一種臼型壓電俘能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種白型壓電俘能器，屬于將周邊環(huán)境振動(dòng)能俘獲轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)供微電 子器件使用的自供電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子技術(shù)以及無(wú)線傳感技術(shù)的快速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品相繼邁入集成、微 型和低功耗的時(shí)代，隨之而來(lái)的問(wèn)題便是傳統(tǒng)電池慢慢難以滿足此類電子產(chǎn)品的要求。因 此，新的供電技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。
[0003] 環(huán)境中存在著機(jī)械能、風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能等能量存在方式，基于微電子產(chǎn)品的 供電要求，微電子產(chǎn)品依靠俘能技術(shù)從環(huán)境中俘獲能源的自供電方式慢慢成為解決微電子 產(chǎn)品供能問(wèn)題的優(yōu)選方案。
[0004]對(duì)此國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛開展了微電子產(chǎn)品自供電技術(shù)研究，綜合機(jī)械能、機(jī)械 能、風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能的俘獲效率和技術(shù)發(fā)展前景，從環(huán)境振動(dòng)中俘獲能量供能成為自 供電技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。振動(dòng)俘能方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的壓電俘 能結(jié)構(gòu)有懸臂梁結(jié)構(gòu)、固支梁結(jié)構(gòu)、跋型結(jié)構(gòu)、陣列式結(jié)構(gòu)等。常用的壓電片形狀有矩形、梯 形、三角形、圓形等。例如矩形壓電片，要想降低其諧振頻率來(lái)達(dá)到共振俘獲高的能量，只能 通過(guò)增長(zhǎng)長(zhǎng)度和增加質(zhì)量塊，而在體積固定的微電子產(chǎn)品中，通過(guò)長(zhǎng)度的增長(zhǎng)來(lái)達(dá)到降低 諧振頻率是不可能的，而增加質(zhì)量塊雖然可以達(dá)到降低諧振頻率，但是卻大大減少了壓電 片的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有壓電俘能結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種臼型壓電 俘能器，能夠與環(huán)境振動(dòng)頻率相匹配，提高壓電片單位面積輸出功率。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，本發(fā)明一種白型壓電俘能器，包括壓電振子、基片、第 一級(jí)電極、第二級(jí)電級(jí)和固定座。所述壓電振子包括壓電振子主梁和多個(gè)壓電振子副梁;所 述壓電振子主梁是由多個(gè)矩形首尾相互連接成的回環(huán)型結(jié)構(gòu)，壓電振子主梁的一個(gè)直線段 上開有缺口，將壓電振子主梁直線段分成壓電振子主梁A和壓電振子主梁B兩部分;兩個(gè)長(zhǎng) 方形C和D，對(duì)稱連接在回環(huán)內(nèi)兩側(cè)相對(duì)的壓電振子主梁中部，與主梁A和主梁B平行;所述壓 電振子主梁和兩個(gè)壓電振子副梁同處一水平面上，兩個(gè)壓電振子副梁中間相隔一段空隙。
[0007] 所述壓電振子主梁與所述壓電振子副梁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)類似于兩個(gè)E形開口面對(duì)面連 接在一起，這樣的結(jié)構(gòu)既兼顧了增長(zhǎng)壓電懸臂梁的有效長(zhǎng)度，從而降低共振頻率，還拓寬了 壓電俘能器的帶寬。
[0008] 所述第一級(jí)電極位于壓電振子的上表面，第二級(jí)電級(jí)位于壓電振子的下表面，粘 合劑將基片粘結(jié)在第二電極上;所述壓電振子主梁的缺口的一端作為固定端安裝在固定座 上，缺口的另一端作為自由端。
[0009] 所述第一電極與第二電極的電流方向相反。所述基片采用的是不銹鋼材料。
[0010] 所述俘能器在同樣體積結(jié)構(gòu)下，改變兩個(gè)壓電振子副梁C、D和壓電振子主梁A和B 的長(zhǎng)度，即改變壓電振子主梁A與壓電振子主梁B段的比例;壓電振子主梁A與壓電振子主梁 B的比例值從33%~300%之間，可以適應(yīng)低頻環(huán)境32~150Hz下的俘能要求，且有效帶寬值從 95Hz~124Hz之間變化。
[0011] 所述俘能器在同樣體積結(jié)構(gòu)下，增加1~3個(gè)副梁的個(gè)數(shù)，可以適應(yīng)低頻環(huán)境下的俘 能要求。
[0012] 所述壓電振子的總長(zhǎng)度范圍在20mm~55mm之間；壓電振子副梁的寬度范圍在1.5mm ~6mm之間。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明壓電俘能器在固定體積結(jié)構(gòu)的條件下，壓電振子主 梁段不變，增加副梁的個(gè)數(shù)，能夠有效改變壓電俘能器的各階諧振頻率，適應(yīng)環(huán)境振動(dòng)源的 頻率變化，提高輸出功率。本發(fā)明壓電俘能器在固定體積結(jié)構(gòu)的條件下，通過(guò)改變壓電振子 主梁二段的比例，壓電振子副梁保持和壓電振子主梁長(zhǎng)度的一致，能夠有效改變壓電俘能 器的各階諧振頻率，適應(yīng)環(huán)境振動(dòng)源的頻率變化，提高輸出功率。本發(fā)明的壓電俘能器降低 了長(zhǎng)期振動(dòng)而引起斷裂的可能性，延長(zhǎng)了壓電俘能器的使用壽命，符合微電子產(chǎn)品的微小、 集成要求。本發(fā)明的壓電俘能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖3 (a) (b)是利用ANSYS對(duì)實(shí)施例1的靜態(tài)分析仿真圖。 圖 4(a)(b)(C)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)是利用 ANSYS 對(duì)實(shí)施例1、2、3的模態(tài)分析 仿真圖； 圖5 (a)至(d)是利用ANSYS對(duì)第1、2、3實(shí)施例的諧響應(yīng)仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 實(shí)施例1 本發(fā)明實(shí)施例一種臼型壓電俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，壓電振子的俯視圖如圖2 所示。本實(shí)施例臼型壓電俘能器包括壓電振子1、基片2、第一級(jí)電極3、第二級(jí)電級(jí)6和固定 座5,其中壓電振子1是由多個(gè)矩形首尾相互連接成的類似于白型的結(jié)構(gòu)。第一級(jí)電極3和第 二級(jí)電級(jí)6的方向是相反的，第一級(jí)電極3位于壓電振子1的上表面，第二級(jí)電級(jí)6位于壓電 振子1的下表面，用粘合劑4將6與基片2粘住，基片2采用的是不銹鋼材料，主要作用有：1避 免壓電振子斷裂，2降低諧振頻率。其中壓電振子主梁段A的首端與固定端5連接在一起，壓 電振子主梁段B作為自由端，C、D為壓電俘能器的兩個(gè)壓電振子副梁，有降低頻率的效果。這 里壓電振子主梁段A、B與壓電振子副梁C、D均相等梁長(zhǎng)。
[0016] 其中壓電振子是由首尾相接的多個(gè)矩形壓電振子單元連接而成的類似于白型的 壓電振子結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，壓電振子主梁的兩個(gè)端口任意一個(gè)都可作為固定端。
[0017] 圖3給出了實(shí)施例1的靜態(tài)分析，即施加0.1N的力在壓電振子上獲得的電子云圖， 如圖3(a)所不，和應(yīng)力分布云圖，如圖3(b)所不。通過(guò)結(jié)合應(yīng)力分布云圖和電子云圖我們可 以看出：在圖3(a)中，在施加0.1N的力后，整個(gè)壓電單元的電荷密度是不同的，主梁處電荷 最為集中，而在圖3(b)中，固定端處的位移量是最小的，自由端處的位移量是最大的，結(jié)合 圖3(a)、（b)可得出固定端處的壓電振子單元的位移是最小的