(yōu)點，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。壓電式能量捕獲裝置采用的振動支撐結(jié)構(gòu)有懸臂梁結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、拔型結(jié)構(gòu)、螺旋裝結(jié)構(gòu)等。其中傳統(tǒng)的壓電懸臂梁是俘能裝置中最常用的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但是其缺點是降低諧振頻率是通過增加長度和加質(zhì)量塊實現(xiàn)的。長度過長不利于微型化；加質(zhì)量塊后雖然降低了頻率，但由于自由端帶有質(zhì)量塊，在振動源長期振動帶動下可能會引起壓電陶瓷片的斷裂，降低壓電俘能器的使用壽命；現(xiàn)有壓電俘能器多為固定頻率的器件，而環(huán)境振動源的頻率可能在某一頻率范圍內(nèi)時刻變化，同一個環(huán)境振動源可能還包含多個振動頻率峰值，另外，由于外部環(huán)境的溫度、引力等因素的影響，環(huán)境振動源的頻率可能發(fā)生變化，這時壓電俘能器的諧振頻率與環(huán)境振動源的頻率不能相匹配，俘能結(jié)構(gòu)俘獲的能量就會非常低，其輸出功率也會大幅度減少，很難提供需要的電能保證微電子器件的正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種能夠與環(huán)境振動源的頻率相匹配的壓電懸臂梁俘能器，提高俘能結(jié)構(gòu)俘獲能量的水平。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種壓電懸臂梁俘能器，包括壓電振子，所述壓電振子包括多個相同的在同一平面依次連接的壓電振子單元，除去首尾兩個壓電振子單元后其它任意一個壓電振子單元的兩個端部，其中一個端部與相鄰的其中一個壓電振子單元位于同一側(cè)的端部固定連接，另一個端部與另一個相鄰的壓電振子單元位于同一側(cè)的端部固定連接，所述壓電振子單元每隔一個互相平行，首尾兩個壓電振子單元空出的兩個端部，其中一個端部作為所述壓電振子的固定端，另一個端部作為所述壓電振子的自由端。
[0008]優(yōu)選的，所述壓電振子單元為矩形。
[0009]優(yōu)選的，所述壓電振子單元為梯形。
[0010]優(yōu)選的，所述壓電振子的材料為壓電陶瓷片，且壓電振子的厚度為10-100 μ m。
[0011]優(yōu)選的，所述壓電振子單元的個數(shù)為4-14個。
[0012]進一步的，壓電懸臂梁俘能器還包括第一?第二級電極、基片，所述第一級電極固定在所述壓電振子的上表面，所述壓電振子的下表面與所述第二級電極的上表面固定，所述基片固定在所述第二級電極的下表面。
[0013]優(yōu)選的，所述第一?第二級電極由含銀的混合物、鎳、鈦鉬合金或鋁制成，且第一?第二級電極的厚度為100-500nm。
[0014]優(yōu)選的，所述基片由銅片制成，且基片的厚度為10-100μπι。
[0015]優(yōu)選的，所述基片與所述第二級電極的下表面之間用粘合劑固定，且粘合劑的厚度為 3-10 μ m。
[0016]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0017]1、本發(fā)明的壓電懸臂梁俘能器通過增加矩形或梯形的個數(shù)，能夠有效的降低壓電懸臂梁俘能器的各階諧振頻率，擴大共振頻率帶寬，從而使其適應環(huán)境振動源的頻率變化，提高輸出功率；
[0018]2、本發(fā)明的壓電懸臂梁俘能器降低了長期振動而引起斷裂的可能性，延長了其使用壽命，并在一定程度上達到結(jié)構(gòu)的微小化、集成化的要求；
[0019]3、本發(fā)明的壓電懸臂梁俘能器結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明壓電懸臂梁俘能器第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明壓電懸臂梁俘能器第一實施例的壓電振子的俯視圖。
[0022]圖3是本發(fā)明壓電懸臂梁俘能器第三實施例的壓電振子的俯視圖。
[0023]其中:1為壓電振子,2為基片,3為第一級電極,4為第二級電極,5為固定座,6為粘合劑，7為上底，8為下底。
[0024]圖4(a)、4(b)、4(c)、4(d)分別是ANSYS對4、6、8、10個梯形構(gòu)成的壓電振子的單晶壓電懸臂梁俘能器的靜態(tài)分析仿真圖。
[0025]圖5是ANSYS對10個梯形構(gòu)成的壓電振子的單晶壓電懸臂梁俘能器的諧響應分析圖。
【具體實施方式】
[0026]下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0027]本【技術(shù)領域】技術(shù)人員可以理解的是，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。
[0028]本【技術(shù)領域】技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一種的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0029]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的與環(huán)境振動源的頻率不能相匹配的缺點，通過降低壓電懸臂梁俘能器的一階、二階、三階諧振頻率，擴大共振頻率帶寬，從而使其與環(huán)境振動源的頻率相匹配，提高輸出功率，從而提高俘能結(jié)構(gòu)俘獲的能量。
[0030]實施例一
[0031]如圖1、圖2所示，為本發(fā)明壓電懸臂梁俘能器第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖和壓電振子的俯視圖，包括壓電振子1、基片2、第一級電極3、第二級電極4和固定座5，這里的壓電振子I是由多個梯形依次固定連接成的類似弓字形結(jié)構(gòu)，圖2中梯形個數(shù)為10個。第一級電極3和第二級電極4的方向相反，第一級電極3和第二級電極4分別固定于壓電振子I的上下表面，用粘合劑6將第二級電極4與基片2粘住，基片2的作用一是避免壓電振子I發(fā)生斷裂，二是可以降低諧振頻率，三是方便電極引出。定義整個弓字形結(jié)構(gòu)的寬度較寬的一端為下底8，另一端為上底7，下底8固定在固定座5上，上底7自由振動，且固定座5與振動源相連，從而使該結(jié)構(gòu)的壓電懸臂梁俘能器發(fā)生振動，將輸出的交流電壓經(jīng)過整流濾波得到直流電壓，通過儲能電路儲存，最后將電能運用到實際的場合中。
[0032]實施例二
[0033]第二種情況的結(jié)構(gòu)與實施例一中的結(jié)構(gòu)相同，壓電振子也是由多個梯形依次固定連接成的類似弓字形結(jié)構(gòu)，只是上底7固定在固定座5上，而下底8自由振動。
[0034]實施例三
[0035]第三種情況的結(jié)構(gòu)與實施例一中的結(jié)構(gòu)相同，如圖3所示，為該實施例中壓電振子的俯視圖。壓電振子是由多個矩形依次固定連接成的類似弓字形結(jié)構(gòu)，固定座固定在任意一端均可。
[0036]實施例四
[0037]雙晶壓電懸臂梁俘能器包括兩個壓電振子、基片、第一級電極、第二級電極和固定座，雙晶壓電振子相對于單晶壓電振子只多了一個壓電振子，因此雙晶壓電懸臂梁俘能器的結(jié)構(gòu)是在圖1的基礎上在基片2的下表面再固定一個壓電振子1，其他結(jié)構(gòu)與實施例一相同，寬度較寬的一端固定在固定座上，寬度較窄的一端自由振動。
[0038]實施例五
[0039]第五種情況的結(jié)構(gòu)與實施例四的結(jié)構(gòu)相同，只是寬度較窄的一端固定在固定座上，寬度較寬的一端自由振動。
[0040]實施例六
[0041]第六種情況的結(jié)構(gòu)與實施例四的結(jié)構(gòu)相同，只是壓電振子是由多個矩形固定連接成的類似弓字形結(jié)構(gòu)，固定座固定在任意一端均可。
[0042]上面所有實施例中，壓電振子的材料可以為壓電陶瓷片，且壓電振子的厚度為10-100 μ m較佳；第一~第二級電極由含銀的混合物、鎳、鈦鉬合金或鋁制成，且第一~第二級電極的厚度為100-500nm較佳；金屬基片由銅片制成，且其厚度為IO-1OOym較佳；所用粘合劑為環(huán)氧膠，且粘合劑的厚度為3-10 μ m較佳；矩形或梯形的個數(shù)為4-14個，通過增加矩形或梯形的個數(shù)來達到降低壓電懸臂梁俘能器的各階諧振頻率，從而使它在環(huán)境中達到寬頻的效果，提高其輸出功率，俘能效果較好。
[0043]如圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)所示，是用ANSYS對4、6、8、10個梯形構(gòu)成的壓電振子的單晶壓電懸臂梁俘能器的靜態(tài)分析仿真圖，4、6、8、10個梯形構(gòu)成的壓電振子在笛卡爾坐標系，仿真所得的最大位移值分別為0.26mm、0.47mm、0.77mm、l.19mm。從圖中可以看出，隨著矩形或梯形個數(shù)的增加，其應變分布越來越均勻，且自由端的最大位移值分別為
0.26mm、0.47mm、0.77mm、l.19mm，即壓電方程應變分布與所獲得的電壓成正比，獲得的電能也在不斷增加。
[0044]下表中是4、6、8、10個梯形構(gòu)成的壓電振子的單晶壓電懸臂梁俘能器的一階、二階、三階諧振頻率。將表格顯示的一階、二階、三階固有頻率進行比較，可以發(fā)現(xiàn)各階的固有頻率隨著梯形個數(shù)的增加得到了有效的降低，所以梯形的個數(shù)增加有利于在環(huán)境中達到寬頻的效果。
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種壓電懸臂梁俘能器，包括壓電振子，其特征在于:所述壓電振子包括多個相同的在同一平面依次連接的壓電振子單元，除去首尾兩個壓電振子單元后其它任意一個壓電振子單元的兩個端部，其中一個端部與相鄰的其中一個壓電振子單元位于同一側(cè)的端部固定連接，另一個端部與另一個相鄰的壓電振子單元位于同一側(cè)的端部固定連接，所述壓電振子單元每隔一個互相平行，首尾兩個壓電振子單元空出的兩個端部，其中一個端部作為所述壓電振子的固定端，另一個端部作為所述壓電振子的自由端。
2.如權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述壓電振子單元為矩形。
3.如權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述壓電振子單元為梯形。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述壓電振子的材料為壓電陶瓷片。
5.如權(quán)利要求1-3任一項所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述壓電振子的厚度為 10-100 μ m。
6.如權(quán)利要求1-3任一項所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述壓電振子單元的個數(shù)為4-14個。
7.如權(quán)利要求1-3任一項所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:還包括第一?第二級電極、基片，所述第一級電極固定在所述壓電振子的上表面，所述壓電振子的下表面與所述第二級電極的上表面固定，所述基片固定在所述第二級電極的下表面。
8.如權(quán)利要求7所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述第一?第二級電極由含銀的混合物、鎳、鈦鉬合金或鋁制成。
9.如權(quán)利要求7所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述第一?第二級電極的厚度為 100_500nm。
10.如權(quán)利要求7所述壓電懸臂梁俘能器，其特征在于:所述基片的厚度為10-100μ m。
【文檔編號】H02N2/18GK103944448SQ201410143473
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】江兵, 陳紅, 許曉慧, 王強, 袁帥, 曹昆, 陳麗娟 申請人:南京郵電大學