專利名稱：一種寬頻壓電俘能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件供電系統(tǒng)，特別涉及一種利用從微電子器件的工作環(huán)境中 俘獲的振動能對微電子器件進(jìn)行供電的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在微電子器件得到廣泛應(yīng)用的背景下，傳統(tǒng)的攜帶電池供能方式使用周期短、質(zhì) 能比高、有時受環(huán)境限制而更換困難的缺點(diǎn)使其不適合應(yīng)用到現(xiàn)代聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)中去，因 此必須尋求更有效的微電子器件的供能方式。使現(xiàn)代聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)能朝著更微型化、更集 成電路化發(fā)展，并具有如自動校準(zhǔn)、無線操縱、人機(jī)相容等現(xiàn)代功能。目前，一種有效的微電子器件的供能方式是利用微電子器件的工作環(huán)境的振動 能。具體地，在微電子器件的工作環(huán)境中普遍存在著噪音或機(jī)械振動，由于微電子器件工 作時的耗能并不大，故可通過設(shè)計一俘能裝置，所述俘能裝置直接從微電子器件的工作環(huán) 境的振動中提取能量，利用提取的能量對微電子器件供電。這種俘能裝置也稱為俘能器 (energy harvester)，其無線獲能的特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注(參見文獻(xiàn)[1])。其中，壓電俘 能器由于轉(zhuǎn)換方式(力電轉(zhuǎn)換方式)的特殊性，轉(zhuǎn)換效率高、能耗低，并且有利于微型化，這 種壓電俘能器最受推崇。然而，現(xiàn)有壓電俘能器生產(chǎn)出來之后多為固定頻率的器件，而環(huán)境振動源的頻率 可能時刻都在變化，不僅如此，同一個環(huán)境振動源還可能包含多個振動頻率譜(參見文獻(xiàn) [2])，另外，在如溫度、電磁場、引力變化等多種因素的影響下，環(huán)境振動源的頻率可能發(fā)生 漂移。而對于壓電俘能器來說，一旦環(huán)境振動源的頻率偏離了壓電俘能器的壓電俘能結(jié)構(gòu) 的固有頻率，俘能結(jié)構(gòu)與多頻環(huán)境振動源之間的相互作用就非常弱，其輸出功率也會大幅 減小，很難保證微電子器件的正常工作。因此，有必要提供一種改進(jìn)的壓電俘能器來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。上述提到的相關(guān)文獻(xiàn)[1]Joseph A D.Energy harvesting projects[J]. IEEE Pervasive Computing, 2005,4 69 71.[2]Roundy S, P W, Rabaey J. A study of low lever vibrations as a power source for wireless sensor nodes[J]. Computer Communications,2003, 26 1131 1144.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種寬頻壓電俘能系統(tǒng)，其工作頻率較寬，能適應(yīng)環(huán)境振動 源頻率的變化，并且與多頻環(huán)境振動源之間的相互作用強(qiáng)，輸出功率大，能保證微電子器件 的正常工作。。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種寬頻壓電俘能系統(tǒng)，包括主支柱，位于微 電子器件的工作環(huán)境中；以及由多個長度不等且依次串聯(lián)的壓電雙晶片構(gòu)成的壓電雙晶片
3串，其中每個壓電雙晶片的一端懸置于所述主支柱，所述壓電雙晶片串的輸出適用于與所 述微電子器件連接。在本發(fā)明的一個實施例中，所述壓電雙晶片串為多個，所述多個壓電雙晶片串相
互并聯(lián)。在本發(fā)明的另一實施例中，每個并聯(lián)的壓電雙晶片串串聯(lián)一控制開關(guān)。在本發(fā)明的再一實施例中，所述每個壓電雙晶片包括相互間隔的一對壓電陶瓷 層，所述一對壓電陶瓷層的厚度相同，并且均沿厚度方向極化且極化方向相同；金屬層，夾 持于所述一對壓電陶瓷層之相對面；以及并聯(lián)的一對電極，分別位于所述一對壓電陶瓷層 之相反面。在本發(fā)明的又一實施例中，所述金屬層為鋁合金層。在本發(fā)明的再一實施例中，所述壓電陶瓷層為PZT-5H壓電陶瓷層。在本發(fā)明的又一實施例中，所述壓電陶瓷層與所述金屬層的厚度比為0.4 1。與現(xiàn)有技術(shù)相比，現(xiàn)有技術(shù)中的俘能元件皆為單一自然頻率器件，在生產(chǎn)出來之 后由于其幾何形狀和工作邊界的限制其主工作頻率無法調(diào)節(jié)，一旦環(huán)境的振動頻率遠(yuǎn)離該 工作頻率，其間的相互作用就會很微弱，俘能效率很低。而本發(fā)明中的寬頻壓電俘能系統(tǒng)中 包含多個長度不等的壓電雙晶片，其獨(dú)立自然頻率各不相同，再通過電學(xué)串聯(lián)的方式將各 晶片相連接，使其工作頻率帶得到明顯的拓寬，從而能更有效的從變化的多頻環(huán)境振動源 中提取能量。另外，本發(fā)明寬頻壓電俘能系統(tǒng)的工作頻率帶的位置可以通過改變控制開關(guān)的開 閉狀態(tài)來增加或減少并聯(lián)壓電雙晶片分支的個數(shù)，從而移動到不同的頻率區(qū)域上。本俘能 系統(tǒng)的頻率適應(yīng)性更強(qiáng)，能根據(jù)環(huán)境震動源頻率的變化來作相應(yīng)調(diào)整。通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實施例。


圖1為本發(fā)明寬頻壓電俘能系統(tǒng)的第一實施例的電路圖。圖Ia為圖1所示寬頻壓電俘能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib為圖1所示寬頻壓電俘能系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)示意圖。圖2為圖1所示寬頻壓電俘能系統(tǒng)的壓電雙晶片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為具有并聯(lián)壓電雙晶片的壓電俘能系統(tǒng)的電路圖。圖3a為圖3所示壓電俘能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3b為圖3所示壓電俘能系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)示意圖。圖4為本發(fā)明寬頻壓電俘能系統(tǒng)第二實施例的電路圖。圖4a為圖4所示寬頻壓電俘能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4b為圖4所示寬頻壓電俘能系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標(biāo)號代表類似的元件。圖1和圖Ia為本發(fā)明寬頻壓電俘能系統(tǒng)的第一實施例。參考圖1和圖la，所述寬頻壓電俘能系統(tǒng)包括主支柱1000和一個壓電雙晶片串。所述主支柱1000位于微電子器 件2000的工作環(huán)境中。所述壓電雙晶片串由多個長度不等且依次串聯(lián)的壓電雙晶片(PB， Piezoelectric Bimorph)(由圖1、圖Ia中的標(biāo)號1、2、. . .、！η標(biāo)示)構(gòu)成，每個壓電雙晶片
1、2.....m的一端懸置于所述主支柱1000 (即一端固定與所述主支柱1000，另一端呈自由
狀態(tài))，其中壓電雙晶片串的輸出適用于與所述微電子器件2000連接。當(dāng)微電子器件2000的工作環(huán)境中出現(xiàn)噪音或機(jī)械振動時，所述主支柱1000也發(fā)
生震動，此時，壓電雙晶片串中的每個壓電雙晶片1、2.....m均發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電荷并
有功率輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，現(xiàn)有技術(shù)中俘能器件為單一自然頻率器件，一旦頻率 與環(huán)境的振動頻率不相匹配，則會導(dǎo)致整個器件的輸出電壓很低，從而使得其輸出功率微 弱，由于本發(fā)明中各壓電雙晶片已進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計，因此串聯(lián)分支總電壓為每塊壓電雙晶片 的輸出電壓之和。只要其中若干壓電雙晶片的頻率與環(huán)境的振動頻率接近，俘能系統(tǒng)與多 頻環(huán)境振動源之間的相互作用加強(qiáng)，輸出功率增大，俘能效率高，能保證微電子器件的正常 工作。另外，本實施例寬頻壓電俘能系統(tǒng)的工作頻率帶通過多個長度不等的壓電雙晶片串 聯(lián)得到拓寬，能有效的從變化的多頻環(huán)境振動源中提取能量，為微電子器件供電。下面結(jié)合實際實驗驗證圖1所示實施例一寬頻壓電俘能系統(tǒng)的性能。圖Ib展示了兩種情況下寬頻壓電俘能系統(tǒng)的輸出功率隨外激勵頻率的變化規(guī) 律以長度為69. Omm的單個壓電雙晶片作為俘能結(jié)構(gòu)；以長度分別為68. 0,68. 5,69. 0、 69. 5，70. Omm的五個壓電雙晶片串聯(lián)作為俘能結(jié)構(gòu)。通過比較發(fā)現(xiàn)，通過串聯(lián)一系列長度 不同的壓電雙晶片，不僅能大幅的提高俘能器的輸出功率，而且能將輸出功率在IOyW以 上的工作頻率帶范圍(OFB)由(91，96)Hz拓寬至(85，103)Hz?？梢岳斫?，如果壓電雙晶片 串聯(lián)更多或者串聯(lián)的壓電雙晶片的長度更大或更小，俘能器的工作頻率帶范圍會進(jìn)一步拓 寬。這里，可以根據(jù)實際情況選擇壓電雙晶片的長度變化方式及長度變化范圍。如圖2，所述每壓電雙晶片1、2.....m包括第一壓電陶瓷層110、第二壓電陶瓷層
120、金屬層200、第一電極310和第二電極320。所述第一壓電陶瓷層110和第二壓電陶瓷層120可以為PZT-5H壓電陶瓷層， 也可以為其他型號的壓電陶瓷層。PZT-5H壓電陶瓷層主要參數(shù)為(sn，d31，ε33)= (16. 5Xl(T12m2/N，_274X1(T12C/N，3400 ε )， ^33 = ^33G-^) ； 4 K^sn) ； ε 0 = 8.854X10_12F/m，P = 7500kg/m3，其中，S11為柔度系數(shù)，d31為壓電系數(shù)，ε 33為介電系數(shù)， k31為機(jī)電耦合系數(shù)，ε C1為真空介電系數(shù)，P為密度。另外，所述第一壓電陶瓷層110和第二壓電陶瓷層120的厚度相同，均為h，并且在 厚度方向上間隔一定距離。在實施例中，所述第一壓電陶瓷層110和第二壓電陶瓷層120 在厚度方向上間隔的距離為2c。具體地，第一壓電陶瓷層110沿厚度方向具有第一上表面 和與所述第一上表面相對的第一下表面112 ；第二壓電陶瓷層120沿厚度方向具有第二上 表面121和與所述第二上表面121相對的第二下表面，其中，第一壓電陶瓷層110的第一下 表面112與第二壓電陶瓷層120的第二上表面121相對，第一壓電陶瓷層110的第一上表 面與第二壓電陶瓷層120的第二下表面相反。另外，所述第一壓電陶瓷層110和第二壓電 陶瓷層120均沿厚度方向極化，其中第一壓電陶瓷層110的極化方向ρ是第一下表面至第 一上表面；第二壓電陶瓷層120的極化方向ρ是第二下表面至第二上表面。所述金屬層200夾持于所述第一壓電陶瓷層110的第一下表面112與所述第二壓電陶瓷層120的第二上表面121，并且厚度為2c。所述金屬層200可以為鋁合金層，較佳地， 所述鋁合金層的楊氏模量E = 70GPa，密度P = 2700kg/m3，此時，鋁合金層的韌性較好，成 本較低。所述金屬層200也可以為其他材料構(gòu)成的金屬層。較佳地，所述第一壓電陶瓷層 110 (或第二壓電陶瓷層120)與所述金屬層200的厚度比為0.4 1。當(dāng)然，所述第一壓電 陶瓷層110 (或第二壓電陶瓷層120)與所述金屬層200的厚度比也可以為0. 3。所述第一電極310位于所述第一壓電陶瓷層110的第一上表面；所述第二電極 320位于所述第二壓電陶瓷層120的第二下表面，并且所述第一電極310和第二電極320通 過導(dǎo)線并聯(lián)。圖3和圖3a展示了具有并聯(lián)壓電雙晶片的壓電俘能系統(tǒng)。如圖3和圖3a，所述壓 電俘能系統(tǒng)包括位于微電子器件2000的工作環(huán)境中的主支柱1000、以及多個長度不等且
依次并聯(lián)的壓電雙晶片1、2.....η。其中每個壓電雙晶片1、2.....η懸置于所述主支柱，
且每個壓電雙晶片1、2.....η的輸出適用于與所述微電子器件2000連接。當(dāng)微電子器件2000的工作環(huán)境中出現(xiàn)噪音或機(jī)械振動時，所述主支柱1000也發(fā) 生震動，此時，每個壓電雙晶片均發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電荷并有功率輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有技 術(shù)相比，本實施例各壓電雙晶片相互并聯(lián)，因此總的輸出功率為每個壓電雙晶片輸出功率 的總和，每個壓電雙晶片的自然頻率各不相同，因此對應(yīng)的振動幅度和輸出功率也不相同， 即使環(huán)境的振動頻率發(fā)生變化，也會有接近環(huán)境的振動頻率的壓電雙晶片存在，俘能系統(tǒng) 與多頻環(huán)境振動源之間的相互作用加強(qiáng)，輸出功率增大，俘能效率高，能保證微電子器件的 正常工作。另外，本實施例寬頻壓電俘能系統(tǒng)多個壓電雙晶片并聯(lián)可移動工作頻率帶的頻 率區(qū)域，能有效的從變化的多頻環(huán)境振動源中提取能量，為微電子器件供電。下面結(jié)合實際實驗驗證圖3所示壓電俘能系統(tǒng)的性能。圖3b展示了四種情況下俘能系統(tǒng)的輸出功率隨外激勵頻率的變化規(guī)律以長度 為68. Omm的單個壓電雙晶片作為俘能結(jié)構(gòu)；以長度為69. Omm的單個壓電雙晶片作為俘能 結(jié)構(gòu)；以長度為70. Omm的單個壓電雙晶片作為俘能結(jié)構(gòu)；以長度分別為68. 0、69. 0、70. Omm 的三個壓電雙晶片并聯(lián)作為俘能結(jié)構(gòu)。通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在一個壓電雙晶片上再并聯(lián)兩個 長度不同的壓電雙晶片后，新的俘能系統(tǒng)的共振峰仍有三個，但如圖4中虛線所示，與以這 三個壓電雙晶片為俘能結(jié)構(gòu)的俘能系統(tǒng)相比共振點(diǎn)都發(fā)生了比較明顯的漂移。這種頻率 漂移主要源于增加或減少并聯(lián)壓電雙晶片的個數(shù)時對電學(xué)邊界條件的影響。圖4和圖4a為本發(fā)明寬頻壓電俘能系統(tǒng)的第二實施例。如圖4和圖4a，所述寬頻 壓電俘能系統(tǒng)包括主支柱1000和多個壓電雙晶片串。與圖1所示第一實施例壓電俘能系 統(tǒng)相比，本實施例主支柱以及每個壓電雙晶片串的連接關(guān)系及工作原理均與圖1所示壓電 俘能系統(tǒng)的主支柱以及壓電雙晶片串的連接關(guān)系及工作原理相同，不同的是，本實施包括
多個壓電雙晶片串，如由壓電雙晶片11、12.....Im構(gòu)成的第一個壓電雙晶片串、由壓電雙
晶片21、22.....2m構(gòu)成的第二個壓電雙晶片串.....由壓電雙晶片η 1、n2.....nm構(gòu)成的
第η個壓電雙晶片串，所述多個壓電雙晶片串相互并聯(lián)。當(dāng)微電子器件2000的工作環(huán)境中出現(xiàn)噪音或機(jī)械振動時，所述主支柱1000也發(fā) 生震動，此時，每個壓電雙晶片串中的每個壓電雙晶片均發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電荷并有功率 輸出。本實施例的各壓電雙晶片的振動幅度和輸出功率各不相同，會存在與環(huán)境的振動頻 率接近的壓電雙晶片，從而趨近共振，俘能系統(tǒng)與多頻環(huán)境振動源之間的相互作用加強(qiáng)，輸出功率增大，俘能效率高，能微電子器件正常工作。由上述技術(shù)方案可知，本實施例寬頻壓電俘能系統(tǒng)一方面通過多個長度不等的壓 電雙晶片串聯(lián)來拓寬工作頻率帶，另一方面通過多個壓電雙晶片串并聯(lián)來移動工作頻率帶 的頻率區(qū)域。因此，本壓電俘能系統(tǒng)能更有效的從變化的多頻環(huán)境振動源中提取能量，為微 電子器件供電。在本實施例中，每個并聯(lián)的壓電雙晶片串均串聯(lián)一控制開關(guān)。具體地，如圖4，第一 個壓電雙晶片串串聯(lián)第一控制開關(guān)S1 ；第二個壓電雙晶片串串聯(lián)第一控制開關(guān)S2 ..；第 一個壓電雙晶片串串聯(lián)第一控制開關(guān)sn。因此，本寬頻壓電俘能系統(tǒng)能通過改變與壓電雙 晶片串串聯(lián)的控制開關(guān)的S1、S2、. .. Sn的開閉狀態(tài)來增加或減少并聯(lián)的壓電雙晶片串的個 數(shù)，從而將寬頻壓電俘能系統(tǒng)的工作頻率帶移動到不同的頻率區(qū)域上。下面結(jié)合實際實驗驗證圖4b所示實施例二寬頻壓電俘能系統(tǒng)的性能。圖4b所示為具有三個壓電雙晶片串且每個壓電雙晶片串上具有4個不同長度壓 電雙晶片的寬頻壓電俘能系統(tǒng)的輸出功率隨外激勵頻率的變化規(guī)律(第一壓電雙晶片串 包括相互串聯(lián)并且長度分別為70. 0,69. 0,68. 0,67mm的4個壓電雙晶片；第二壓電雙晶片 串包括相互串聯(lián)并且長度分別為68. 0,67. 0,66. 0,65. Omm的4個壓電雙晶片；第三壓電雙 晶片串包括相互串聯(lián)并且長度分別為66. 0,65. 0,64. 0,63. Omm的4個壓電雙晶片)。每個 壓電雙晶片串上都設(shè)有一個控制開關(guān)，如圖4b所示，通過合理的改變各控制開關(guān)Si (i = 1， 2,3)的開閉狀態(tài)可以有效的調(diào)節(jié)俘能系統(tǒng)的工作頻率帶。從圖4b可以看出1)壓電俘能 系統(tǒng)的工作頻率帶可以通過多個長度不等的壓電雙晶片串聯(lián)得到明顯的拓寬，從而能更有 效的從變化的多頻環(huán)境振動源中提取能量；2)壓電俘能系統(tǒng)的工作頻率帶的位置可以通 過改變控制開關(guān)的開閉狀態(tài)來增加或減少并聯(lián)壓電雙晶片分支的個數(shù)，從而移動到不同的 頻率區(qū)域上。以上結(jié)合最佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實施 例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
權(quán)利要求
一種寬頻壓電俘能系統(tǒng)，包括主支柱，位于微電子器件的工作環(huán)境中；以及由多個長度不等且依次串聯(lián)的壓電雙晶片構(gòu)成的壓電雙晶片串，其中每個壓電雙晶片的一端懸置于所述主支柱，所述壓電雙晶片串的輸出適用于與所述微電子器件連接。
2.如權(quán)利要求1所述的寬頻壓電俘能系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電雙晶片串為多個，所 述多個壓電雙晶片串相互并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1所述的寬頻壓電俘能系統(tǒng)，其特征在于，每個并聯(lián)的壓電雙晶片串串 聯(lián)一控制開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1或3所述的寬頻壓電俘能系統(tǒng)，其特征在于，所述每個壓電雙晶片包括相互間隔的一對壓電陶瓷層，所述一對壓電陶瓷層的厚度相同，并且均沿厚度方向極 化且極化方向相同；金屬層，夾持于所述一對壓電陶瓷層之相對面；以及 并聯(lián)的一對電極，分別位于所述一對壓電陶瓷層之相反面。
5.如權(quán)利要求4所述的寬頻壓電俘能系統(tǒng)統(tǒng)，其特征在于，所述金屬層為鋁合金層。
6.如權(quán)利要求4所述的寬頻壓電俘能系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電陶瓷層為PZT-5H壓 電陶瓷層。
7.如權(quán)利要求4所述的寬頻壓電俘能系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電陶瓷層與所述金屬 層的厚度比為0.4 1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬頻壓電俘能系統(tǒng)，包括位于微電子器件的工作環(huán)境中的主支柱，以及由多個長度不等且依次串聯(lián)的壓電雙晶片構(gòu)成的壓電雙晶片串，其中每個壓電雙晶片的一端懸置于所述主支柱，所述壓電雙晶片串的輸出適用于與所述微電子器件連接。本發(fā)明的工作頻率帶寬，能更有效的從變化的多頻環(huán)境振動源中提取能量，保證微電子器件正常工作。本發(fā)明寬頻壓電俘能系統(tǒng)也可通過并聯(lián)多個壓電雙晶片串來移動工作頻率帶的位置，采用控制開關(guān)控制各個壓電雙晶片串的啟用，進(jìn)而變化工作頻率帶的位置，這樣，本系統(tǒng)的頻率適應(yīng)性更強(qiáng)，能適應(yīng)多頻振動源。
文檔編號H02N2/18GK101938224SQ20101020742
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者李榮鋒, 薛歡 申請人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司