[发明专利]一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器

说明书

本发明涉及一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器，属于微机电系统和能源技术领域。压电能量采集单元一的外端与基体固定连接，压电能量采集单元二的外端与基体固定连接，压电能量采集单元一与压电能量采集单元二的内端共同连接集电装置，集电装置不与基体接触，处于浮动状态，静电能量采集单元一与静电能量采集单元二分别对称固定在基体的两侧。优点是结构新颖，尺寸极小，达到对输出能量叠加放大的效果；压电能量采集单元采用双稳态梁、集电装置、双稳态梁串联结构，拓宽了采集能量的频域，驻极体薄膜通过具有高度弹性的氨纶丝与基体连接，可以加大驻极体薄膜的换能面积，提高了能量转化率。

技术领域

本发明涉及微机电系统和能源技术领域，尤其涉及一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器。

背景技术

微机电系统MEMS是21世纪重要研究领域之一，它被广泛应用到生物、医疗、军事、通信等各个领域。目前能源技术中电源使用寿命短的问题亟待解决，相比于传统化学电池，微电子设备克服了化学电池体积大、寿命短、易污染环境等问题，同时它具有低能耗的特点，这为其利用环境振动而自发供电提供了可能。

利用环境振动发电的能量转换形式有三种：电磁式、静电式和压电式。电磁式一般体积较大,为能量采集器的微型化设计带来困难；静电式结构是通过振动时改变电容极板间距或面积来实现能量转换，它可以很好地与MEMS集成；压电式发电结构通过压电效应来实现能量转换，结构简单。

目前研究的压电发电系统多是线性系统，只具有单一的稳定状态，其响应频域极窄，能量转化率极低。为了适应实际环境中低频的、随机的振动，非线性压电发电梁应运而生。Masana等设计了一种双晶压电梁，该双稳态梁适用于低频振动，能量转化率高于线性梁。Jung等设计了一种突弹跳变屈曲压电梁，在适当的激励下，它可以从一个稳定状态跳到另一个稳定状态，表现为双稳态现象，具有较宽的固有频域和较高的能量转换率。因此，双稳态系统作为一种典型的非线性系统，在压电发电中的应用越来越受到关注。目前，对于有关双稳态梁的MEMS能量采集器大多局限于悬臂梁结构，并且只能接受来自一个方向的固体振动以实现能量采集，然而在实际环境中，振动大多是来自多个方向和多种形式的，如碰撞振动、声波振动等，尤其对于声波，它的传播方向是沿四周发散的。目前还没有同时有效地采集声波振动和固体振动的能量采集器。例如专利CN201854207U公开的一种双稳态悬臂梁型能量收集装置，无法实现多方向和多形式的能量采集。另外，例如专利CN101656493A公开的一种基于双稳态升频结构的MEMS宽频能量采集器，虽然双稳态梁的结构变成了两端固定型，但是依然不能实现多方向和多形式的能量采集，同时又由于装置仅靠单根梁压电集能，其能量采集的频率范围和能量转换率也受到了限制。

发明内容

本发明提供一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器，以解决目前MEMS能量采集器存在的，难以同时采集多方向和多形式的振动能量采集的问题、以及能量采集频域范围窄、能量转换率低的问题，目的是同时采集声波振动和固体振动的能量，拓宽采集能量的频域，提高能量转换的效率。

本发明采取的技术方案是：压电能量采集单元一的外端与基体固定连接，压电能量采集单元二的外端与基体固定连接，压电能量采集单元一与压电能量采集单元二的内端共同连接集电装置，集电装置不与基体接触，处于浮动状态，静电能量采集单元一与静电能量采集单元二分别对称固定在基体的两侧。

本发明所述压电能量采集单元一与压电能量采集单元二的结构完全相同，其中双稳态梁一的中间固定连接一个质量块一，双稳态梁一的外端与支撑体一相连，支撑体一的形状是倒立的U型并键合在基体上，双稳态梁一的内端与集电装置相连，双稳态梁二的内端与集电装置连接、外端与支撑体二连接，支撑体二键合在基体上。

本发明所述双稳态梁一与双稳态梁二的结构相同，从上到下依次由压电层一、弹性层和压电层二组成，其中压电层一连接电源线，压电层二连接地线。