基于駐極體的mems電場(chǎng)能量收集器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于能量收集利用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器，主要用于空間中交流電場(chǎng)的能量收集。該收集器包括：絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體；其中壓電絲置于絕緣基板平行上方；通過(guò)支撐面上粘附的駐極體構(gòu)成的靜電場(chǎng)，對(duì)處于場(chǎng)中的壓電絲提供適當(dāng)?shù)钠?；在靜電場(chǎng)偏置下的壓電絲對(duì)外加電場(chǎng)的敏感性大大增強(qiáng)，當(dāng)壓電絲在外部電場(chǎng)激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)，壓電材料受拉伸或壓縮發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部電荷流動(dòng)形成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)壓電絲連接的外部電路完成對(duì)電場(chǎng)能量的收集功能。本發(fā)明采用MEMS微加工工藝制造，開(kāi)創(chuàng)性的利用了空間中的電場(chǎng)能量，體積小攜帶方便，成本低。
【專利說(shuō)明】基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能量收集利用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)直接決定電網(wǎng)運(yùn)行的安全和效益，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一般通過(guò)安裝故障檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的方法。故障檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通常懸掛于架空的高壓線上，采用常規(guī)方式對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)供電會(huì)存在很大的困難。目前已有如下的方案包括:1)電池，使用電池供電不受周圍環(huán)境影響，但是電池壽命有限，需要頻換更換；2)太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池是一種很好的辦法，但受環(huán)境影響較大，使用范圍相當(dāng)有限；3)高壓電流感應(yīng)電源，該方法依靠高壓線路中交流電的磁路經(jīng)過(guò)線圈來(lái)感應(yīng)獲得能量，原理類似于變壓器；不足之處在于高壓線路中的電流強(qiáng)度隨用戶用電情況會(huì)發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致能源供應(yīng)非常不穩(wěn)定，甚至?xí)嬖跀嚯姷目赡堋?br> [0003]基于以上認(rèn)識(shí)和分析，傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的電源供應(yīng)需滿足輸出穩(wěn)定，不受環(huán)境影響，不用人工干預(yù)等要求，最好能從承載巨大能量的高壓線自身獲取電能。在這個(gè)情況下，我們結(jié)合MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù),提出基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器。
[0004]能量搜集器被視為解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題的最佳方案，其自身能搜集利用周圍環(huán)境中的各種能源，如熱能、機(jī)械能、動(dòng)能、場(chǎng)能、化學(xué)能等等，并將這些能源轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供電。隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器件單元工作所需的能量越來(lái)越小，也為各類傳感器和能量收集器的加工制造提供可能，因此在解決節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題上具有很大的前景和實(shí)際價(jià)值。環(huán)境中的電場(chǎng)是無(wú)處不在的，全世界都基本被工頻輸電網(wǎng)覆蓋，或高壓或低壓或二者皆有。尤其是高壓輸電線周圍，電磁場(chǎng)資源更為豐富；高壓輸電線的電壓是極其穩(wěn)定的，且高壓對(duì)應(yīng)的周圍電場(chǎng)也很強(qiáng)，蘊(yùn)藏著充足的場(chǎng)能。如何利用場(chǎng)能成為解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出的一種基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器，主要由絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體所組成。
[0006]所述絕緣基板水平放置于傳感器底部，壓電絲放置在絕緣基板的平行上方。
[0007]所述支撐面由絕緣材料做成，垂直固定在絕緣基板上，且和壓電絲保持一定距離。
[0008]所述駐極體粘附于支撐面上，用駐極體膠帶或液態(tài)駐極體勻膠粘附。
[0009]所述壓電絲與外部電路相連。
[0010]所述收集器的工作方式如下:
[0011]支撐面上的駐極體經(jīng)過(guò)駐極之后，內(nèi)部電荷會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電荷，從而在周圍產(chǎn)生靜電場(chǎng)；放置于中間的壓電絲在靜電場(chǎng)作用下，發(fā)生一個(gè)固定的偏轉(zhuǎn)，即所謂的偏置；在靜電場(chǎng)偏置下的壓電絲對(duì)外加電場(chǎng)的敏感性大大增強(qiáng)，當(dāng)壓電絲在外部電場(chǎng)激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)，根據(jù)壓電絲材料的壓電效應(yīng)，壓電材料受拉伸或壓縮發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部電荷流動(dòng)形成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)壓電絲連接的外部電路完成對(duì)電場(chǎng)能量的收集功能。
[0012]本發(fā)明與已有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn):
[0013]I)巧妙利用了高壓線本身所傳輸?shù)木薮竽芰?；且高壓線電壓不變，其周圍的電場(chǎng)分布是一個(gè)穩(wěn)定的交變電場(chǎng)，因此收集器能穩(wěn)定工作，為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)可靠提供電源。
[0014]2)用駐極體形成了一個(gè)內(nèi)部靜電場(chǎng)，為壓電絲提供了初始偏置，使得壓電絲收到很小的擾動(dòng)就會(huì)振動(dòng)起來(lái)，增強(qiáng)了該系統(tǒng)的靈敏性和輸出能量，尤其是針對(duì)低頻且強(qiáng)度較弱的電場(chǎng)。
[0015]3)含金屬芯的壓電纖維在靜電場(chǎng)中振動(dòng)時(shí),根據(jù)壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電荷,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；巧妙實(shí)現(xiàn)靜電場(chǎng)和振動(dòng)結(jié)合，并可優(yōu)化達(dá)到最大輸出。
[0016]4)使用MEMS技術(shù)十分有利于系統(tǒng)集成和批量生產(chǎn)，傳感器體積小，同時(shí)降低了成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明提出的一種基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器，如圖1所示，主要由絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體所組成。
[0020]絕緣基板水平放置于傳感器底部，壓電絲放置在絕緣基板的平行上方。
[0021]支撐面由絕緣材料做成，垂直固定在絕緣基板上，且和壓電絲保持一定距離。
[0022]駐極體粘附于支撐面上，用駐極體膠帶或液態(tài)駐極體勻膠粘附。
[0023]壓電絲與外部電路相連。
[0024]本能量收集器的工作方式如下:
[0025]支撐面上的駐極體經(jīng)過(guò)駐極之后，內(nèi)部電荷會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電荷，從而在周圍產(chǎn)生靜電場(chǎng)；放置于中間的壓電絲在靜電場(chǎng)作用下，發(fā)生一個(gè)固定的偏轉(zhuǎn)，即所謂的偏置；在靜電場(chǎng)偏置下的壓電絲對(duì)外加電場(chǎng)的敏感性大大增強(qiáng)，當(dāng)壓電絲在外部電場(chǎng)激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)，根據(jù)壓電絲材料的壓電效應(yīng)，壓電材料受拉伸或壓縮發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部電荷流動(dòng)形成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)壓電絲連接的外部電路完成對(duì)電場(chǎng)能量的收集功能。
[0026]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于駐極體的MEMS電場(chǎng)能量收集器，其特征在于，主要由絕緣基板、壓電絲、支撐面、駐極體所組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的收集器，其特征在于，所述絕緣基板水平放置于傳感器底部，壓電絲放置在絕緣基板的平行上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的收集器，其特征在于，所述支撐面由絕緣材料做成，垂直固定在絕緣基板上，且和壓電絲保持一定距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的收集器，其特征在于，所述駐極體粘附于支撐面上，用駐極體膠帶或液態(tài)駐極體勻膠粘附。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的收集器，其特征在于，所述壓電絲與外部電路相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的收集器，其特征在于，所述收集器的工作方式如下: 支撐面上的駐極體經(jīng)過(guò)駐極之后，內(nèi)部電荷會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電荷，從而在周圍產(chǎn)生靜電場(chǎng)；放置于中間的壓電絲在靜電場(chǎng)作用下，發(fā)生一個(gè)固定的偏轉(zhuǎn)，即所謂的偏置；在靜電場(chǎng)偏置下的壓電絲對(duì)外加電場(chǎng)的敏感性大大增強(qiáng)，當(dāng)壓電絲在外部電場(chǎng)激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)，根據(jù)壓電絲材料的壓電效應(yīng)，壓電材料受拉伸或壓縮發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部電荷流動(dòng)形成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)壓電絲連接的外部電路完成對(duì)電場(chǎng)能量的收集功 能。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104022688SQ201410281164
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】黃景傲, 伍曉明, 邊濰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)