專利名稱：一種振動(dòng)能量收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)能量收集器，屬于電子器件、新型能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在日常生活中，對(duì)于小型便攜式電子設(shè)備(例如手機(jī)、MP4等)而言，如果不需要定時(shí)充電，那么一定會(huì)給人們帶來(lái)極大方便。在工業(yè)領(lǐng)域中，為遠(yuǎn)距分布式無(wú)線微傳感器件提供能源是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題，這是由于傳統(tǒng)的基于電池或者電池組的能量供給方法伴隨著許多問(wèn)題，其中最重要的一個(gè)是一旦電池能量耗盡，逐一替換它們是不可能的?；谏鲜隹紤]，電子設(shè)備的能源即時(shí)供給問(wèn)題業(yè)已成為全球科學(xué)界和技術(shù)界努力的方向。注意至IJ，周?chē)h(huán)境中遍布能量源，例如電磁能量、太陽(yáng)能、熱能和機(jī)械能等，如果能以合理的方式收集這些能量加以利用，將可以解決前述小型便攜式電子設(shè)備以及無(wú)線微傳感器件的能量供給問(wèn)題。太陽(yáng)能的利用已經(jīng)如火如荼地展開(kāi)，但是它必然要求充足的光照環(huán)境，對(duì)于埋入式器件而言，這個(gè)條件是不可能滿足的。由于機(jī)械振動(dòng)在周?chē)h(huán)境中普遍存在，機(jī)械振動(dòng)的利用幾乎不受任何環(huán)境限制，因此越來(lái)越受到人們的重視。通過(guò)一定的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)于振動(dòng)能量的收集，這就是所謂的振動(dòng)能量收集。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的振動(dòng)能量收集器件是懸臂式壓電梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)選用基頻最低的懸臂約束方式，并通過(guò)在自由端配置集中質(zhì)量進(jìn)一步降低基頻。這樣的結(jié)構(gòu)只能收集外界環(huán)境中特定頻率的能量。然而，周?chē)h(huán)境振動(dòng)一般為隨機(jī)振動(dòng)，能量分布在很寬的頻帶上。為了能夠收集各個(gè)頻率的能量，人們制作了懸臂結(jié)構(gòu)陣列，陣列中的各單元具有不同的長(zhǎng)度和/或端部配重，各單元具有不同的基頻。 對(duì)于不同的激勵(lì)頻率，陣列中不同的單元發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)頻率能量的收集。上述振動(dòng)能量收集器的缺點(diǎn)包括由于幾何等因素的約束，自由端配重的方式無(wú)力將其基頻降到很低；該器件是完全剛性的，不具有任何柔性，這極大地限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)能量收集器，使其能夠收集包括超低頻在內(nèi)的寬頻帶振動(dòng)能量，可為小型便攜式電子設(shè)備及無(wú)線微傳感器件等提供即時(shí)能量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述的振動(dòng)能量收集器包括帶狀薄膜、帶有上下電極的壓電陶瓷片和柔性基體；所述的柔性基體的表面帶有斑圖，該斑圖由至少一個(gè)斜槽組成，斜槽的寬度呈漸變狀，斜槽按同一方向或相反方向排列；在基體表面平行設(shè)置多條帶狀薄膜，帶狀薄膜的軸線與槽的中心線垂直；每條帶狀薄膜橫跨于斜槽上的部分構(gòu)成一個(gè)兩端固定梁；每條帶狀薄膜形成的兩端固定梁的個(gè)數(shù)等于斜槽的個(gè)數(shù)；在每個(gè)梁中部的上表面或下表面設(shè)置壓電陶瓷片，或在每個(gè)兩端固定梁中部的上下表面均設(shè)置帶上下電極的壓電陶瓷片。本發(fā)明所述的柔性基體采用高分子聚合物，高分子聚合物的彈性模量比帶狀薄膜的彈性模量至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果傳統(tǒng)的具有端部配重的懸臂式壓電梁結(jié)構(gòu)，由于幾何等因素的約束其基頻不能降到很低，而本發(fā)明合理利用了軸向受壓兩端固支薄膜的動(dòng)態(tài)特性，可以將基頻降到極低，甚至于零；傳統(tǒng)的懸臂式振動(dòng)能量收集器基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)制成，因而是完全剛性的，而本發(fā)明由于借鑒了柔性電子的思路，引進(jìn)了柔性基體，因而具有一定的柔性，有效拓展了其應(yīng)用范圍。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖(外觀立體圖)。圖中的斜槽及帶狀薄膜僅為示例， 二者的數(shù)目可以根據(jù)柔性基體的大小適當(dāng)選取。圖2是帶有同向布置斜槽的柔性基體俯視圖。圖3是帶有反向布置斜槽的柔性基體俯視圖。圖中1-帶狀薄膜；2-壓電陶瓷片；3-柔性基體；4-斜槽；5-兩端固定梁。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和制備方法進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為本發(fā)明提高的振動(dòng)能量收集器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，它包括帶狀薄膜1、帶上下電極的壓電陶瓷片2和表面帶有斑圖的柔性基體3。斑圖由至少一個(gè)斜槽4組成，斜槽的寬度呈漸變狀，斜槽按同一方向或相反方向排列(參見(jiàn)圖2、圖3)。圖中的斜槽及帶狀薄膜僅為示例，二者的數(shù)目可以根據(jù)柔性基體的大小適當(dāng)選取。在基體表面平行設(shè)置多條帶狀薄膜，帶狀薄膜的軸線與槽的中心線垂直；每條帶狀薄膜橫跨于斜槽上的部分構(gòu)成一個(gè)兩端固定梁；每條帶狀薄膜形成的兩端固定梁個(gè)數(shù)等于斜槽的個(gè)數(shù)；在每個(gè)兩端固定梁中部的上表面或下表面設(shè)置壓電陶瓷片2，或在每個(gè)兩端固定梁的上下表面均設(shè)置壓電陶瓷片。所述的柔性基體采用高分子聚合物，高分子聚合物的彈性模量比帶狀薄膜的彈性模量至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如常用的有聚二甲基硅氧烷 (PDMS)和聚酰亞胺(PI)等有機(jī)高分子聚合物。記帶狀薄膜的厚度為力，寬度為力，長(zhǎng)度為I。斜槽上表面的特征尺寸為4，4和6， 斜槽的深度為『，相鄰斜槽之間的距離為&。理論分析表明，受到軸向壓縮的兩端固定梁具有奇特的動(dòng)態(tài)特性軸向壓縮載荷的適當(dāng)變化可以大幅改變梁的基頻。軸向壓縮應(yīng)變從零開(kāi)始逐漸增大，梁的基頻迅速下降； 當(dāng)軸向壓縮應(yīng)變達(dá)到兩端固定梁的臨界屈曲應(yīng)變時(shí)，梁的基頻退化為零；隨著軸向壓縮應(yīng)變的進(jìn)一步增大，梁的基頻又快速上升。這里的臨界屈曲應(yīng)變指的是在軸向加載過(guò)程中， 存在著使得兩端固定梁的構(gòu)型由平直突變?yōu)榉瞧街钡呐R界應(yīng)變值。臨界屈曲應(yīng)變由結(jié)構(gòu)的
約束和幾何尺寸決定。對(duì)于長(zhǎng)度為&的兩端固定梁，其臨界應(yīng)變?yōu)?amp;=0^/4)2>。在器件
的制備過(guò)程中，可以采用薄膜與柔性基體之間的熱失配，對(duì)所有的帶狀薄膜施加相同的壓
縮應(yīng)變Cb =Ci。對(duì)同一個(gè)斜槽而言，一系列帶狀薄膜所形成的兩端固定梁的跨度各不相同，
在帶狀薄膜布置足夠密的情況下，梁的跨度沿著斜槽的中心線方向由4,析變到4。這一系列
長(zhǎng)度漸變的固定梁，由于各自的臨界屈曲應(yīng)變不同，在相同的應(yīng)變&作用下的固有頻率也各不相同。所以在應(yīng)變《b作用下，這一系列梁的基頻覆蓋了一個(gè)較寬的頻段，并且包括零頻
在內(nèi)。將該器件放置在工作環(huán)境中，環(huán)境中不同頻率的振動(dòng)將激發(fā)不同基頻梁的共振。梁的共振帶來(lái)梁上下表面較大的交替變化拉壓應(yīng)變。梁上下表面的拉壓應(yīng)變引起粘貼在梁上下表面中部的壓電陶瓷片的伸縮變形。由于壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片的伸縮變形使得壓電陶瓷片的上下表面分別聚集極性相反的電荷。由于壓電陶瓷片上下表面電極的存在，電荷聚集在電極上，這便形成一個(gè)電容器?？捎脤?dǎo)電引線將兩個(gè)電極與外電路相連接，形成閉合回路，這樣電容器將可以為外電路供給能源。本發(fā)明的制備方法主要包括以下幾個(gè)步驟分別蝕刻出柔性基體的斑圖和帶狀薄膜、將帶狀薄膜轉(zhuǎn)印到柔性基體上。以下以帶狀薄膜上表面布置壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明。該例中柔性基體采用PI基體作為受體，轉(zhuǎn)印過(guò)程中需采用PDMS基體作為轉(zhuǎn)印載體。首先在硅基體上制備帶狀薄膜層。在薄膜層上方先濺射一層很薄的金屬電極，然后在上面沉積一層壓電陶瓷，之后再濺射一層電極，電極材料可以是常用的鉬、金、銀、鉻或鋁等；通過(guò)蝕刻工藝，蝕刻帶狀的薄膜，在薄膜上表面的壓電陶瓷層則蝕刻成為孤立的長(zhǎng)方形島狀，電極的大小與壓電陶瓷層的大小一致。通過(guò)蝕刻，制備出帶有寬度漸變斜槽的柔性 PI基體。將帶有斜槽的柔性基體和蝕刻好但仍然滯留在硅基片上的帶狀薄膜一起放置在設(shè)定好溫度的環(huán)境中，保溫一段時(shí)間，使得二者的溫度都達(dá)到所設(shè)定的環(huán)境溫度。用柔性的 PDMS基體貼在帶狀薄膜上，壓緊后快速地撕起PDMS基體，這樣帶狀薄膜被PDMS基體從硅基片上撕下，并附著在PDMS基體表面。調(diào)整好PDMS基體表面上的帶狀薄膜與蝕刻了斜槽的基體的相對(duì)位置，將PDMS基體印在帶有斜槽的柔性PI基體上，壓緊后緩慢撕下PDMS基體， 轉(zhuǎn)印過(guò)程就完成了，器件制備也基本完成。將器件放到常溫下，由于熱失配效應(yīng)，薄膜中存在一定的應(yīng)變。通過(guò)控制轉(zhuǎn)印過(guò)程的環(huán)境溫度，可以使得施加在各固支梁中的軸向應(yīng)變恰好等于長(zhǎng)度為U的固定梁的臨界屈曲應(yīng)變。這樣，長(zhǎng)度為U的固支梁的基頻趨近于0，長(zhǎng)度小于Λ的梁保持平直狀態(tài)，長(zhǎng)度大于Λ)的梁發(fā)生屈曲，它們的基頻隨著長(zhǎng)度與Λ的差值的增大而迅速增大。這里給出柔性基體升溫具體值的確定方法。ε,是長(zhǎng)度為I0的帶狀薄
膜的臨界屈曲應(yīng)變，記柔性基體的熱膨脹系數(shù)為Λ升溫值為ΔΓ=￡·￡/α。也就是說(shuō)，由于升溫引起的柔性基體熱應(yīng)變等于長(zhǎng)度為A1的帶狀薄膜的臨界屈曲應(yīng)變。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述的振動(dòng)能量收集器包括帶狀薄膜(1)、帶上下電極的壓電陶瓷片(2)和柔性基體(3)；所述的柔性基體的表面帶有斑圖，該斑圖由至少一個(gè)斜槽組成，斜槽的寬度呈漸變狀，所述斜槽按同一方向或相反方向排列；在柔性基體表面平行設(shè)置多條帶狀薄膜(1)，帶狀薄膜的軸線與槽的中心線垂直；每條帶狀薄膜橫跨于斜槽上的部分構(gòu)成一個(gè)兩端固定梁；每條帶狀薄膜形成的兩端固定梁個(gè)數(shù)等于斜槽的個(gè)數(shù)；在每個(gè)兩端固定梁中部的上表面或下表面設(shè)置帶上下電極的壓電陶瓷片，或在每個(gè)兩端固定梁中部的上下表面均設(shè)置帶上下電極的壓電陶瓷片。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種振動(dòng)能量收集器，其特征在于所述的柔性基體采用高分子聚合物，高分子聚合物的彈性模量比帶狀薄膜的彈性模量至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
全文摘要
一種振動(dòng)能量收集器，屬于電子器件、新型能源技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包含一系列帶狀薄膜、一系列帶上下電極的壓電陶瓷片以及一塊表面具有斜槽狀斑圖的柔性基體。壓電陶瓷片粘貼在帶狀薄膜表面，帶狀薄膜平行鋪設(shè)于表面具有斜槽狀斑圖的柔性基體上。置于同一個(gè)斜槽上方的各個(gè)帶狀薄膜的基頻不同，各帶狀薄膜分別在不同的環(huán)境激勵(lì)頻率下發(fā)生共振。粘貼在薄膜表面的壓電陶瓷片將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，從而為負(fù)載提供能源。本發(fā)明合理利用了軸向受壓兩端固支薄膜的動(dòng)態(tài)特性，可以將基頻降到極低，甚至于零，這是傳統(tǒng)的振動(dòng)能量收集器不能企及的；另一方面，本發(fā)明由于借鑒了柔性電子的思路，引進(jìn)了柔性基體，因而具有一定的柔性，有效拓展了其應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102457207SQ201010521658
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者馮雪, 王永, 蔣東杰, 陸炳衛(wèi) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)