[发明专利]用于压电能量收集系统的悬臂梁

说明书

本发明涉及用于压电能量收集系统的悬臂梁，其中所述悬臂梁(2,20,30)包括由聚偏二氟乙烯形成的两层(21,22,31,32)，及其中由垫片材料形成的核心层(23,33)夹在所述由聚偏二氟乙烯形成的两层(21,22,31,32)之间。

本申请涉及用于能量收集系统的悬臂梁，尤其涉及改进的、用于压电能量收集系统的悬臂梁。

在环境中有许多未被利用的能源，例如热能、电磁波和机械振动。为将这些环境能量转换为电能，已开发能量收集技术。能量收集技术例如可用作无线传感器的电池的能源。还有多种用于能量收集的能源，例如太阳能、热能、风能和振动。此外，有三种主要类型的能量收集器产生方法：电磁、静电和压电。

其中，使用压电材料的能量收集技术是一种这样的方法，其利用来自多种来源例如人运动、声学噪声或风的机械能而将能量转换为电流。当机械能例如声波被施加到压电聚合物薄膜时，在两个表面之间感生电荷。使用该特性，压电材料可作为机电能量转换器进行应用。

US 7,649,305 B2公开了用于捕获机械能并将其转换为电能以用于对移动、电池供电的设备进行持续充电或者向该设备提供应急电力的机构，该机构包括在一个或多个支撑点处安装到一个或多个支撑结构的多个狭长压电元件。多个压电元件优选构造和设置成使得至少每一三维坐标轴具有至少一元件，该元件在坐标轴的法线平面具有主要偏转模式以允许从任何方向施加的力收集能量，不管能量收集机构相对于力的来源的方位如何。

在压电材料之中，尤其是在遭受机械伸展或者外部激励时具有强压电效应的相应聚合物之中，聚偏二氟乙烯膜具有相当高的压电效应，同时，其廉价且容易生产、化学上惰性、重量轻且安全。然而，由于这些膜通常非常薄，由于它们的脆性和非常短的响应时间，聚偏二氟乙烯膜通常不用作压电能量收集系统的基础。

本发明的目标在于提供改进的用于压电能量收集系统的悬臂梁。

根据本发明的一实施例，提供一种用于压电能量收集系统的悬臂梁，其中该悬臂梁包括由聚偏二氟乙烯形成的两层，其中由垫片材料形成的核心层夹在由聚偏二氟乙烯形成的两层之间。

因此，提供一种用于压电能量收集系统的悬臂梁，其基于聚偏二氟乙烯膜。因而，其可充分利用聚偏二氟乙烯用作压电材料的优点，具体地，聚偏二氟乙烯膜具有相当高的压电效应，同时，廉价且容易生产、化学上惰性、重量轻且安全。然而，另一方面，由于该悬臂梁的构造，在压电能量收集系统的悬臂梁基于聚偏二氟乙烯膜时通常出现的问题可忽略不计。例如，基于聚偏二氟乙烯的悬臂梁的脆性可通过在由聚偏二氟乙烯形成的两层之间放置由垫片材料形成的核心层而得以降低。因此，提供改进的用于压电能量收集系统的悬臂梁。

其中，由聚偏二氟乙烯形成的两层可具有主要为β型的晶体结构。聚偏二氟乙烯根据链构象而具有四种晶相：α、β、γ和δ。其中，α热力学最稳定且实际上无极。β和γ为极相，其中晶相β因其自发极化和压电灵敏度而很重要。因而，当由聚偏二氟乙烯形成的两层具有主要β型的晶体结构时，悬臂梁可得以进一步改进。

此外，悬臂梁可具有矩形片的形状，其中，矩形片的纵向侧比矩形片的宽侧长，悬臂梁配置成使得悬臂梁可经纵向侧之一连接到储存或使用能量的设备。通过这样配置悬臂梁，悬臂梁的长边可电连接到或者电和机械连接到储存或使用能量的设备，鲁棒性可得以进一步提高，因此，基于聚偏二氟乙烯的悬臂梁的脆性可得以进一步降低。

作为垫片材料，通常使用铝、钢、铜和层压塑料如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

其中，根据第一实施例，核心层可由钢形成。将钢用作核心层的材料具有下述优点：悬臂梁可以最大可能的谐振频率振动，同时，振动波可尽可能长。

此外，由钢形成的核心层优选具有50μm到150μm之间的厚度以实现最大的功率输出。

根据另一实施例，核心层由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)形成。将聚对苯二甲酸乙二酯用作核心层的材料具有可实现相当大的功率输出的优点。