[发明专利]一种基于层级负泊松比结构的压电俘能器

说明书

本发明涉及一种基于层级负泊松比结构的压电俘能器，包括弹性基体，其一端为固定端，另一端为自由端，弹性基体的结构包括弹性基板段和负泊松比结构段，负泊松比结构段的两侧分别设有压电陶瓷；负泊松比结构段由多个单胞结构周期性排列而成，单胞结构包括一个内凹六边形结构和六个内凹四角形结构，内凹四角形结构的中心分别位于内凹六边形结构的六个顶点；内凹六边形结构和内凹四角形结构均为上下、左右对称式结构；弹性基板段和负泊松比结构段连接为一体式或一体式成型。本申请在弹性基体中引入层级负泊松比结构，负泊松比效应更加显著，在保证外形不变的前提下，增大了俘能器振动时的变形量，降低了俘能器的谐振频率，提高了输出功率。

技术领域

本发明涉及机械振动能量回收装置技术领域，尤其是一种基于层级负泊松比结构的压电俘能器。

背景技术

无线传感器、微机电系统等微执行器广泛应用于工业系统中，用于工业环境监控和检测。这些微电子器件都依赖于电池供能，目前多为传统电池供能，对于传统电池，其具有能量有限、常需更换、污染环境和寿命短等缺点。环境能量俘获技术可将环境中的机械动能、光能、热能等直接转换成微电子器件的供能能源，实现微电子器件的自供能。其中，基于正压电效应的环境振动俘能方法具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点。压电俘能器是基于正压电效应的环境振动俘能方法常用的实施装置。

现有技术中，压电俘能器的结构类型主要有悬臂梁结构、圆形结构、拔型结构等。其中，悬臂梁结构由于结构简单易于实现，是俘能器最常用的结构形式。俘能器能够俘获能量的前提是其谐振频率与环境振动源频率相匹配，而实际中的俘能器的谐振频率往往高于环境振动源的频率(200hz以下)，如果通过增长长度来降低谐振频率，则长度过长不利于微型化，如果通过增加重量来降低谐振频率，则振动源长期振动下可能会引起压电陶瓷的断裂，降低俘能器的使用寿命，另外，传统的压电俘能器由于振动时变形量较小，输出的能量密度较低，不能够满足微电子器件的供能需求。因此，需要改进俘能器的结构，让具有较低的谐振频率和较高的输出特性，实现微电子器件的自供能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于层级负泊松比结构的压电俘能器，目的是降低俘能器结构的谐振频率，提高俘能器俘获能量的水平。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于层级负泊松比结构的压电俘能器，包括弹性基体，其一端为固定端，另一端为自由端，所述弹性基体的结构包括弹性基板段和负泊松比结构段，所述负泊松比结构段的两侧分别设有压电陶瓷；

所述负泊松比结构段由多个单胞结构周期性排列而成，所述单胞结构包括一个内凹六边形结构和六个内凹四角形结构，所述内凹四角形结构的中心分别位于所述内凹六边形结构的六个顶点；

所述内凹六边形结构和所述内凹四角形结构均为上下、左右对称式结构；

所述弹性基板段和所述负泊松比结构段连接为一体式或一体式成型。

进一步技术方案为：

所述内凹六边形结构由左右侧的两条长边和上下侧的各两条短边连接而成，且每侧的两条短边连接形成一内凹顶点；

所述内凹四角形结构包括由八条等长侧边围成的大内凹四角形、以及由所述大内凹四角形向内等距形成的与之全等的小内凹四角形；相邻两侧边的连接点为内凹顶点或外凸顶点，相邻两侧边之间的内凹夹角e为120°-150°。

所述负泊松比结构段由多个单胞结构周期性排列而成，排列方式为：

将初始单胞结构以间距b沿水平方向复制，即水平方向上相邻两个单胞结构共用一长边及其上下两端的内凹四角形结构；

将初始单胞结构沿竖直方向先移动(a+c)/2，然后水平方向移动b/2，再以间距b沿水平方向复制，即竖直方向上相邻两个单胞结构错位b/2布置，且共用一条短边及其左右两端的内凹四角形结构；