一种微带能量收集器及宽频流体能量收集器的制作方法

本发明涉及能量收集技术领域，具体涉及一种微带能量收集器及宽频流体能量收集器。

背景技术：

随着科技的发展，人们生活水平的提高以及国家的大力支持，物联网取得了极大的发展，也成为各高校、研究机构及公司研究的热点。其中，无线传感网络（wsn）为物联网的关键，为物联网提供物质的信息。无线传感网络的传感器节点具有数量大、体积小的特点，需要小型的、持久供能的能量供给模块。而基于环境能量收集（energyharvesting）的mems微能源从理论上讲，可以为无线传感器节点提供取之不尽的能量，因此无论是学术界还是工业界，都对基于微纳能量收集的自供电技术产生了极大的兴趣。

此外，振动能量是自然界中最普遍存在的一种能量，收集的方式包括压电式、电磁式静电式等。压电式能量收集器一般采用悬臂梁结构，与其他方式的采集方式相比，具有相当简单的结构，能量密度高，可采用微机械（mems）加工工艺制作等优点，成为近年能量收集器领域的热点。

目前大部分基于压电效应的振动能量收集器都存在着一些缺点:(1)目前现成的压电能量收集器的输出电压/功率过低，难以满足能量存储及驱动器件的要求;(2)工作带宽较窄，只能在共振频率附近很小范围内才有较大输出。基于此，一些专利也提出了一些解决办法。如中国专利cn103647475a（公开日：2014.03.19）采用尖端与基底碰撞发生变形，从而带动压电片发生变形，进而产生电荷的方式进行能量收集。该收集器的尖端需与基底发生碰撞，尖端强度本就较小，多次碰撞会导致损坏。中国专利cn105262371a（公开日：2016-01-20）采用不同参数结构的收集单元阵列来拓宽频带范围。该方式的能量收集器的各个收集单元谐振频率不同，因此无论工作在哪个频率上，阵列中其他能量收集单元由于振动的频率不是其谐振频率而处于停滞工作状态，所以该能量收集器的总体工作效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种微带能量收集器及宽频流体能量收集器，通过采用尖形喷嘴以提高流体的流速，使得减少流体能量收集难度；另外通过在微型腔的入口添加阻流体，从而使得腔内的流体产生漩涡，带动压电功能薄膜材料发生形变，产生电能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微带能量收集器，包括流体进口、喷嘴、阻流体、微型腔、微带和流体出口；所述流体进口分别连通于外部和所述喷嘴的进口，所述喷嘴的出口连通于所述微型腔；所述阻流体位于微型腔内部与所述喷嘴的出口对应的位置，当流体经过喷嘴进入微型腔并与阻流体发生作用时产生颤振；所述微带位于微型腔内，其位于阻流体沿着流体流动的方向的一侧并与之保持设定的距离；所述流体出口连通于所述微型腔的内部和外部；所述微带为压电功能薄膜材料。

进一步地，所述微带为压电功能薄膜材料，采用锆钛酸铅薄膜pzt、氮化铝薄膜aln、氧化锌薄膜zno、氮化铝钪薄膜scxal1-xn、pvdf薄膜、pvdf-trfe薄膜或pdms薄膜等。

进一步地，所述喷嘴为尖嘴喷嘴。

一种具有上述微带能量收集器的宽频流体能量收集器，包括传力机构、流体腔、微带能量收集器和流体管道，所述微带能量收集器的流体入口通过流体管道连通于所述流体腔，所述传力机构用于向所述流体腔施加压力。

更进一步地，还包括有基座，所述微带能量收集器设于所述基座上。

本发明的有益效果在于：通过采用喷嘴以提高流体的流速，使得减少流体能量收集难度，通过在微型腔的入口添加阻流体，从而使得腔内的流体产生漩涡，带动压电功能薄膜材料发生形变，产生电能。

附图说明

图1为本发明微带能量收集器的整体结构示意图；

图2为微型腔的具体结构示意图；

图3为本发明宽频流体能量收集器的整体结构示意图；

图4为气流速度与压电功能薄膜材料振动频率和阻尼系数的关系图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的范围并不限于本实施例。

如图1-2所示，一种微带能量收集器，包括流体进口1、喷嘴2、阻流体3、微型腔4、微带6和流体出口5；所述流体进口1分别连通于外部和所述喷嘴2的进口，所述喷嘴2的出口连通于所述微型腔4；所述阻流体3位于微型腔4内部与所述喷嘴2的出口对应的位置（即所述阻流体3设于所述微型腔4的入口处），当流体7经过喷嘴2进入微型腔4并与阻流体3发生作用时阻流体3产生颤振；所述微带6位于微型腔4内，其位于阻流体3沿着流体7流动的方向的一侧（即如果以流体7流动的方向为从前往后的方向，则所述微带位于所述阻流体的后方）并与之保持设定的距离（该距离大小由阻流体大小、微型腔大小及流体流速决定）；所述流体出口5连通于所述微型腔4的内部和外部；所述微带6为压电功能薄膜材料。

在具体实施中，可以根据实际需要设置微型腔的数量，在本实施例中设置了三个微型腔。每个微型腔中按上述方式设置微带和阻流体，并且每个微型腔之间通过喷嘴连通。还可以在微型腔中设置多个微带，如图2所示。则可以通过多个微带实现能量的收集。

进一步地，所述微带6为压电功能薄膜材料，采用锆钛酸铅薄膜pzt、氮化铝薄膜aln、氧化锌薄膜zno、氮化铝钪薄膜scxal1-xn、pvdf薄膜、pvdf-trfe薄膜或pdms薄膜等。

进一步地，所述喷嘴为尖嘴喷嘴。尖形喷嘴能够进一步增强流体喷出的速度。

如图3所示，一种具有上述微带能量收集器的宽频流体能量收集器，包括传力机构8、流体腔9、微带能量收集器101和流体管道10，所述微带能量收集器101的流体入口通过流体管道10连通于所述流体腔9，所述传力机构8用于向所述流体腔9施加压力。

更进一步地，还包括有基座11，所述微带能量收集器101设于所述基座11上。

所述宽频流体能量收集器的工作原理在于：当振动能量通过传力机构作用在流体腔，假设流体腔所受为压力，则流体腔内的流体通过管道被压入微带能量收集器中。进入微带能量收集器的流体经过喷嘴后流速变大，之后流体进入微型腔。在微型腔中流体遇到阻流体产生颤振（产生漩涡），颤振带动功能薄膜材料组成的微带发生形变，从而产生电荷，达到能量收集的效果。将微带电连接到用电部件即可实现电能的利用。

平缓流体经过阻流体后产生激烈的颤振，该颤振对压电功能薄膜材料产生作用，使得压电功能薄膜材料产生形变，出现压电效应，产生电能。图4为气流速度与压电功能薄膜材料振动频率和阻尼系数的关系图，当气流速度超过某一数值时（如a点对应速度），流体颤振将迫使压电功能薄膜材料振动。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种微带能量收集器，包括流体进口、喷嘴、阻流体、微型腔、微带和流体出口；所述流体进口分别连通于外部和所述喷嘴的进口，所述喷嘴的出口连通于所述微型腔；所述阻流体位于微型腔内部与所述喷嘴的出口对应的位置，当流体经过喷嘴进入微型腔并与阻流体发生作用时产生颤振；所述微带位于微型腔内，其位于阻流体沿着流体流动的方向的一侧并与之保持设定的距离；所述流体出口连通于所述微型腔的内部和外部；所述微带为压电功能薄膜材料。通过采用喷嘴以提高流体的流速，使得减少流体能量收集难度，通过在微型腔的入口添加阻流体，从而使得腔内的流体产生漩涡，带动压电功能薄膜材料发生形变，产生电能。

技术研发人员：牟笑静;周鸿;尚正国
受保护的技术使用者：青岛因菲尼思微电子科技有限公司
技术研发日：2017.08.25
技术公布日：2019.03.05