[发明专利]磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器

说明书

技术领域

    本发明涉及一种微机电系统用换能装置，尤其涉及一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器。

背景技术

微机电系统由于其功耗低、体积小、功能强、可批量生产的特点正在飞速发展，但是与器件体积的微型化问题相比，供电问题成为制约其发展的瓶颈。目前给微机电系统供电的主要手段是电池和供电线，电池存在寿命短、存储容量有限、环境危害大等问题；供电线存在固件成本较高、更换难度较大以及环境适应性较低等问题。

由于环境中振动能量无处不在且大都处于低频（100Hz以内），振动能量采集器成为可自我维持电源研究的一大热点，现有的振动能量采集器的工作方式主要有电磁式、静电式和压电式三种；静电式振动能量采集器若不采用驻极体作电介质，在工作时需要外加电压驱动，且最重要的是电源管理电路较为复杂，有时采集到的能量还无法满足电源管理电路自身能耗的需求（典型的静电式振动能量采集器如中国发明专利：CN101941671A、CN102522915A、CN1547312A和美国专利US7112911B2）。压电式和电磁式振动能量采集器的优势是工作时不需要外加电源，但他们又存在各自的缺陷：电磁式能量采集器的输出特点是感应电流较大，但感应电压很小，难于驱动外围电路，虽然使用变压器或提高线圈圈数以及提高磁场强度等方式可以提高感应电压，但都会增大器件尺寸，不利于微型化（如中国专利：CN101515746A、CN102694452A、CN1652440A、CN101110545A等）；而压电式能量采集器的相对尺寸最小便于MEMS加工，输出特点是感应电压较大，但感应电流较小，驱动能力仍然不强，例如中国发明专利：CN102983781A、CN103023378A、美国专利US7345407B2、US7414351B2。综上无论使用哪种单一的振动能量采集方式都不能良好的满足当前无线传感产品和微机电系统的供能。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器，其结构为：所述磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器由L形支架、磁路机构、换能机构、两条悬臂梁和竖直梁组成；竖直梁与L形支架的水平段连接，且竖直梁与L形支架的竖直段位于水平段的同侧；第一悬臂梁的一端与竖直段连接，第一悬臂梁的另一端与磁路机构连接；第二悬臂梁的一端与竖直梁连接，第二悬臂梁的另一端与换能机构连接；

所述磁路机构上成对设置有多块磁铁，每两块磁铁之间形成一条沿水平方向延伸的闭合磁路，多条闭合磁路沿竖直方向分布，当第一悬臂梁和第二悬臂梁发生振动时，换能机构切割闭合磁路；两条悬臂梁的谐振频率不同。

本发明的工作原理是：将L形支架固定在外部激励装置上，当外部激励装置出现振动时，振动能量就会传递到磁电/电磁复合式低频宽带振动能量采集器上，从而引起第一悬臂梁和第二悬臂梁发生弹性振动，在振动过程中，换能机构就能切割由磁路机构提供的闭合磁路，磁电/电磁复合式换能器就会产生电输出；另外，这种双悬臂梁的振动模式可以使装置的振动特性呈非线性化，现有理论已经证明，非线性振动对带宽具有拓宽作用，从而起到提高装置工作带宽的作用，且提高了装置对外部振动的敏感性。

优选地，所述磁路机构由支撑板、四个支耳和四块磁铁组成；支撑板一侧与第一悬臂梁连接，四个支耳设置于支撑板的另一侧上；所述四个支耳中，其中两个支耳的水平高度相同，另外两个支耳的水平高度相同；四块磁铁分别设置于四个支耳的内侧面上；水平高度相同的两个磁铁形成闭合磁路。

优选地，所述换能机构由线圈筒、层状复合换能器和橡胶块组成；层状复合换能器设置于线圈筒的内孔中，线圈筒内壁和层状复合换能器之间通过橡胶块固定。线圈筒和层状复合换能器均为现有技术中常见的电磁感应装置，本发明中将二者结合在一起，使二者可以复用同一套振动机构，提高装置的整合度，使结构利用率得到提升。

优选地，所述层状复合换能器由高磁导率材料层、压磁材料层以及压电材料层复合而成；压电材料层的上、下面分别粘结压磁材料层；压磁材料层外面再粘结高磁导率材料层。其原理是：由于磁场的变化导致磁电换能器中的压磁材料层发生相应形变，该形变传递到磁电换能器中的压电材料层，由于压电材料的压电效应产生电输出，最终实现机-磁-电的转换；由于高磁导率材料的汇聚磁场作用，这种采用高磁导率材料、压磁材料以及压电材料复合而成的磁电换能器具有比传统压磁/压电复合换能器更强的磁电转换性能。

为了进一步提高能量采集的效率，优选地，所述换能机构的数量为两个，两个换能机构沿竖直方向分布。