本發(fā)明涉及微能源與自供能的微無線傳感器技術領域，尤其涉及一種壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器及方法。

背景技術：

自壓電轉換技術被應用到生活中來，壓電振動能量采集器因結構簡單、能量轉換效率高、并具備小型化、壽命長、無污染、易集成等優(yōu)點受到了廣大學者的青睞，實現(xiàn)了壓電式能量采集器的從無到有。清華大學微電子學研究所的伍曉明等人將單晶硅作為懸臂梁的材料，在其表面上粘貼薄薄的壓電片材料，并在懸臂梁末端粘貼經濕法刻蝕制備的質量塊，形成硅基壓電懸臂梁能量采集器。在11nm的外界激勵下，測試得到諧振頻率為1673hz，且輸出功率為0.11μw/cm2。2008年德國的kuehne設計、制備和測試懸臂梁式壓電能量采集器，得其工作頻率為1khz，且在0.2g的外界激勵下的其輸出功率為4.28μw。

這類單懸臂梁式采集器的諧振頻率比較高，常達上千甚至上萬赫茲，無法適應低頻振動環(huán)境；且其僅能有效轉換諧振點上分布的能量，而對其他頻率點上的能量無法轉換。鑒于此，一些學者開始嘗試降低采集器諧振頻率和拓寬其有效工作頻帶。阿爾伯塔大學的rezaeisaray設計了一種多自由度的能量采集器，結合有限元分析與實驗數(shù)據(jù)分析得到其前三階模態(tài)分別是71.8hz、84.5hz與188.4hz，能較好的匹配300hz內的低頻振動環(huán)境。erturk、王光慶、陸躍明等人提出一種基于復合l型壓電懸臂梁的頻帶拓寬方案，通過在傳統(tǒng)懸臂梁結構中增加一個與之垂直且在同平面內的懸臂梁，組成l型懸臂梁；控制其幾何參數(shù)使得整個器件的前兩階，甚至前三階模態(tài)頻率大小相差不大，且各頻率點上轉換電能的相互疊加，進而在前幾階模態(tài)頻率之間形成一個諧振帶，實現(xiàn)更多頻帶上分布的振動能量的有效轉化。

但是，上述技術方案雖然使壓電采集器的性能得到大幅度提升，但仍存在以下不足：

①微型采集器實驗結果與理論結果吻合度較差。微彎曲、微壓痕等實驗證明器件尺寸達到微米級后尺寸效應影響明顯，傳統(tǒng)動力學難以解釋其原因，建立更能準確描述采集器實際運動狀態(tài)的動力學模型就顯得尤為迫切。

②器件的諧振頻率較高，與周圍低頻振動環(huán)境無法有效匹配。環(huán)境振動能量主要分布在300hz以內，較高的諧振頻率導致采集器無法在低頻振動環(huán)境得到有效的激勵，進而無法獲取足夠的能量

③工作頻帶較窄，能量轉換效率低。采集器僅在諧振頻率點上才能高效轉換能量，在其他頻率分布基本不能轉換能量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述難題，提供了一種采用壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器及方法，該結構兼顧低諧振頻率和寬工作頻帶需求，能夠更好的適應周圍的振動環(huán)境，進而轉換更多的能量，提高能量的轉換效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

一種壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器，包括：懸臂梁和n個質量塊；所述懸臂梁的一端為固定端，另一端為自由端；在所述懸臂梁上按照設定間隔分別固定質量塊，所述質量塊將懸臂梁分成n段，每一段懸臂梁的末端部均固定有質量塊，其中，n為正整數(shù)。

進一步地，所述懸臂梁的上下表面分別附有pzt壓電材料涂層，pzt壓電材料涂層的上下表面分別粘貼銅電極。

進一步地，所述每一段懸臂梁的長度以及寬度根據(jù)實際應用情況進行調整。

進一步地，在外界激勵下，采集器發(fā)生振動，結構中懸臂梁發(fā)生彎曲變形，進而使得pzt材料也產生形變，從而將環(huán)境中的振動機械能轉換為電能，通過后續(xù)供電電路輸出電能。

進一步地，以wi(x,t)(i＝1,2,…,n)表示各段懸臂梁在加速度激勵下的橫向振動位移，則各wi(x,t)滿足微分方程：

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

其中，ρi為每段懸臂梁的線密度，ai為每段懸臂梁的橫截面積，ei為材料的等效彈性模量，ii為抗彎剛到，μ為拉梅系數(shù)，l為材料的本征長度；wi為每段懸臂梁的振動位移，wi,tt為wi對時間t的二階偏導數(shù)，wi,xxxx為wi對x的四階偏導數(shù)。

一種壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器的工作方法，包括：

(1)根據(jù)實際應用所需要的諧振頻率和實際供電需求，確定質量塊的個數(shù)n；

(2)將質量塊按照設定的間距粘貼在懸臂梁上，保證每一段懸臂梁的末端部均固定有質量塊，以降低每一段懸臂梁的固有頻率；

(3)在外界激勵下，采集器發(fā)生振動，結構中懸臂梁發(fā)生彎曲變形，進而使得附著在懸臂梁上下表面的pzt壓電材料涂層也產生形變，通過銅電極將環(huán)境中的振動機械能轉換為電能，通過后續(xù)供電電路輸出電能。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采集器結構一方面可以根據(jù)需要在低至15～20hz的大密度振動能量頻率區(qū)域實現(xiàn)振動能量采集，另一方面還可以有效利用采集器的高階模態(tài)設計使采集器工作頻帶拓寬至常見的單一懸臂梁結構的2倍以上。

本發(fā)明充分考慮微尺度效應的影響，建立具有表征材料特性的尺度系數(shù)的動力學模型，從而將微型器件的系統(tǒng)建模與宏觀系統(tǒng)的建模區(qū)別開來，為準確描述采集器實際運動狀態(tài)提供理論依據(jù)。

本發(fā)明采集器結構同時兼顧了低工作頻率、寬工作頻帶及采集器結構微型化，可更好的適應復雜多變的振動環(huán)境，且從周圍振動環(huán)境中獲取到足夠的能量，顯著提高采集器的工作效率，為物聯(lián)網(wǎng)微無線傳感器系統(tǒng)的自供能式集成化建立技術支持。

本發(fā)明主要面向低頻微振動環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器供電問題，未來傳感器向微型化、自供能方向發(fā)展，決定了這種高效的微發(fā)電裝置將有廣闊的市場前景。通過本發(fā)明與微型傳感器的匹配集成，具有尺寸小、質量輕、慣性小、功耗低等優(yōu)點，有益于排除噪聲對有用信號的干擾，節(jié)省了空間、原料和能源。不僅可以擺脫外在電源、電纜等對傳統(tǒng)傳感器的束縛，還可以完成傳統(tǒng)傳感器不能勝任的測試任務。

附圖說明

圖1是本發(fā)明低頻寬帶振動能量采集器結構示意圖；

圖2是本發(fā)明低頻寬帶振動能量采集器橫截面示意圖示意圖；

圖3是本發(fā)明n＝2時采集器的結構示意圖；

圖4(a)是1段梁在1g加速度激勵下，pzt-5h表面集聚的電荷隨頻率變換的曲線；

圖4(b)是1段梁在1g加速度激勵下，電壓隨頻率變換的曲線；

圖5(a)是2段梁在1g加速度激勵下，pzt-5h表面集聚的電荷隨頻率變換的曲線；

圖5(b)是2段梁在1g加速度激勵下，電壓隨頻率變換的曲線；

圖6(a)是n＝2時采集器電荷隨頻率變化曲線；

圖6(b)是n＝2時采集器電壓隨頻率變化曲線。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

本發(fā)明公開了一種采用壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器，該新型采集器由n段梁和n個質量塊構成，其中n的值可根據(jù)實際供電需求確定，可為待供能設備提供精準的供能方案?？紤]尺度效應影響因素，完善其動力學模型，結合有限元分析和實驗測試的方法驗證模型的準確性，同時驗證新型采集器是否滿足兼顧低諧振頻率和寬工作頻帶的需求。

⑴微型能量采集器結構設計

一種壓電梁-集中質量相間結構的低頻寬帶振動能量采集器，包括：懸臂梁和n個質量塊；懸臂梁的一端為固定端，另一端為自由端；在懸臂梁上按照設定間隔分別固定質量塊，質量塊將懸臂梁分成n段，每一段懸臂梁的末端部均固定有質量塊，用于降低每段梁的固有頻率。以mi(i＝1,2,…,n)表示質量塊的質量，mn位于懸臂梁的末端，如圖1所示。

首先梁的總長度應滿足：在外界激勵下，采集器的固定端應力小于材料的需用應力。n的值可以根據(jù)實際供電需求確定，一般不易太大；采用n段梁的目的是激勵采集器在低頻范圍內存在兩個或者更多的諧振頻率，且各諧振頻率相差不大，同時諧振點上的響應可以相互促進。

采集器主要有五層結構：從上到下依次為質量塊、上壓電層、si梁、下壓電層，且上、下壓電層的便面均敷有上下cu電極；pzt材料粘貼在si懸臂梁上，隨si懸臂梁一起振動，而cu電極黏貼在pzt材料的上下表面，用于輸出采集器轉換的電能。

該采集器的橫截面如圖2所示，其中tb、tp和te分別為si梁、pzt材料和cu電極的厚度，b為梁的寬度。根據(jù)各附加質量塊的位置將整個懸臂梁劃分為n段，并記各段梁的長度和剛度分別為li和eiii(i＝1,2,…,n)，且各段直梁均為復合梁，即在si材料基梁的上下表面附有pzt壓電材料涂層和cu電極。

在外界激勵下，采集器發(fā)生振動，結構中si梁發(fā)生彎曲變形，進而使得pzt材料也產生形變，從而將環(huán)境中的振動機械能轉換為電能，通過后續(xù)供電電路輸出電能。

(2)采集器的動力學模型

考慮尺度效應影響，引入尺度系數(shù)，以wi(x,t)(i＝1,2,…,n)表示各段梁在加速度激勵下的橫向振動位移，則各wi(x,t)滿足一下微分方程：

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

其中，ρi為每段梁的線密度，ai為每段梁的橫截面積，wi為每段梁的振動位移，ei為材料的等效彈性模量，ii為抗彎剛到，μ為拉梅系數(shù)，l為材料的本征長度。

(3)新型采集器的性能分析

以n＝2為例分析采集器的性能，其結構示意圖如圖3所示。忽略上、下cu電極的影響，選取pzt-5h作為壓電材料，且僅在si梁的一側黏貼。以b1、tb1、tp11、b2、tb2分別表示第1和2段梁的寬度和厚度，tp12、tp12分別表示第1和2段梁上pzt-5h的厚度，其幾何尺寸詳見表1所示。

表1n＝2時采集器的幾何尺寸

將表1中的結合參數(shù)代入到由式(1)得到的外界激勵響應模型中得到的輸出性能與實驗測試的結果高度吻合，說明了尺度效應確實存在于微結構中，且不可忽略；同時也充分驗證了改進動力學模型的準確性，為后續(xù)采集器的設計、性能優(yōu)化以及研制提供理論指導。

實驗條件：在“通用mems技術實驗室”通過sol-gel工藝、濺射、光刻、su8膠等工藝完成新型微壓電能量采集器的制備，并在pcb進行封裝。

試驗設備：信號發(fā)生器、功率放大器、激振臺、加速度傳感器、穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集卡、激光測振儀等。

以n＝2為例研究了新型能量采集器的諧振頻率與輸出電壓等性能，結果表明與單一懸臂梁采集器相比，其諧振頻率大大降低，且工作頻帶得到較大的拓寬。

分別以采集器的每段梁變形產生的電荷量以及電壓為研究對象，分析其隨頻率變化的情況。圖4(a)、圖4(b)、圖5(a)、圖5(b)分別為第1、2段梁在1g加速度激勵下，pzt-5h表面集聚的電荷以及電壓隨頻率變換的曲線。采集器的諧振頻率得到大幅降低，在50hz內存在15.25hz和23.08hz兩個諧振點，可更好的匹配低頻環(huán)境振動。由圖6(a)、圖6(b)可知：當輸出電壓為80mv時，采集器的有效工作頻帶為20.32hz，彌補了單一諧振頻率采集器能量轉化效率低的不足。

表2幾種懸臂梁式能量采集器的性能比較

本發(fā)明結構的優(yōu)點是可帶來多個諧振頻率且各諧振頻率相差較小，從而形成有效工作帶寬。由表2可知，該類采集器的諧振頻率和有效工作頻帶均得到優(yōu)化，且可根據(jù)實際供電需求調整采集器的參數(shù)，極大的優(yōu)化了微電源的性能，從而更好滿足待供能設備的供能需求。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。