[发明专利]压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及的是一种压电超磁致伸缩复合式宽 频振动能量采集器。

背景技术

近年来，随着无线通讯与微机电系统MEMS(Micro-Flectro-Mechanical Systems微机电 系统)技术的不断进步，使得微电子设备和微传感器等微型系统应用范围不断扩大，已广泛 应用于民用、医学、军事等领域。由于这些设备是便携式的，其必需自带电源，电源的性能 和质量是目前大多数MEMS技术应用的关键所在。传统的电化学电池供电方式存在着寿命短、 需要经常更换和储存能量有限等缺点，且在某些条件下更换电池过程复杂，成本很高或根本 就不可能实现更换。目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法之一。

基于振动的能量采集方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式。相对于静电和电磁式 ，压电能量采集器具有结构简单、能量密度高和寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点。因 此，利用压电材料获取环境振动实现发电近来成为人们的关注热点。

目前完全集成制造的MEMS压电式振动能量收集器，还难以满足低功耗器件应用的需求： 一方面，由于尺寸微小其固有频率较高，通常远高于环境振动频率，自然环境振动频率一般 小于1000Hz范围内，而且主要集中在小于100Hz的范围内，因此，目前的MEMS能量采集技术 还无法有效在低频环境下(小于100Hz)进行能量采集；另一方面，所获得的电能功率密度 还较小，且依赖于外部环境振动频率，当压电能量采集器的系统频率与外部振动频率相匹配 产生共振时，将输出最大功率，但是，当压电能量采集器的系统频率偏离外部振动频率时， 输出的功率将减少。

经对现有技术文献的检索发现，文献号：IEEE：Transactions on Ultrasonics， Ferroelectrics and Frequency Control(IEEE期刊：超声、铁电和频率控制)，55(2008 )2104~2108，Huan Xue，Yuantai Hu等人公开了一种Broadband piezoelectric energy harvesting devices using multiple bimorphs with different operating frequencies (利用多个不同频率双晶片的宽频带压电能量采集器)，该技术采用多个不同自然频率的双 晶片压电悬臂梁通过串联或并联方式组成阵列来实现更宽的等效频带。但是，这样一方面增 大了压电能量采集器的结构尺寸，而且使悬臂梁的制造过程变得复杂。

进一步检索发现，美国专利号：US6984902，该技术公开了一种基于压电超磁致伸缩叠 层复合材料的高效率振动能量采集器，利用复合材料中压磁相的磁致伸缩效应和压电相的压 电效应的乘积特性来实现磁、机和电的转换，该技术虽能获得较大的输出功率，但未解决宽 频问题，且器件较大实用性不强。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采 集器，使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集 器工作频带窄、固有频率高和输出功率低等问题。

本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括：框架、双稳态梁、悬臂梁和永磁铁，其 中：双稳态梁的两端固定于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，悬臂梁的一端固定于框架上 ，另一端悬空设置。

所述的悬臂梁包括：正线磁致伸缩层、压电层和负线磁致伸缩层，其中：正线磁致伸缩 层、压电层和负线磁致伸缩层依次相连。

所述的压电层的极化方向为其厚度方向。

所述的正线磁致和负线磁致伸缩层的厚度是1~10μm。

所述的双稳态梁弯曲设置于框架内且两端固定于框架。

所述的双稳态梁是微梁结构制成。

所述的永磁铁的磁极方向和悬臂梁长度方向一致。

本发明采用双稳态结构，并利用复合材料中压磁相的磁致伸缩效应和压电相的压电效应 的乘积特性来实现磁、机和电的转换，使MEMS换能元件在低频振动环境下获得较大输出功率 。与现有的MEMS压电能量采集器相比，它不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运 行于低频环境中，且可在较宽的环境振动频率范围内输出较大稳定的功率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；