專利名稱：一種寬頻帶壓電振動發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電振動發(fā)電裝置。
技術(shù)背景近年來化石能源逐漸緊缺，由此造成的能源危機逐漸開始影響經(jīng)濟發(fā)展和人們生活。迫 于能源和環(huán)保的壓力，人們逐漸開始了利用新能源的探索，將自然環(huán)境中無處不在的振動轉(zhuǎn) 化為電能便是其中的一種。壓電材料的壓電效應(yīng)(機械能々電能)為利用機械振動發(fā)電提供 了可能。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)及微電子技術(shù)的發(fā)展，各種微功耗的電子產(chǎn)品逐漸面世，客觀 上促進了微能源(Micro Power, —般在微瓦和毫瓦量級)的研究。另一方面，將風能、太 陽能、核能等可再生能源微型化存在諸多困難。因此，利用壓電材料獲取環(huán)境振動實現(xiàn)發(fā)電 近來成為人們的關(guān)注熱點。綜觀壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)外的研究人員目前將主要精力集中于懸臂梁結(jié)構(gòu)， 比如W0 2007121092，描述了這種結(jié)構(gòu)，由金屬塊、壓電層、電極、壓電板等組成，如圖la 所示。這種結(jié)構(gòu)僅能工作在一種振動模式下，只能在一個諧振工作點發(fā)電效率最高，因此發(fā) 電量低，如圖lb所示。為了獲得較高效率，往往裝置的尺寸很大，不利于與微系統(tǒng)的集成。 中國專利CN 2745781提出了一種懸掛結(jié)構(gòu)，由壓電堆、彈簧和金屬塊構(gòu)成發(fā)電器件，用于 吸收汽車中的振動能量，但也只能針對某一頻率。美國專利US 6858970設(shè)計了一種采用MEMS 工藝制作的發(fā)電結(jié)構(gòu)，但懸臂梁的排布方式單一，沒有充分利用空間。美國專利US 7057330， 提出了一種寬頻帶壓電能量獲取裝置，采用多個彈簧(彈性原件)和金屬塊相聯(lián)結(jié)的方式將 外界振動轉(zhuǎn)化為電能。這種形式雖能達到寬頻發(fā)電的目的，但該裝置的整體結(jié)構(gòu)復雜，且系 統(tǒng)諧振頻率高實用性不強?？偨Y(jié)以上幾種結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，目前見諸報道的各種壓電振動發(fā)電系統(tǒng)大多集中于懸臂梁 和彈簧金屬塊兩種結(jié)構(gòu)。由于彈簧金屬塊結(jié)構(gòu)尺寸大，剛度高，因而諧振頻率高，另一方面 環(huán)境振動多屬于低頻振動，所以該結(jié)構(gòu)并不實用。而單一懸臂梁結(jié)構(gòu)，只能吸收某一頻率的 外界機械振動，發(fā)電效率低，應(yīng)用范圍較窄，不利于壓電發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服目前壓電振動發(fā)電技術(shù)工作模式單一、環(huán)境適應(yīng)能力差、不易微型 化等缺點，提出一種叉指型結(jié)構(gòu)的寬頻帶壓電發(fā)電裝置。本發(fā)明采甩多個不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的懸臂梁并行叉指SE排列.，實現(xiàn)了多個振動模式同時工作，進而擴大壓電發(fā)龜技術(shù)的應(yīng)用范圍， 提高環(huán)境適應(yīng)能力，增大發(fā)電效率。目前用于壓電發(fā)電的懸臂梁結(jié)構(gòu)為電極、壓電換能元件、電極三層疊加，壓電換能元件 位于上下兩層電極的中間位置，類似三明治結(jié)構(gòu)，其中懸臂梁的長度遠大于寬度和厚度，懸 臂梁的一端固定，另一端保持自由，自由端上附著金屬塊。為克服這種單一懸臂梁結(jié)構(gòu)的缺 點，本發(fā)明設(shè)計了將多個懸臂梁結(jié)構(gòu)集成為一體的形式，這些懸臂梁的長度、寬度和厚度不 同，采取叉指型排列方式，包括平面內(nèi)叉指排列和空間內(nèi)叉指排列。平面叉指型結(jié)構(gòu)排列方 式是將所有懸臂梁分為兩組，每組懸臂梁的一端統(tǒng)一固定于裝置兩側(cè)的支架上，與支架垂直， 另一端自蟲，兩組懸臂梁之間存在交叉部分，即兩組懸臂梁所在區(qū)域重疊迫梁與梁之間不接 觸，像人的十個手指頭可以在同一平面內(nèi)交叉排列一樣，這種結(jié)構(gòu)可以節(jié)約空間。空間叉指 型結(jié)構(gòu)方式則為將兩組懸臂梁分別固定于上下兩個平面，兩組懸臂梁之間存在交疊部分，即 兩組懸臂梁存在空間重疊區(qū)域，但梁與梁彼此不接觸。懸臂梁中的壓電換能元件為薄片狀， 壓電換能元件的長度遠大于寬度和厚度， 一般在十倍以上。壓電換能元件可采用多種壓電材 料制作，包括壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子聚合物和壓電薄膜等。壓電換能元件的極化 方式為橫向，即壓電換能元件在長度方向上發(fā)生伸縮時，其上下表面將產(chǎn)生電荷。懸臂梁中 的壓電換能元件與電極相間排列，壓電換能元件始終置于上下兩電極之間，形成兩個電極和 一個壓電換能元件的電極-壓電換能元件-電極結(jié)構(gòu)；或三個電極和兩個壓電換能元件，其中 一個壓電換能元件位于上表面電極和中間電極之間，另一個壓電換能元件位于中間電極和下 表面電極之間，形成電極-壓電換能元件-電極-壓電換能元件-電極結(jié)構(gòu)；或由更多個壓電換 能元件和電極組成懸臂梁，但電極數(shù)量始終比壓電換能元件數(shù)量多一個，壓電換能元件和電 極二者相間排列，且壓電換能元件處于兩個電極之間。各個懸臂梁上附著的金屬塊質(zhì)量可以 不同，但金屬塊始終位于電極和壓電換能元件構(gòu)成的懸臂梁的自由端。本發(fā)明中的多懸臂梁結(jié)構(gòu)可用微細加工技術(shù)，如表面微加工技術(shù)和體微加工技術(shù)加工制 作，以實現(xiàn)與微系統(tǒng)和微器件的集成。同時也可以應(yīng)用傳統(tǒng)工藝方法，如切割、粘接、燒結(jié) 等，制作成大尺寸結(jié)構(gòu)，以增大發(fā)電量。由于各個懸臂梁的尺寸及懸臂梁上附著金屬塊質(zhì)量不一樣，因此本發(fā)明所設(shè)計的裝置具 有多個諧振工作點，可吸收外界振源中多個振動頻率的機械振動，并轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)寬頻 帶壓電發(fā)電。另外，本發(fā)明的優(yōu)點在于可以通過叉指型并行排列多個懸臂梁以充分利用空間， 實現(xiàn)有限空間內(nèi)發(fā)電效率的最大化。
以下結(jié)合附圖
和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖la為現(xiàn)有技術(shù)單懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖lb為對應(yīng)圖la所示結(jié)構(gòu)的發(fā)電量-頻率曲線；圖2a為平面內(nèi)叉指型多懸臂梁結(jié)構(gòu)的X-Y平面示意圖；圖2b為對應(yīng)圖2a所示結(jié)構(gòu)的發(fā)電量-頻率曲線；圖3為具有雙層壓電換能元件的懸臂梁結(jié)構(gòu)；圖4為寬頻壓電振動發(fā)電裝置(平面叉指結(jié)構(gòu))的三維結(jié)構(gòu)圖；圖5為空間內(nèi)多懸臂梁的叉指型結(jié)構(gòu)排列。
具體實施方式
圖la描述了現(xiàn)有技術(shù)單懸臂梁L的結(jié)構(gòu)，單懸臂梁L包括壓電換能元件14、引線ll、 金屬塊12、正電極13和負電極15，壓電換能元件14和兩個電極13和15三者疊層排列， 壓電換能元件14位于正電極13和負電極15中間，類似三明治結(jié)構(gòu)。引線11處于懸臂梁L 的固定端，分別用于導出正負電荷，金屬塊12處于懸臂梁L的自由端，以在振動時使單懸 臂梁L產(chǎn)生最大振幅。圖lb為圖la所示的單懸臂梁發(fā)電量-頻率曲線，橫軸表示外界振動 的頻率，豎軸表示懸臂梁的發(fā)電量。需要說明的是，懸臂梁的諧振頻率由懸臂梁L本身的尺 寸(長、寬、厚)、材料以及金屬塊12的質(zhì)量決定，與外界環(huán)境無關(guān)。當該懸臂梁L處于振 動環(huán)境中，懸臂梁將發(fā)生振動，壓電換能元件14通過壓電效應(yīng)將機械振動轉(zhuǎn)化為電能，并 通過引線ll把電能導出。當外界振動頻率等于諧振頻率fV時，懸臂梁L的振幅達到最大， 壓電換能元件14的變形亦最大，此時發(fā)出最大電量V。圖2a為本發(fā)明平面內(nèi)叉指型多懸臂梁結(jié)構(gòu)的X-Y平面示意圖，該結(jié)構(gòu)中具有L、 L2、 L3……等多個懸臂梁，這些懸臂梁尺寸、結(jié)構(gòu)、壓電換能元件材料、金屬塊質(zhì)量不同，因此 分別具有不同的諧振頻率。將該裝置放置于某一具有多個頻率的復雜振動環(huán)境中，環(huán)境中的振動將誘發(fā)裝置中的多個懸臂梁產(chǎn)生諧振，壓電換能元件遂通過壓電效應(yīng)將機械振動轉(zhuǎn)化為 電能。圖2b為對應(yīng)圖2a所示結(jié)構(gòu)的發(fā)電量-頻率曲線，橫軸表示外界振動的頻率，豎軸表 示懸臂梁的發(fā)電量。fkl、 fk2、 &……為分別對應(yīng)圖2a中的懸臂梁L,、 L2、 L3……的諧振頻率， 當外界環(huán)境具有fw、 fk2、 fk3……等頻率分量時，圖2a所示結(jié)構(gòu)中所有的梁均處于諧振狀態(tài)， 此時總發(fā)電量為V-^+Va+V^ 。圖3所示為具有雙壓電換能元件的懸臂梁結(jié)構(gòu)，包括2個壓電換能元件34和36，上表 面電極33，中間電極35，下表面電極37，金屬塊32,引線31。其中電極和壓電換能元件相 間排列，三個電極33、 34和35分別位于該懸臂梁的上下表面和中間位置，壓電換能元件34 位于上表面電極33和中間電極35之間，壓電換能元件36位于中間電極35和下表面電極37 之間。引線31處于懸臂梁的倒定端，金屬塊32處于懸臂粱的自由端。圖4為對應(yīng)圖2所示的的平面叉指型多懸臂梁結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖，包括外界振源41，裝 置外殼42，固定懸臂梁結(jié)構(gòu)的支架43，以及該發(fā)電裝置中的懸臂梁L,、 L2、 L3……。所有的 懸臂梁L1、 L2、 L3……分為兩組，每組懸臂梁的一端均固定在裝置兩側(cè)的支架43上，另一 端保持自由，平面內(nèi)懸臂梁與懸臂梁之間保持平行，兩組懸臂梁之間存在交叉部分，即兩組 懸臂梁所在區(qū)域重疊但梁與梁之間不接觸，形成類似人的十個手指頭互相交叉排列的形狀。 在外界振源的激勵下，該結(jié)構(gòu)中的多個懸臂梁發(fā)生諧振，相應(yīng)的懸臂梁端部振幅最大，壓電 換能元件的形變量最大，因此換能元件上下側(cè)的電極上出現(xiàn)的電荷量最多，發(fā)電效率最高， 將這些電荷通過引線導出至儲能元件，完成發(fā)電過程。在上述發(fā)電過程中，該裝置吸收了外 界多個頻率的振動分量，實現(xiàn)了寬頻帶壓電振動發(fā)電。圖5為空間內(nèi)多個懸臂梁的叉指型排列結(jié)構(gòu)，包括支架51、叉指排列52、上平面53、 下平面54、懸臂梁55和金屬塊56。懸臂梁的數(shù)量可根據(jù)空間大小及振源情況確定，所有的 懸臂梁分為2組，數(shù)量基本相同，每組懸臂梁的一端固定于裝置的上平面53和下平面54， 另一端自由，金屬塊56均附著于自由端，兩組懸臂梁之間存在交疊區(qū)域，即兩組懸臂梁存 在空間重疊區(qū)域，但梁與梁彼此不接觸。壓電換能元件和電極的位置與排列方式與圖l或圖 3所示的結(jié)構(gòu)相同。該結(jié)構(gòu)有利于在有限空間內(nèi)有效吸收振動，有利于與其他器件進行集成。 工作原理與平面內(nèi)的叉指結(jié)構(gòu)類似。綜上所述，可見本發(fā)明叉指型多懸臂梁結(jié)構(gòu)的發(fā)電方式工作頻域?qū)挘晌窄h(huán)境中的多 個頻率的機械振動分量，發(fā)電量較單一懸臂梁結(jié)構(gòu)明顯增大，大大增強了壓電發(fā)電技術(shù)的實 用性。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于野外通訊與傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、環(huán)境與氣候變化監(jiān)測控制、建筑物(橋 梁、樓宇等)和大型機械(飛行器、輪船等)的結(jié)構(gòu)健康控制、智能武器裝備等需要能源自 治的領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1. 一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置，包括外界振源(41)，裝置外殼(42)，固定懸臂梁結(jié)構(gòu)的支架(43)，懸臂梁L、壓電換能元件(14)、引線(11)、金屬塊(12)和電極(13、15)；壓電換能元件和電極組成懸臂梁L，電極和壓電換能元件相間排列，引線(11)處于懸臂梁L的固定端，金屬塊(12)處于懸臂梁L的自由端，其特征是多個懸臂梁L1、L2、L3……分為兩組，每組懸臂梁的一端固定，另一端保持自由，懸臂梁與懸臂梁之間保持平行，兩組懸臂梁之間存在交叉部分；懸臂梁L1、L2、L3……具有不同的尺寸和結(jié)構(gòu)，壓電換能元件的制作材料不同，其上附著的金屬塊的質(zhì)量不同。
2、 如權(quán)利要求l所述的寬頻帶壓電發(fā)電裝置，其特征是兩組懸臂梁L、 L2、 L3……的 一端固定于裝置兩側(cè)的支架(43)上，呈平面內(nèi)叉指結(jié)構(gòu)排列，或固定于裝置的上平面(53) 和下平面(54)，呈空間內(nèi)叉指結(jié)構(gòu)排列。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的寬頻帶壓電發(fā)電裝置，其特征是壓電換能元件(14)置 于上下兩電極(13、 15)之間，形成電極-壓電換能元件-電極結(jié)構(gòu)；或三個電極(33、 35、 37)和兩個壓電換能元件(34、 36)，壓電換能元件(34)位于上表面電極(33)和中間電 極(35)之間，壓電換能元件(36)位于中間電極(35)和下表面電極(37)之間，形成電 極-壓電換能元件-電極-壓電換能元件-電極結(jié)構(gòu)；或由更多個壓電換能元件和電極組成懸臂 梁，電極數(shù)量比壓電換能元件數(shù)量多一個，壓電換能元件和電極二者相間排列，且壓電換能 元件處于兩個電極之間。
全文摘要
一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置，多個懸臂梁L₁、L₂、L₃……分為兩組，每組懸臂梁的一端固定，另一端保持自由，懸臂梁之間保持平行，兩組懸臂梁之間存在交叉部分。其中懸臂梁由壓電換能元件(34、36)、引線(31)、金屬塊(32)和電極(33、35、37)組成，電極和壓電換能元件相間排列，引線(31)處于懸臂梁的固定端，金屬塊(32)處于懸臂梁的自由端。懸臂梁L₁、L₂、L₃……的尺寸和結(jié)構(gòu)不同，壓電換能元件的制作材料不同，金屬塊的質(zhì)量不同，因而每個梁的諧振頻率不同。兩組懸臂梁L₁、L₂、L₃……呈平面內(nèi)叉指結(jié)構(gòu)排列或空間內(nèi)叉指結(jié)構(gòu)排列。本發(fā)明可吸收環(huán)境中多個頻率分量的機械振動或噪聲，由壓電換能元件實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)化，以增大發(fā)電量，提高發(fā)電效率。
文檔編號H02N2/18GK101272109SQ20081010604
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者劉俊標, 楠 姜 申請人:中國科學院電工研究所