本實(shí)用新型涉及能量采集技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種振動(dòng)式能量采集器。

背景技術(shù)：

振動(dòng)式能量采集器是能量采集器中的一種，它可以將自然界普遍存在的機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而不間斷地為各種低功耗電子元件或者微系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)的振動(dòng)式能量采集器具有固定的共振頻率。而在許多情況下，振動(dòng)源通常工作在一個(gè)特殊的頻率范圍，或者工作在一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍內(nèi)。當(dāng)振動(dòng)源頻率偏離振動(dòng)式能量采集器的共振頻率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量采集效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種工作頻率較寬且能量采集效率較高的振動(dòng)式能量采集器。

一種振動(dòng)式能量采集器，包括偏置電壓生成裝置、至少兩個(gè)層疊設(shè)置的運(yùn)動(dòng)極板以及設(shè)置在兩個(gè)所述運(yùn)動(dòng)極板之間且用于使得相鄰兩個(gè)所述運(yùn)動(dòng)極板在無(wú)外力作用下保持預(yù)設(shè)間距的隔離裝置；每個(gè)所述運(yùn)動(dòng)極板均包括支撐構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊和電極層；所述支撐構(gòu)件設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的外圍并對(duì)所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊進(jìn)行支撐；所述電極層設(shè)置在每個(gè)運(yùn)動(dòng)極板上與相鄰運(yùn)動(dòng)極板相對(duì)的表面上；所述隔離裝置設(shè)置在所述支撐構(gòu)件上；所述偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個(gè)所述運(yùn)動(dòng)極板之間且設(shè)置在其中一個(gè)的電極層表面；所述偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個(gè)所述運(yùn)動(dòng)極板之間形成固定電場(chǎng)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐構(gòu)件和所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊均由硅基材料制成。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述偏置電壓生成裝置為駐極體；所述駐極體上存在電荷分布從而為相鄰兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極板提供偏置電壓。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐構(gòu)件包括支撐主體和懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述支撐主體為中空結(jié)構(gòu)，用于放置所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊；所述懸臂梁結(jié)構(gòu)分布與所述支撐主體、所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊連接。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐構(gòu)件包括四個(gè)所述懸臂梁結(jié)構(gòu)；四個(gè)所述懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布于所述支撐主體上。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述隔離裝置為絕緣層。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電極層為金屬層或硅基導(dǎo)電材料層。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊上與相鄰運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊相對(duì)的一面上設(shè)置有凸點(diǎn)；所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊上的凸點(diǎn)在所述運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊不受外力時(shí)不與相鄰的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊接觸。

上述振動(dòng)式能量采集器，包括至少兩個(gè)層疊設(shè)置的運(yùn)動(dòng)極板，相鄰運(yùn)動(dòng)極板之間通過(guò)隔離裝置形成預(yù)設(shè)間距，且每個(gè)所述運(yùn)動(dòng)極板均包括支撐構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊和電極層。因此，在外部振動(dòng)源的作用下，各運(yùn)動(dòng)極板發(fā)生相互碰撞，由于碰撞耦合現(xiàn)象可以拓寬器件的輸出頻帶，從而使得振動(dòng)式能量采集器具有較寬的工作頻率，進(jìn)而提高器件在該頻率范圍內(nèi)的能量輸出效率，提高能量采集效率。

附圖說(shuō)明

圖1為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器的主視圖；

圖2為圖1中的振動(dòng)式能量采集器的爆炸圖；

圖3為圖1中的振動(dòng)式能量采集器的剖視圖；

圖4為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器測(cè)試電路示意圖；

圖5為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器工作時(shí)最佳負(fù)載電阻的測(cè)試曲線；

圖6為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器在外部負(fù)載阻值是20MΩ時(shí)，正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率從125Hz到200Hz變化時(shí)的輸出功率變化曲線；

圖6a～6f為圖6中，振動(dòng)式能量采集器在180Hz時(shí)，不同加速度下的電壓輸出曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

圖1為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器的主視圖。圖2為圖1中的振動(dòng)式能量采集器的爆炸圖，圖3則為圖1中的振動(dòng)式能量采集器的剖視圖。該振動(dòng)式能量采集器為靜電式，用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)或者向外供電。參見(jiàn)圖1～3，該振動(dòng)式能量采集器包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極板110和120、位于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極板之間的隔離裝置200和偏置電壓生成裝置300。

運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120層疊相對(duì)設(shè)置，從而形成一個(gè)變間距式可變電容結(jié)構(gòu)。其中，運(yùn)動(dòng)極板110作為下級(jí)板，運(yùn)動(dòng)極板120則作為上極板。運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120的結(jié)構(gòu)相似，二者可以具有相同的諧振頻率，也可以具有不同的諧振頻率。在本實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120均包括支撐構(gòu)件112、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114和電極層116。支撐構(gòu)件112設(shè)置在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114的外圍，并對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114進(jìn)行支撐，以使得運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114在外力作用下能夠產(chǎn)生振動(dòng)。在本實(shí)施例中，支撐構(gòu)件112和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114均為硅基材料構(gòu)成，且為一體結(jié)構(gòu)。支撐構(gòu)件112和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114均由單晶硅10以及形成于單晶硅10兩面的二氧化硅層20構(gòu)成。在其他的實(shí)施例中，支撐構(gòu)件112和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114也可以為獨(dú)立結(jié)構(gòu)并通過(guò)鍵和技術(shù)進(jìn)行相互連接。支撐構(gòu)件112包括支撐主體1122和懸臂梁結(jié)構(gòu)1124。支撐主體1122為中空結(jié)構(gòu)，用于放置運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114。懸臂梁結(jié)構(gòu)1124分別與支撐主體1122和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114的支撐。在本實(shí)施例中，設(shè)置有四個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1124，且四個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1124對(duì)稱分布于支撐主體1122上。在其他的實(shí)施例中，懸臂梁結(jié)構(gòu)1124可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114的質(zhì)量以及大小進(jìn)行設(shè)置，而并不限于本實(shí)施例中的具體結(jié)構(gòu)。支撐構(gòu)件112中的懸臂梁結(jié)構(gòu)1124的長(zhǎng)度、厚度以及寬度會(huì)影響器件的諧振頻率，因此可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114上還設(shè)置有多個(gè)凸點(diǎn)1142。多個(gè)凸點(diǎn)1142的高度滿足振動(dòng)式能量采集器在不受到外力作用時(shí)，凸點(diǎn)1142不與相鄰的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114接觸即可。運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114上的凸點(diǎn)1142僅設(shè)置在于運(yùn)動(dòng)極板110和120的兩個(gè)相對(duì)面上，從而可以避免運(yùn)動(dòng)極板110和120之間因?yàn)殪o電吸附力而相互接觸粘附的情況發(fā)生。凸點(diǎn)1142在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114的表面呈中心對(duì)稱分布，以確保受力均勻。電極層116覆蓋在運(yùn)動(dòng)極板110和120上與另一運(yùn)動(dòng)極板相對(duì)的一面。電極層116可以為金屬層。金屬層生長(zhǎng)方式可以是磁控濺射、蒸鍍、電鍍等。在其他的實(shí)施例中，電極層116也可以為硅基導(dǎo)電材料層。

隔離裝置200設(shè)置在運(yùn)動(dòng)極板110和120之間，使得運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120在無(wú)外力作用下保持預(yù)設(shè)間距。隔離裝置200固定在支撐構(gòu)件112上，且分別與運(yùn)動(dòng)極板110和120接觸。在本實(shí)施例中，隔離裝置200采用具有預(yù)設(shè)高度的絕緣層，例如可以為亞克力材料層。通過(guò)調(diào)整隔離裝置200也即絕緣層的厚度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120之間的初始間距的控制。

偏置電壓生成裝置300用于生成偏置電壓以在運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120之間形成固定電場(chǎng)。在本實(shí)施例中，偏置電壓生成裝置300設(shè)置在運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120之間。具體地，偏置電壓生成裝置300設(shè)置在運(yùn)動(dòng)極板110的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114上，且位于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114上與運(yùn)動(dòng)極板120相對(duì)的一面。當(dāng)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)驅(qū)使運(yùn)動(dòng)極板110或者運(yùn)動(dòng)極板120上運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120之間的間距發(fā)生變化。此時(shí)，極板之間的固定電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生變化，繼而對(duì)外輸出電能，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量到電能的轉(zhuǎn)換，完成對(duì)振動(dòng)能量的采集。在本實(shí)施例中，偏置電壓生成裝置300為駐極體。駐極體覆蓋在運(yùn)動(dòng)極板的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114表面。駐極體可以駐存電荷，以形成固定電場(chǎng)，從而為運(yùn)動(dòng)極板110和運(yùn)動(dòng)極板120提供偏置電壓。駐極體可以采用無(wú)極駐極體材料或者有機(jī)駐極體材料，涂覆方式可以采用旋涂或者噴涂。駐極體上駐存電荷的極性可以為負(fù)也可以為正。駐極體在制備完成后需要充電才能存在電荷分布。可以采用電暈充電的方法對(duì)駐極體進(jìn)行充電。充電時(shí)，運(yùn)動(dòng)極板110上裸露的電極層116接地，電暈充電尖端施加高電壓，電荷會(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下遷移到駐極體表面及內(nèi)部，形成穩(wěn)定的高密度固定電荷(此電荷的極性取決于電暈充電尖端電壓的極性)。此高密度穩(wěn)定的固定電荷可為相鄰兩運(yùn)動(dòng)極板(也即可變電容)提供偏置電壓。在本實(shí)施例中，駐極體在運(yùn)動(dòng)極板110的制備過(guò)程同時(shí)制備完成。在其他的實(shí)施例中，也可以不設(shè)置駐極體，而采用外置的偏置電壓生成裝置為相鄰兩運(yùn)動(dòng)極板提供偏置電壓，進(jìn)而使得極板之間形成固定電場(chǎng)。

上述振動(dòng)式能量采集器，包括有兩個(gè)層疊設(shè)置運(yùn)動(dòng)極板110和120，相鄰運(yùn)動(dòng)極板之間通過(guò)隔離裝置200形成預(yù)設(shè)間距，且每個(gè)運(yùn)動(dòng)極板均包括支撐構(gòu)件112、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊114和電極層116。因此，在外部振動(dòng)源的作用下，各運(yùn)動(dòng)極板發(fā)生相互碰撞，由于碰撞耦合現(xiàn)象可以拓寬器件的輸出頻帶，從而使得振動(dòng)式能量采集器具有較寬的工作頻率，進(jìn)而提高器件在該頻率范圍內(nèi)的能量輸出效率，提高能量采集效率。上述振動(dòng)式能量采集器，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)極板110和120的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其自身工作頻率范圍的調(diào)整。

在其他的實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)極板的數(shù)量可以為多個(gè)。多個(gè)運(yùn)動(dòng)極板相互層疊設(shè)置，且相鄰兩運(yùn)動(dòng)極板之間通過(guò)隔離裝置進(jìn)行隔離支撐。偏置電壓生成裝置則設(shè)置在兩相對(duì)的運(yùn)動(dòng)極板之間，用于為相鄰運(yùn)動(dòng)極板提供偏置電壓。相對(duì)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極板之間的表面都設(shè)置有電極層，且至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的相對(duì)面上設(shè)置有凸點(diǎn)，以防止兩相鄰運(yùn)動(dòng)極板之間出現(xiàn)靜電吸附現(xiàn)象。

為進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器的具有寬頻輸出的性能，下面結(jié)合一具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施例所選取器件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包括上下兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極板。該振動(dòng)式能量采集器的質(zhì)量關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：上下極板間初始間距為150μm、上極板諧振頻率為148.8Hz、下極板諧振頻率為183.3Hz、駐極體表面電勢(shì)大約-420V。圖4為振動(dòng)式能量采集器的測(cè)試電路示意圖，其測(cè)試原理為：器件工作時(shí)，記錄電阻R0兩端的電壓值，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算得出電阻(R1+R0)上所消耗的功率，即為器件對(duì)外輸出的功率值。其次，外加正弦振動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R1，尋找當(dāng)器件輸出功率最大時(shí)，最佳的負(fù)載阻值(R1+R0)。然后固定負(fù)載阻值，逐漸改變正弦振動(dòng)頻率，進(jìn)行掃頻測(cè)試。以下結(jié)合附圖對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖5為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器工作時(shí)最佳負(fù)載電阻的測(cè)試曲線。隨機(jī)選取外部正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率f為183Hz，驅(qū)動(dòng)加速度均方根a_RMS為2.0m/s²，改變負(fù)載阻值范圍1MΩ～51MΩ，測(cè)出最大輸出功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻是20MΩ。圖6為一實(shí)施例中的振動(dòng)式能量采集器在外部負(fù)載阻值是20MΩ時(shí)，正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率從125Hz到200Hz變化時(shí)的輸出功率變化曲線，分別選取了六種振動(dòng)加速度：2.8m/s²，4.2m/s²，5.6m/s²，7.0m/s²，8.4m/s²，9.8m/s²。結(jié)果顯示在兩個(gè)諧振峰之間明顯出現(xiàn)了高的功率輸出，并且隨著加速度的增加，功率輸出值增大。從圖6中選取的180Hz時(shí)，加速度2.8m/s²，4.2m/s²，5.6m/s²，7.0m/s²，8.4m/s²，9.8m/s²下的電壓輸出曲線(分別對(duì)應(yīng)圖6a～圖6f)可以看出，當(dāng)加速度增加到大約5.6m/s²時(shí)，電壓曲線開(kāi)始發(fā)生扭曲，說(shuō)明器件上下極板間發(fā)生了碰撞，由于碰撞引起的耦合作用，導(dǎo)致器件兩個(gè)諧振峰之間也出現(xiàn)了高功率輸出，實(shí)現(xiàn)了器件整體工作頻率拓寬的目的。本實(shí)施例中，器件的帶寬成功拓寬到中心頻率的30％。器件在大約1g的加速度下，從141.6Hz到191.1Hz寬頻范圍內(nèi)的輸出功率是1.06μW～3.24μW。顯然，上述振動(dòng)式能量采集器能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻輸出且具有較高的能量采集效率。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書(shū)記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。