本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)和能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的壓電梁與電容復(fù)合式雙向集能器。

背景技術(shù)：

微機(jī)電系統(tǒng)mems是21世紀(jì)重要研究領(lǐng)域之一，它被廣泛應(yīng)用到生物、醫(yī)療、軍事、通信等各個(gè)領(lǐng)域。目前能源技術(shù)中電源使用壽命短的問題亟待解決，相比于傳統(tǒng)化學(xué)電池，微電子設(shè)備克服了化學(xué)電池體積大、壽命短、易污染環(huán)境等問題，同時(shí)它具有低能耗的特點(diǎn)，這為其利用環(huán)境振動(dòng)而自發(fā)供電提供了可能。

利用環(huán)境振動(dòng)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換形式有三種：電磁式、靜電式和壓電式。電磁式一般體積較大,為能量采集器的微型化設(shè)計(jì)帶來困難；靜電式結(jié)構(gòu)是通過振動(dòng)時(shí)改變電容極板間距或面積來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，它可以很好地與mems集成；壓電式發(fā)電結(jié)構(gòu)通過壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)簡單。

目前研究的壓電發(fā)電系統(tǒng)多是線性系統(tǒng)，只具有單一的穩(wěn)定狀態(tài)，其響應(yīng)頻域極窄，能量轉(zhuǎn)化率極低。為了適應(yīng)實(shí)際環(huán)境中低頻的、隨機(jī)的振動(dòng)，非線性壓電發(fā)電梁應(yīng)運(yùn)而生。masana等設(shè)計(jì)了一種雙晶壓電梁，該雙穩(wěn)態(tài)梁適用于低頻振動(dòng)，能量轉(zhuǎn)化率高于線性梁。jung等設(shè)計(jì)了一種突彈跳變屈曲壓電梁，在適當(dāng)?shù)募?lì)下，它可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)跳到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，具有較寬的固有頻域和較高的能量轉(zhuǎn)換率。因此，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)作為一種典型的非線性系統(tǒng)，在壓電發(fā)電中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。目前，對于有關(guān)雙穩(wěn)態(tài)梁的mems能量采集器大多局限于懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且只能接受來自一個(gè)方向的固體振動(dòng)以實(shí)現(xiàn)能量采集，然而在實(shí)際環(huán)境中，振動(dòng)大多是來自多個(gè)方向和多種形式的，如碰撞振動(dòng)、聲波振動(dòng)等，尤其對于聲波，它的傳播方向是沿四周發(fā)散的。目前還沒有同時(shí)有效地采集聲波振動(dòng)和固體振動(dòng)的能量采集器。例如專利cn201854207u公開的一種雙穩(wěn)態(tài)懸臂梁型能量收集裝置，無法實(shí)現(xiàn)多方向和多形式的能量采集。另外，例如專利cn101656493a公開的一種基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的mems寬頻能量采集器，雖然雙穩(wěn)態(tài)梁的結(jié)構(gòu)變成了兩端固定型，但是依然不能實(shí)現(xiàn)多方向和多形式的能量采集，同時(shí)又由于裝置僅靠單根梁壓電集能，其能量采集的頻率范圍和能量轉(zhuǎn)換率也受到了限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的壓電梁與電容復(fù)合式雙向集能器，以解決目前mems能量采集器存在的，難以同時(shí)采集多方向和多形式的振動(dòng)能量采集的問題、以及能量采集頻域范圍窄、能量轉(zhuǎn)換率低的問題，目的是同時(shí)采集聲波振動(dòng)和固體振動(dòng)的能量，拓寬采集能量的頻域，提高能量轉(zhuǎn)換的效率。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：壓電能量采集單元一的外端與基體固定連接，壓電能量采集單元二的外端與基體固定連接，壓電能量采集單元一與壓電能量采集單元二的內(nèi)端共同連接集電裝置，集電裝置不與基體接觸，處于浮動(dòng)狀態(tài)，靜電能量采集單元一與靜電能量采集單元二分別對稱固定在基體的兩側(cè)。

本發(fā)明所述壓電能量采集單元一與壓電能量采集單元二的結(jié)構(gòu)完全相同，其中雙穩(wěn)態(tài)梁一的中間固定連接一個(gè)質(zhì)量塊一，雙穩(wěn)態(tài)梁一的外端與支撐體一相連，支撐體一的形狀是倒立的u型并鍵合在基體上，雙穩(wěn)態(tài)梁一的內(nèi)端與集電裝置相連，雙穩(wěn)態(tài)梁二的內(nèi)端與集電裝置連接、外端與支撐體二連接，支撐體二鍵合在基體上。

本發(fā)明所述雙穩(wěn)態(tài)梁一與雙穩(wěn)態(tài)梁二的結(jié)構(gòu)相同，從上到下依次由壓電層一、彈性層和壓電層二組成，其中壓電層一連接電源線，壓電層二連接地線。

本發(fā)明所述靜電能量采集單元一與靜電能量采集單元二的結(jié)構(gòu)相同，其中駐極體薄膜一的邊緣設(shè)有多個(gè)小孔，基體表面開設(shè)比駐極體薄膜一尺寸稍大的通槽，通槽邊緣也設(shè)有多個(gè)小孔，單根氨綸絲一依次穿過駐極體薄膜一邊緣的小孔與基體表面通槽邊緣的小孔，將駐極體薄膜一與基體相連；駐極體薄膜二采用單根氨綸絲二依次穿過駐極體薄膜二邊緣的小孔與基體表面通槽邊緣的小孔，將駐極體薄膜二與基體相連；

本發(fā)明所述集電裝置的結(jié)構(gòu)是：電極板一與電極板二結(jié)構(gòu)相同并與軟鐵兩側(cè)連接，軟鐵的兩側(cè)分別連接電源線和接地線；

本發(fā)明所述駐極體薄膜一與集電裝置中的電極板一相對，中間有一個(gè)極小的空氣隙；同樣的，駐極體薄膜二與集電裝置中的電極板二相對，中間有一個(gè)極小的空氣隙。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎，尺寸極小，其中壓電能量采集單元實(shí)現(xiàn)橫向的固體振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換，靜電能量采集單元實(shí)現(xiàn)縱向的聲波振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換，整個(gè)集電器能夠同時(shí)在兩個(gè)方向上分別采用壓電和靜電的復(fù)合機(jī)制進(jìn)行能量采集,以達(dá)到對輸出能量疊加放大的效果；壓電能量采集單元采用雙穩(wěn)態(tài)梁、集電裝置、雙穩(wěn)態(tài)梁串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以在4個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下采集能量，拓寬了采集能量的頻域，駐極體薄膜通過具有高度彈性的氨綸絲與基體連接，可以加大駐極體薄膜的換能面積，提高了能量轉(zhuǎn)化率；本發(fā)明適用于一切既有固體振動(dòng)又有聲波振動(dòng)的工作場合，例如工廠的重型機(jī)器、家庭的音響等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明壓電能量采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明雙穩(wěn)態(tài)梁一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的靜電能量采集單元與集電裝置的裝配圖；

圖5是本發(fā)明駐極體薄膜與基體連接示意圖；

圖6是本發(fā)明壓電能量采集單元受擠壓作用實(shí)現(xiàn)的4個(gè)穩(wěn)態(tài)位置示意圖；

圖7a是普通梁的勢能仿真圖；

圖7b是單根雙穩(wěn)態(tài)梁的勢能仿真圖；

圖7c是雙穩(wěn)態(tài)梁串聯(lián)結(jié)構(gòu)的勢能仿真圖；

圖8a是實(shí)現(xiàn)橫向陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8b是實(shí)現(xiàn)多方向能量采集的圓形陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，壓電能量采集單元一1的外端與基體6固定連接，壓電能量采集單元二2的外端與基體6固定連接，壓電能量采集單元一1與壓電能量采集單元二2的內(nèi)端共同連接集電裝置5，集電裝置5不與基體6接觸，處于浮動(dòng)狀態(tài)，靜電能量采集單元一3與靜電能量采集單元二4分別對稱固定在基體6的兩側(cè)。

如圖2所示，壓電能量采集單元一1與壓電能量采集單元二2的結(jié)構(gòu)完全相同，其中雙穩(wěn)態(tài)梁一101的中間固定連接一個(gè)質(zhì)量塊一102，雙穩(wěn)態(tài)梁一101的外端與支撐體一103相連，支撐體一103的形狀是倒立的u型并鍵合在基體6上，雙穩(wěn)態(tài)梁一101的內(nèi)端與集電裝置5相連，雙穩(wěn)態(tài)梁二201的內(nèi)端與集電裝置5連接、外端與支撐體二203連接，支撐體二203鍵合在基體6上。

如圖3所示，雙穩(wěn)態(tài)梁一101與雙穩(wěn)態(tài)梁二201的結(jié)構(gòu)相同，從上到下依次由壓電層一(pvdf)10101、彈性層(pet)10102和壓電層二(pvdf)10103組成，其中壓電層一10101連電源線10104，壓電層二10103連接地線10105。

如圖4、圖5所示，靜電能量采集單元一3與靜電能量采集單元二4的結(jié)構(gòu)相同，其中駐極體薄膜一301的邊緣設(shè)有多個(gè)小孔，基體6表面開設(shè)比駐極體薄膜一301尺寸稍大的通槽，通槽邊緣也設(shè)有多個(gè)小孔，單根氨綸絲一302依次穿過駐極體薄膜一301邊緣的小孔與基體6表面通槽邊緣的小孔，將駐極體薄膜一301與基體6相連；駐極體薄膜二401采用單根氨綸絲二402依次穿過駐極體薄膜二401邊緣的小孔與基體6表面通槽邊緣的小孔，將駐極體薄膜二401與基體6相連；

集電裝置5的結(jié)構(gòu)是：電極板一501與電極板二502結(jié)構(gòu)相同并與軟鐵503兩側(cè)連接，軟鐵503的兩側(cè)分別連接電源線504和接地線505；

駐極體薄膜一301與集電裝置5中的電極板一501相對，中間有一個(gè)極小的空氣隙；同樣的，駐極體薄膜二401與集電裝置5中的電極板二502相對，中間有一個(gè)極小的空氣隙。

工作原理如下：

集電裝置5的剛度較大，固有頻率較高，當(dāng)受到環(huán)境的高頻激勵(lì)時(shí)，集電裝置5產(chǎn)生明顯的橫向位移，假設(shè)此時(shí)它擠壓壓電能量采集單元一1中雙穩(wěn)態(tài)梁一101，擠壓使雙穩(wěn)態(tài)梁一101產(chǎn)生△l的變形量，促使雙穩(wěn)態(tài)梁一101達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)可獲得較大的能量轉(zhuǎn)換效率；當(dāng)擠壓力繼續(xù)增大直至雙穩(wěn)態(tài)梁一101產(chǎn)生突彈跳變的臨界值時(shí)，它可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)跳到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)又可獲得較大的能量轉(zhuǎn)化效率。同理，當(dāng)集電裝置5在振動(dòng)中擠壓另一側(cè)的壓電能量采集單元二2的雙穩(wěn)態(tài)梁二201時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)梁二201也可以在擠壓力的作用下產(chǎn)生變形量△l，同樣實(shí)現(xiàn)兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。如圖6和圖7所示，壓電能量采集單元一1和壓電能量采集單元二2和一共有4個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，分別對應(yīng)4個(gè)能量采集頻域；由于在集電裝置5橫向振動(dòng)過程中，總有雙穩(wěn)態(tài)梁受到擠壓變形而產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，因此提高了能量轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)了高頻、寬頻域的能量采集。如圖4所示，集電裝置5中電極板一501和電極板二502中間由軟鐵503支撐，增加了集電裝置5的剛度，在雙穩(wěn)態(tài)梁一101的中間放置質(zhì)量塊一102和雙穩(wěn)態(tài)梁二201的中間放置質(zhì)量塊二202，增加了雙穩(wěn)態(tài)梁一101和雙穩(wěn)態(tài)梁二201的形變量，提高了能量轉(zhuǎn)化率。

如圖7a所示為普通壓電梁的勢能隨位移變化仿真圖，圖7b所示為單根雙穩(wěn)態(tài)梁的勢能隨位移變化仿真圖，圖7c為兩根雙穩(wěn)態(tài)梁串聯(lián)時(shí)的勢能隨位移變化仿真圖?？梢悦黠@地看出，兩根雙穩(wěn)態(tài)梁的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與普通梁結(jié)構(gòu)和單根雙穩(wěn)態(tài)梁相比具有更寬的頻域范圍和更高的能量轉(zhuǎn)化率。

如圖4所示，駐極體薄膜一301通過氨綸絲一302連接到基體6上，電極板一501與駐極體薄膜一301相對，中間有一個(gè)極小的空氣隙，形成一個(gè)以空氣隙作為絕緣介質(zhì)，以電極板一501和駐極體薄膜一301作為兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)平板電容器。當(dāng)環(huán)境中的低頻聲波引起駐極體薄膜一301振動(dòng)而產(chǎn)生位移時(shí)，電容兩極板之間的距離改變，引起電容量發(fā)生變化，由于駐極體薄膜一301上分布的電荷量固定，根據(jù)公式：q＝cu，當(dāng)c變化時(shí)必然引起電容器兩端電壓u的變化，從而輸出電信號，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換。所述的駐極體薄膜一301的邊界區(qū)域由單根氨綸絲一302連接，而單根氨綸絲一302具備高度彈性，因此在同等外界振動(dòng)環(huán)境下使駐極體薄膜一301產(chǎn)生更大的形變，提高能量轉(zhuǎn)換效率，提高了能量轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)了聲波的振動(dòng)能量采集。

本實(shí)施例可以根據(jù)上述原理的基礎(chǔ)上衍生出多種結(jié)構(gòu)，如圖8a為實(shí)現(xiàn)橫向陣列的結(jié)構(gòu)示意圖和圖8b為實(shí)現(xiàn)多方向能量采集的圓形陣列結(jié)構(gòu)示意圖。