[发明专利]一种微纳机电振动式能量采集器

说明书

一种微纳机电振动式能量采集器，包括绝缘基底（1）、金属片（2、7）、永磁体（3、5）、输出电极（4、6）和石墨烯条带（8）。绝缘基底位于最底层；两块金属片分别垂直固定在绝缘基底纵向方向的两端，且对称布置；两个输出电极分别连接在两块金属片的表面；两块永磁体垂直固定在绝缘基底横向方向的两端，且对称布置；所述石墨烯条带的两端分别固定于两片金属片顶端上，且石墨烯条带处于两块永磁体建立的磁场中。本发明利用单层石墨烯条带优异的机械性能，将机械振动能转换成电能，可全天候地为各种低功耗的电子器件供电。

技术领域

本发明涉及一种微纳机电振动式能量采集器，属能量采集技术领域。

背景技术

随着微电子技术日趋发展成熟，微传感器、微执行器和可携带电子器件等微型机电系统不断推陈出新，广泛渗透与社会生产、生活各方面，特别在健康状况检测、环境监控和野外、太空等恶劣环境下的监控系统等方面得到了广泛应用。目前，微型电池通常作为供电器件为低功耗无线系统提供电能，如，微型锂电池、温差电池和微型核电池等。然而传统的微型电池存在明显缺陷：1）储存能量和供能寿命有限，使用一段时间后需要更换或补充燃料；2）受外界环境变化影响较大，不能很好地满足微纳机电器件发展要求。因此，基于微纳机电系统的能量采集技术成为微供能研究的一个重要方向，并受到人们越来越多的关注。

目前绝大多数的无线传感器节点和便携式设备依然采用传统的蓄电池进行能量供给，然而，蓄电池自身携带的能量是有限的，未来实现全方位监测所用到的传感器节点是可移动的，频繁更换电池显得不切实际。对便携式电子装置来说，电子装置可能在任何时候、任何地点因为电池耗尽而无法正常工作，这使得电池的重新充电或更换会变得十分困难，而且更换电池也会增加一定的成本，当电池用完以后丢掉也会污染环境。因此，研发收集自然环境中的能量并转换为电能，实现传感器的自供电，方可有效地解决上述电池使用过程中的问题。振动式能量采集器作为一种新型的可自我维持微电源，由于可以把系统周围广泛存在的机械振动能转换成电能，进而全天候地为各种低功耗的电子器件供电，其特别适用于生物微纳机电器件的电源供给。特别地，微纳机电振动式能量采集器具有较高的能量密度，能量收集效率较高，受环境影响较小，在实现机械能与电能转换的同时，可以有效减少很多场合中振动对结构造成的不利影响。

发明内容

本发明的目的是，为了解决传统微型电池无法实现自供能和传统能量采集器能量转换效率较低的问题，提出了一种微纳机电振动式能量采集器。

本发明实现的技术方案如下，一种微纳机电振动式能量采集器，包括绝缘基底、金属片、永磁体、输出电极和石墨烯条带。

所述绝缘基底位于最底层；两块金属片分别垂直固定在绝缘基底纵向方向的两端，且对称布置；两个输出电极分别连接在两块金属片的表面；两块永磁体垂直固定在绝缘基底横向方向的两端，且对称布置；永磁体的外边缘与绝缘基底的外边缘平齐；所述石墨烯条带的两端分别固定于两片金属片顶端上，且石墨烯条带处于两块永磁体建立的磁场中。

所述两块永磁体极性相反，一端为S极，另一端则为N极；两块永磁体的两端均与金属片有一定的空隙，且永磁体的高度是金属片的高度的1.5~2倍。

所述绝缘基底的材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

所述绝缘基底的材料优选SiO₂。

所述绝缘基底长度为5nm-10nm，宽度为3nm-6nm，高度为1nm-3nm。

所述绝缘基底的长优选为5nm，宽优选为3nm，高优选为1nm。

所述石墨烯条带为单层，单层石墨烯长度为5nm~10nm；宽度为1nm-3nm。