压电梁‑集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器及方法与流程

本发明涉及微能源与自供能的微无线传感器技术领域，尤其涉及一种压电梁-集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器及方法。

背景技术：

自压电转换技术被应用到生活中来，压电振动能量采集器因结构简单、能量转换效率高、并具备小型化、寿命长、无污染、易集成等优点受到了广大学者的青睐，实现了压电式能量采集器的从无到有。清华大学微电子学研究所的伍晓明等人将单晶硅作为悬臂梁的材料，在其表面上粘贴薄薄的压电片材料，并在悬臂梁末端粘贴经湿法刻蚀制备的质量块，形成硅基压电悬臂梁能量采集器。在11nm的外界激励下，测试得到谐振频率为1673hz，且输出功率为0.11μw/cm2。2008年德国的kuehne设计、制备和测试悬臂梁式压电能量采集器，得其工作频率为1khz，且在0.2g的外界激励下的其输出功率为4.28μw。

这类单悬臂梁式采集器的谐振频率比较高，常达上千甚至上万赫兹，无法适应低频振动环境；且其仅能有效转换谐振点上分布的能量，而对其他频率点上的能量无法转换。鉴于此，一些学者开始尝试降低采集器谐振频率和拓宽其有效工作频带。阿尔伯塔大学的rezaeisaray设计了一种多自由度的能量采集器，结合有限元分析与实验数据分析得到其前三阶模态分别是71.8hz、84.5hz与188.4hz，能较好的匹配300hz内的低频振动环境。erturk、王光庆、陆跃明等人提出一种基于复合l型压电悬臂梁的频带拓宽方案，通过在传统悬臂梁结构中增加一个与之垂直且在同平面内的悬臂梁，组成l型悬臂梁；控制其几何参数使得整个器件的前两阶，甚至前三阶模态频率大小相差不大，且各频率点上转换电能的相互叠加，进而在前几阶模态频率之间形成一个谐振带，实现更多频带上分布的振动能量的有效转化。

但是，上述技术方案虽然使压电采集器的性能得到大幅度提升，但仍存在以下不足：

①微型采集器实验结果与理论结果吻合度较差。微弯曲、微压痕等实验证明器件尺寸达到微米级后尺寸效应影响明显，传统动力学难以解释其原因，建立更能准确描述采集器实际运动状态的动力学模型就显得尤为迫切。

②器件的谐振频率较高，与周围低频振动环境无法有效匹配。环境振动能量主要分布在300hz以内，较高的谐振频率导致采集器无法在低频振动环境得到有效的激励，进而无法获取足够的能量

③工作频带较窄，能量转换效率低。采集器仅在谐振频率点上才能高效转换能量，在其他频率分布基本不能转换能量。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种采用压电梁-集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器及方法，该结构兼顾低谐振频率和宽工作频带需求，能够更好的适应周围的振动环境，进而转换更多的能量，提高能量的转换效率。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种压电梁-集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器，包括：悬臂梁和n个质量块；所述悬臂梁的一端为固定端，另一端为自由端；在所述悬臂梁上按照设定间隔分别固定质量块，所述质量块将悬臂梁分成n段，每一段悬臂梁的末端部均固定有质量块，其中，n为正整数。

进一步地，所述悬臂梁的上下表面分别附有pzt压电材料涂层，pzt压电材料涂层的上下表面分别粘贴铜电极。

进一步地，所述每一段悬臂梁的长度以及宽度根据实际应用情况进行调整。

进一步地，在外界激励下，采集器发生振动，结构中悬臂梁发生弯曲变形，进而使得pzt材料也产生形变，从而将环境中的振动机械能转换为电能，通过后续供电电路输出电能。

进一步地，以wi(x,t)(i＝1,2,…,n)表示各段悬臂梁在加速度激励下的横向振动位移，则各wi(x,t)满足微分方程：

ρiaiwi,tt+(eiii+μail²)wi,xxxx＝0(i＝1,2,...,n)；

其中，ρi为每段悬臂梁的线密度，ai为每段悬臂梁的横截面积，ei为材料的等效弹性模量，ii为抗弯刚到，μ为拉梅系数，l为材料的本征长度；wi为每段悬臂梁的振动位移，wi,tt为wi对时间t的二阶偏导数，wi,xxxx为wi对x的四阶偏导数。

一种压电梁-集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器的工作方法，包括：

(1)根据实际应用所需要的谐振频率和实际供电需求，确定质量块的个数n；

(2)将质量块按照设定的间距粘贴在悬臂梁上，保证每一段悬臂梁的末端部均固定有质量块，以降低每一段悬臂梁的固有频率；

(3)在外界激励下，采集器发生振动，结构中悬臂梁发生弯曲变形，进而使得附着在悬臂梁上下表面的pzt压电材料涂层也产生形变，通过铜电极将环境中的振动机械能转换为电能，通过后续供电电路输出电能。

本发明的有益效果：

本发明采集器结构一方面可以根据需要在低至15～20hz的大密度振动能量频率区域实现振动能量采集，另一方面还可以有效利用采集器的高阶模态设计使采集器工作频带拓宽至常见的单一悬臂梁结构的2倍以上。

本发明充分考虑微尺度效应的影响，建立具有表征材料特性的尺度系数的动力学模型，从而将微型器件的系统建模与宏观系统的建模区别开来，为准确描述采集器实际运动状态提供理论依据。

本发明采集器结构同时兼顾了低工作频率、宽工作频带及采集器结构微型化，可更好的适应复杂多变的振动环境，且从周围振动环境中获取到足够的能量，显著提高采集器的工作效率，为物联网微无线传感器系统的自供能式集成化建立技术支持。

本发明主要面向低频微振动环境中的物联网无线传感器供电问题，未来传感器向微型化、自供能方向发展，决定了这种高效的微发电装置将有广阔的市场前景。通过本发明与微型传感器的匹配集成，具有尺寸小、质量轻、惯性小、功耗低等优点，有益于排除噪声对有用信号的干扰，节省了空间、原料和能源。不仅可以摆脱外在电源、电缆等对传统传感器的束缚，还可以完成传统传感器不能胜任的测试任务。

附图说明

图1是本发明低频宽带振动能量采集器结构示意图；

图2是本发明低频宽带振动能量采集器横截面示意图示意图；

图3是本发明n＝2时采集器的结构示意图；

图4(a)是1段梁在1g加速度激励下，pzt-5h表面集聚的电荷随频率变换的曲线；

图4(b)是1段梁在1g加速度激励下，电压随频率变换的曲线；

图5(a)是2段梁在1g加速度激励下，pzt-5h表面集聚的电荷随频率变换的曲线；

图5(b)是2段梁在1g加速度激励下，电压随频率变换的曲线；

图6(a)是n＝2时采集器电荷随频率变化曲线；

图6(b)是n＝2时采集器电压随频率变化曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明公开了一种采用压电梁-集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器，该新型采集器由n段梁和n个质量块构成，其中n的值可根据实际供电需求确定，可为待供能设备提供精准的供能方案。考虑尺度效应影响因素，完善其动力学模型，结合有限元分析和实验测试的方法验证模型的准确性，同时验证新型采集器是否满足兼顾低谐振频率和宽工作频带的需求。

⑴微型能量采集器结构设计

一种压电梁-集中质量相间结构的低频宽带振动能量采集器，包括：悬臂梁和n个质量块；悬臂梁的一端为固定端，另一端为自由端；在悬臂梁上按照设定间隔分别固定质量块，质量块将悬臂梁分成n段，每一段悬臂梁的末端部均固定有质量块，用于降低每段梁的固有频率。以mi(i＝1,2,…,n)表示质量块的质量，mn位于悬臂梁的末端，如图1所示。

首先梁的总长度应满足：在外界激励下，采集器的固定端应力小于材料的需用应力。n的值可以根据实际供电需求确定，一般不易太大；采用n段梁的目的是激励采集器在低频范围内存在两个或者更多的谐振频率，且各谐振频率相差不大，同时谐振点上的响应可以相互促进。

采集器主要有五层结构：从上到下依次为质量块、上压电层、si梁、下压电层，且上、下压电层的便面均敷有上下cu电极；pzt材料粘贴在si悬臂梁上，随si悬臂梁一起振动，而cu电极黏贴在pzt材料的上下表面，用于输出采集器转换的电能。

该采集器的横截面如图2所示，其中tb、tp和te分别为si梁、pzt材料和cu电极的厚度，b为梁的宽度。根据各附加质量块的位置将整个悬臂梁划分为n段，并记各段梁的长度和刚度分别为li和eiii(i＝1,2,…,n)，且各段直梁均为复合梁，即在si材料基梁的上下表面附有pzt压电材料涂层和cu电极。

在外界激励下，采集器发生振动，结构中si梁发生弯曲变形，进而使得pzt材料也产生形变，从而将环境中的振动机械能转换为电能，通过后续供电电路输出电能。

(2)采集器的动力学模型

考虑尺度效应影响，引入尺度系数，以wi(x,t)(i＝1,2,…,n)表示各段梁在加速度激励下的横向振动位移，则各wi(x,t)满足一下微分方程：

ρiaiwi,tt+(eiii+μail²)wi,xxxx＝0(i＝1,2,...,n)

其中，ρi为每段梁的线密度，ai为每段梁的横截面积，wi为每段梁的振动位移，ei为材料的等效弹性模量，ii为抗弯刚到，μ为拉梅系数，l为材料的本征长度。

(3)新型采集器的性能分析

以n＝2为例分析采集器的性能，其结构示意图如图3所示。忽略上、下cu电极的影响，选取pzt-5h作为压电材料，且仅在si梁的一侧黏贴。以b1、tb1、tp11、b2、tb2分别表示第1和2段梁的宽度和厚度，tp12、tp12分别表示第1和2段梁上pzt-5h的厚度，其几何尺寸详见表1所示。

表1n＝2时采集器的几何尺寸

将表1中的结合参数代入到由式(1)得到的外界激励响应模型中得到的输出性能与实验测试的结果高度吻合，说明了尺度效应确实存在于微结构中，且不可忽略；同时也充分验证了改进动力学模型的准确性，为后续采集器的设计、性能优化以及研制提供理论指导。

实验条件：在“通用mems技术实验室”通过sol-gel工艺、溅射、光刻、su8胶等工艺完成新型微压电能量采集器的制备，并在pcb进行封装。

试验设备：信号发生器、功率放大器、激振台、加速度传感器、稳压电源、数据采集卡、激光测振仪等。

以n＝2为例研究了新型能量采集器的谐振频率与输出电压等性能，结果表明与单一悬臂梁采集器相比，其谐振频率大大降低，且工作频带得到较大的拓宽。

分别以采集器的每段梁变形产生的电荷量以及电压为研究对象，分析其随频率变化的情况。图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)分别为第1、2段梁在1g加速度激励下，pzt-5h表面集聚的电荷以及电压随频率变换的曲线。采集器的谐振频率得到大幅降低，在50hz内存在15.25hz和23.08hz两个谐振点，可更好的匹配低频环境振动。由图6(a)、图6(b)可知：当输出电压为80mv时，采集器的有效工作频带为20.32hz，弥补了单一谐振频率采集器能量转化效率低的不足。

表2几种悬臂梁式能量采集器的性能比较

本发明结构的优点是可带来多个谐振频率且各谐振频率相差较小，从而形成有效工作带宽。由表2可知，该类采集器的谐振频率和有效工作频带均得到优化，且可根据实际供电需求调整采集器的参数，极大的优化了微电源的性能，从而更好满足待供能设备的供能需求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。