專利名稱：：壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種能源
技術(shù)領(lǐng)域：
的裝置，尤其涉及的是一種壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著無線通訊與微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Flectro-MechanicalSystems微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得微電子設(shè)備和微傳感器等微型系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已廣泛應(yīng)用于民用、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。由于這些設(shè)備是便攜式的，其必需自帶電源，電源的性能和質(zhì)量是目前大多數(shù)MEMS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的電化學(xué)電池供電方式存在著壽命短、需要經(jīng)常更換和儲(chǔ)存能量有限等缺點(diǎn)，且在某些條件下更換電池過程復(fù)雜，成本很高或根本就不可能實(shí)現(xiàn)更換。目前，環(huán)境振動(dòng)能量采集技術(shù)是解決以上問題的有效方法之一。基于振動(dòng)的能量采集方法一般有三種壓電式、靜電式和電磁式。相對(duì)于靜電和電磁式，壓電能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高和壽命長，可與MEMS加工工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用壓電材料獲取環(huán)境振動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電近來成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。目前完全集成制造的MEMS壓電式振動(dòng)能量收集器，還難以滿足低功耗器件應(yīng)用的需求一方面，由于尺寸微小其固有頻率較高，通常遠(yuǎn)高于環(huán)境振動(dòng)頻率，自然環(huán)境振動(dòng)頻率一般小于1000Hz范圍內(nèi)，而且主要集中在小于100Hz的范圍內(nèi)，因此，目前的MEMS能量采集技術(shù)還無法有效在低頻環(huán)境下(小于100Hz)進(jìn)行能量采集；另一方面，所獲得的電能功率密度還較小，且依賴于外部環(huán)境振動(dòng)頻率，當(dāng)壓電能量采集器的系統(tǒng)頻率與外部振動(dòng)頻率相匹配產(chǎn)生共振時(shí)，將輸出最大功率，但是，當(dāng)壓電能量采集器的系統(tǒng)頻率偏離外部振動(dòng)頻率時(shí)，輸出的功率將減少。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)號(hào)IEEE-TransactionsonUltrasonics,FerroelectricsandFrequencyControl(IEEE期刊超聲、鐵電和頻率控制)，55(2008)21042108，HuanXue，YuantaiHu等人公開了一種Broadbandpiezoelectricenergyharvestingdevicesusingmultiplebimorphswithdifferentoperatingfrequencies(利用多個(gè)不同頻率雙晶片的寬頻帶壓電能量采集器)，該技術(shù)采用多個(gè)不同自然頻率的雙晶片壓電懸臂梁通過串聯(lián)或并聯(lián)方式組成陣列來實(shí)現(xiàn)更寬的等效頻帶。但是，這樣一方面增大了壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)尺寸，而且使懸臂梁的制造過程變得復(fù)雜。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號(hào)US6984902，該技術(shù)公開了一種基于壓電超磁致伸縮疊層復(fù)合材料的高效率振動(dòng)能量采集器，利用復(fù)合材料中壓磁相的磁致伸縮效應(yīng)和壓電相的壓電效應(yīng)的乘積特性來實(shí)現(xiàn)磁、機(jī)和電的轉(zhuǎn)換，該技術(shù)雖能獲得較大的輸出功率，但未解決寬頻問題，且器件較大實(shí)用性不強(qiáng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，使換能元件在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大的輸出功率，以解決傳統(tǒng)的MEMS壓電能量采集器工作頻帶窄、固有頻率高和輸出功率低等問題。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括框架、雙穩(wěn)態(tài)梁、懸臂梁和永磁鐵，其中雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端固定于框架上，永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁上，懸臂梁的一端固定于框架上，另一端懸空設(shè)置。所述的懸臂梁包括正線磁致伸縮層、壓電層和負(fù)線磁致伸縮層，其中正線磁致伸縮層、壓電層和負(fù)線磁致伸縮層依次相連。所述的壓電層的極化方向?yàn)槠浜穸确较?。所述的正線磁致和負(fù)線磁致伸縮層的厚度是110iim。所述的雙穩(wěn)態(tài)梁彎曲設(shè)置于框架內(nèi)且兩端固定于框架。所述的雙穩(wěn)態(tài)梁是微梁結(jié)構(gòu)制成。所述的永磁鐵的磁極方向和懸臂梁長度方向一致。本發(fā)明采用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，并利用復(fù)合材料中壓磁相的磁致伸縮效應(yīng)和壓電相的壓電效應(yīng)的乘積特性來實(shí)現(xiàn)磁、機(jī)和電的轉(zhuǎn)換，使MEMS換能元件在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大輸出功率。與現(xiàn)有的MEMS壓電能量采集器相比，它不但結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，體積減小，并且它可運(yùn)行于低頻環(huán)境中，且可在較寬的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍內(nèi)輸出較大穩(wěn)定的功率。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中的懸臂梁在磁場作用下的彎曲示意圖；圖3是本發(fā)明中的雙穩(wěn)態(tài)梁和永磁鐵的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括框架1、懸臂梁2、永磁鐵3和雙穩(wěn)態(tài)梁4，其中雙穩(wěn)態(tài)梁4彎曲設(shè)置于框架1內(nèi)，并且兩端固定于框架1上，永磁鐵3附著于雙穩(wěn)態(tài)梁4的下表面，懸臂梁2的一端固定于框架1上，另一端懸空設(shè)置。如圖2所示，懸臂梁2包括正線磁致伸縮層5、壓電層6和負(fù)線磁致伸縮層7，其中正線磁致伸縮層5、壓電層6和負(fù)線磁致伸縮層7依次相連。壓電層6的上表面設(shè)有一層正線磁致伸縮層5，本實(shí)施例選用TbFe薄膜，壓電層6的下表面設(shè)有一層負(fù)線磁致伸縮層7，本實(shí)施例選用SmFe薄膜。正負(fù)線磁致伸縮層串聯(lián)連接，壓電層6的極化方向?yàn)槠浜穸确较?。永磁鐵3的磁極方向?yàn)閼冶哿?的長度方向，施加于正負(fù)線磁致伸縮層的磁場方向H和懸臂梁2的水平長度方向一致。本實(shí)施例雙穩(wěn)態(tài)梁4是由微梁結(jié)構(gòu)制成，微梁結(jié)構(gòu)的長度比框架1內(nèi)空隙的寬度要長，微梁結(jié)構(gòu)在框架1內(nèi)水平放置，且其兩端與框架1內(nèi)部固支在一起，在軸向力作用下微梁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲，構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)梁4。如圖3所示，雙穩(wěn)態(tài)梁4結(jié)構(gòu)長度比框架1內(nèi)部的寬度要長，在框架l內(nèi)部受軸向力作用下發(fā)生屈曲，并穩(wěn)定平衡放置于框架1內(nèi)部，此時(shí)為雙穩(wěn)態(tài)梁4的第一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置A。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)作用于雙穩(wěn)態(tài)梁4上的外界橫向力增大到一定值時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)梁4向下運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定在另一個(gè)狀態(tài)，此時(shí)為雙穩(wěn)態(tài)梁4的第二個(gè)穩(wěn)態(tài)位置B。本實(shí)施例的工作原理為當(dāng)把本裝置放置于環(huán)境振動(dòng)中，在一定的振動(dòng)加速度條件下，雙穩(wěn)態(tài)梁4可在第一穩(wěn)態(tài)位置A和第二穩(wěn)態(tài)位置B間相互切換。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)梁4從第一穩(wěn)態(tài)位置A轉(zhuǎn)為第二穩(wěn)態(tài)位置B時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)梁4上的永磁鐵3和懸臂梁2之間的距離將減少，作用于正線磁致伸縮層5和負(fù)線磁致伸縮層7的磁場增大，在磁場的作用下，正線磁致伸縮層5和負(fù)線磁致伸縮層7在懸臂梁2長度方向伸長或縮短，且上下兩層伸長縮短過程總是以同步相反進(jìn)行，即正線磁致伸縮層5伸長，負(fù)線磁致伸縮層7因磁致伸縮性相反而縮短。正線磁致伸縮層5和負(fù)線磁致伸縮層7的長度變化，使懸臂梁2的未固定端便向下或向上彎曲，圖2所示的是懸臂梁2在磁場作用下向下彎曲示意圖。隨后，由于外界環(huán)境的振動(dòng)，雙穩(wěn)態(tài)梁4將從第二個(gè)穩(wěn)態(tài)位置B切換到第一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置A，此時(shí)，永磁鐵3和懸臂梁2間的距離增大，永磁鐵3作用于正線磁致伸縮層5和負(fù)線磁致伸縮層7的磁場強(qiáng)度減弱，根據(jù)超磁致伸縮材料的特性，此時(shí)，正線磁致伸縮層5和負(fù)線磁致伸縮層7伸長和縮短狀態(tài)將改變，即原來伸長的將縮短，原來縮短的將伸長，這將使懸臂梁2恢復(fù)到初始位置。但在某一時(shí)刻，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)梁4再一次切換到第二穩(wěn)態(tài)位置B時(shí)，永磁鐵3施加于正線磁致伸縮層5和負(fù)線磁致伸縮層7的磁場再一次增強(qiáng)，引起懸臂梁2彎曲。因此，只要外界振動(dòng)加速度足夠提供雙穩(wěn)態(tài)梁4穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換所需的臨界力，懸臂梁2就能夠獲得足夠的彎曲，而與外界的環(huán)境振動(dòng)頻率無關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)了低頻環(huán)境下獲得較大的輸出功率。本實(shí)施例中首先將永磁鐵3粘附于雙穩(wěn)態(tài)梁4的中間位置，使雙穩(wěn)態(tài)梁4處于第一穩(wěn)態(tài)位置；其次對(duì)雙穩(wěn)態(tài)梁4施加大于直梁屈曲臨界力的軸線預(yù)應(yīng)力，使屈曲雙穩(wěn)態(tài)梁4兩端固定于能量采集器框架1上；然后使懸臂梁2的一端固支于能量采集器框架1上，另一端懸空設(shè)置。如表1所示，本實(shí)施例的實(shí)際應(yīng)用要求所用尺寸如表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表11X1mm2尺寸能量采集器的一組設(shè)計(jì)參數(shù)本實(shí)施例壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器能夠在一個(gè)較寬的工作頻域內(nèi)輸出穩(wěn)定的功率，與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)相比，其工作頻帶以及單位時(shí)間內(nèi)輸出功率密度都能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。權(quán)利要求一種壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，包括框架、雙穩(wěn)態(tài)梁、懸臂梁和永磁鐵，其中雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端固定于框架上，永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁上，懸臂梁的一端固定于框架上，另一端懸空設(shè)置，其特征在于所述的懸臂梁包括正線磁致伸縮層、壓電層和負(fù)線磁致伸縮層，其中正線磁致伸縮層、壓電層和負(fù)線磁致伸縮層依次相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征是，所述的壓電層的極化方向?yàn)槠浜穸确较颉?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征是，所述的正線磁致和負(fù)線磁致伸縮層的厚度是110i！m。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征是，所述的雙穩(wěn)態(tài)梁彎曲設(shè)置于框架內(nèi)且兩端固定于框架。5.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征是，所述的雙穩(wěn)態(tài)梁是微梁結(jié)構(gòu)制成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，其特征是，所述的永磁鐵的磁極方向和懸臂梁長度方向一致。全文摘要一種能源
技術(shù)領(lǐng)域：
的壓電超磁致伸縮復(fù)合式寬頻振動(dòng)能量采集器，包括框架、雙穩(wěn)態(tài)梁、懸臂梁和永磁鐵，雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端固定于框架上，永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁上，懸臂梁的一端固定于框架上，另一端懸空設(shè)置，正線磁致伸縮層、壓電層和負(fù)線磁致伸縮層依次相連。本發(fā)明采用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，并利用復(fù)合材料中壓磁相的磁致伸縮效應(yīng)和壓電相的壓電效應(yīng)的乘積特性來實(shí)現(xiàn)磁、機(jī)和電的轉(zhuǎn)換，使MEMS換能元件在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大輸出功率。不但結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，體積減小，并且它可運(yùn)行于低頻環(huán)境中，且可在較寬的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍內(nèi)輸出較大穩(wěn)定的功率。文檔編號(hào)H02N2/18GK101764532SQ20101030098公開日2010年6月30日申請(qǐng)日期2010年2月1日優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日發(fā)明者劉景全,唐剛,李以貴,楊春生,馬華安申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)