基于分形結構的小型寬帶振動換能器及其封裝方法技術

本發明專利技術公開了一種基于分形結構的小型寬帶振動換能器及其封裝方法，換能器包括由分形結構組成的層體和內部設有電極的框體，其中所述分形結構包括若干根主梁，及具備形狀相似性且主諧振頻率不同的至少三個換能單元；所述主梁的至少一端與框體固定連接；所述每個換能單元上設有質心以及與主梁或框體固定連接的固定端；所述每個換能單元上由固定端至質心所在的梁視為懸臂梁，其他梁視為質量塊；在環境產生振動時，所述各換能單元上的質量塊與懸臂梁根據環境振動頻率接收振動，以及所述換能單元根據接收的振動獲得所受應力且轉換成電能；所述框體通過電極將電能引出。本發明專利技術能夠拓寬頻帶響應寬度、轉換能量高，以及增加單位面積的能量采集密度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術設及一種寬帶振動換能器，尤其設及一種基于分形結構的小型寬帶振動換 能器及其封裝方法，屬于振動換能器的

技術介紹
近年來隨著無線網絡、MEMS和便攜式電子設備的應用日益廣泛，使用化學電池的 弊端日益得到人們的關注，如需定期更換、質量體積大、污染等問題。而且在一些特殊的場 合，定期更換電池是難W實現的，因此人們更加關注綠色可持續能源的使用，W此來替代傳 統電池。其中W能量采集技術最為受到關注。 能量采集技術通過換能器自發的從環境中采集能量，其本質就是利用各種物理或 者化學效應（如光伏效應、壓電效應、熱電效應、電磁效應等）將換能器所處自然環境中的 各種能量（如光能、機械能、熱能等）轉換成可利用能量的過程。由于環境中的振動機械能 是一種廣泛存在的能量形式，因此通過對振動機械能的采集使其替代或補充傳統電池具有 廣泛的應用前景。目前，采集環境中的振動機械能，一般采用懸臂梁結構，使其振動頻率與環境中的 振動頻率相接近，從而產生共振。但是普通的懸臂梁結構，特別是小型換能器存在響應頻率 過高、頻帶窄、能量轉換密度較低等一系列問題。
技術實現思路
陽〇化]本專利技術所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種基于分形結構的 小型寬帶振動換能器及其封裝方法，解決現有對現有振動換能器存在的響應帶寬窄、頻帶 窄、能量轉換密度較低的問題。 本專利技術具體采用W下技術方案解決上述技術問題： 基于分形結構的小型寬帶振動換能器，包括由分形結構組成的層體和內部設有電 極的框體，其中所述分形結構包括若干根主梁，及具備形狀相似性且主諧振頻率不同的至 少=個換能單元；所述主梁的至少一端與框體固定連接；所述每個換能單元上設有質屯、W 及與主梁或框體固定連接的固定端；所述每個換能單元上由固定端至質屯、所在的梁視為懸 臂梁，并且每個換能單元上與懸臂梁固定連接的梁均視為質量塊；在環境產生振動時，所述 各換能單元上的質量塊與懸臂梁根據環境振動頻率接收振動，W及所述換能單元根據接收 的振動獲得所受應力且轉換成電能；所述框體通過電極將電能引出。 進一步地，作為本專利技術的一種優選技術方案：所述主梁為四根。 進一步地，作為本專利技術的一種優選技術方案：所述四根主梁中兩兩之間相互垂直 設置。 進一步地，作為本專利技術的一種優選技術方案：所述框體采用金屬銅框。 一種如上述基于分形結構的小型寬帶振動換能器的封裝方法，包括W下步驟： 采用壓電聚合物薄膜將分形結構進行壓合形成壓電聚合物薄膜層； 利用框體對所述壓電聚合物薄膜層的四周進行固定； 利用有機玻璃對所述框體表面進行封裝。 進一步地，作為本專利技術的一種優選技術方案：所述框體對壓電聚合物薄膜層采用 導電膠相粘方式固定。本專利技術采用上述技術方案，能產生如下技術效果： (1)、本專利技術提供的，采用至少 在=個換能單元上具有相似性的分形結構，通過分形結構得到多個不同的頻率節點，從而 拓寬了振動換能器頻帶的響應頻帶寬度，并且分形結構具有自相似性，同時也保證了采集 能量密度的大小，從而能夠在一個諧振頻率下采集到更多的能量，并且充分利用材料，能夠 有效的拓寬振動換能器的頻帶響應寬度W及增加單位面積的能量采集密度，能夠作為無線 傳感器W及其他微型器件的電源。(2)、本專利技術提出了分形結構振動換能器概念，技術原理新、換能容量大。采用分形 作為主要結構，并在此基礎上進行優化設計，拓寬了共振頻帶，改善了當前振動換能器頻率 單一的缺點，并且單位體積內振動響應頻率更多，轉換能量高。【附圖說明】 圖1為本專利技術中實施例一的基于分形結構的小型寬帶振動換能器的結構示意圖。 圖2為本專利技術中第一換能單元的結構示意圖。 圖3為本專利技術中第二換能單元的結構示意圖。 圖4為本專利技術中第S換能單元的結構示意圖。 圖5為本專利技術中實施例二的基于分形結構的小型寬帶振動換能器的結構示意圖。圖6為本專利技術帶寬振動換能器還能用于能量采集系統的模塊示意圖。其中標號解釋：1-框體，2-主梁，3-第一換能單元，4-第二換能單元，5-第S換能 單元，6-層體，7-第一換能單元的固定端，8-第一換能單元的懸臂梁，9-第一換能單元的 質量塊，10-第二換能單元的固定端，11-第二換能單元的懸臂梁，12-第二換能單元的質量 塊，13-第S換能單元的固定端，14-第S換能單元的懸臂梁，15-第S換能單元的質量塊。【具體實施方式】 下面結合說明書附圖對本專利技術的實施方式進行描述。 如圖1所示，本專利技術設計了一種基于分形結構的小型寬帶振動換能器，包括由分 形結構組成的層體和內部設有電極的框體，其中所述分形結構包括若干根主梁，及具備形 狀相似性且主諧振頻率不同的至少=個換能單元；所述主梁的至少一端與框體固定連接； 所述每個換能單元上設有質屯、W及與主梁或框體固定連接的固定端；所述每個換能單元上 由固定端至質屯、所在的梁視為懸臂梁，并且每個換能單元上與懸臂梁固定連接的梁均視為 質量塊；在環境產生振動時，所述各換能單元上的質量塊與懸臂梁根據環境振動頻率接收 振動，W及所述換能單元根據接收的振動獲得所受應力且轉換成電能；所述框體通過電極 將電能引出。 由此，通過分形結構得到多個不同的頻率節點，從而拓寬了振動換能器頻帶的響 應頻帶寬度，并且分形結構具有自相似性，同時也保證了采集能量密度的大小，從而能夠在 一個諧振頻率下采集到更多的能量。 本專利技術在具體實施時，可W根據需要對寬帶振動換能器中分形結構進行設置，下 面列舉本專利技術的實施例進行說明。 實施例一、 本實施例的分形結構的原型為謝爾賓斯基S角形分形結構，該結構具有自相似性 的特點。通過該=角形分形結構的不規則性就可W得到多個不同的頻率節點，從而拓寬了 振動換能器頻帶的響應頻帶寬度，并且該分形結構具有自相似性，同時也保證了采集能量 密度的大小。如圖1所示，本專利技術設計的分形結構在=個換能單元上具有明顯相似性，運樣 可W保證該結構至少有=個主諧振頻率，從而拓寬頻譜。 本實施例的寬帶振動換能器，如圖1所示，該結構采用一個框體1和層體6,層體6 內具有4根主梁2和=個換能單元作為要素。每根主梁2的一端與外部框體1相連接，優 選地，主梁2兩兩之間相互垂直設置，并且進一步地，可W優選采用采用金屬銅框；層體6內 部由=個換能單元作為要素進行填充分布，=個換能單元大小及形狀均不相同，但形狀相 似。各換能單元是分別選取謝爾賓斯基=角形分形結構，并對其內部單元進行懸臂梁化，使 其內部結構在各個不同的換能單元上設有質屯、W及與主梁2或框體1固定連接的固定端； 所述每個換能單元上由固定端至質屯、所在的梁視為懸臂梁，并且每個換能單元上與懸臂梁 固定連接的梁均視為質量塊。 本實施例的具體結構如圖1所示，分形結構包括第一換能單元3,第二換能單元4， 及第=換能當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于分形結構的小型寬帶振動換能器，其特征在于：包括由分形結構組成的層體和內部設有電極的框體，其中所述分形結構包括若干根主梁，及具備形狀相似性且主諧振頻率不同的至少三個換能單元；所述主梁的至少一端與框體固定連接；所述每個換能單元上設有質心以及與主梁或框體固定連接的固定端；所述每個換能單元上由固定端至質心所在的梁視為懸臂梁，并且每個換能單元上與懸臂梁固定連接的梁均視為質量塊；在環境產生振動時，所述各換能單元上的質量塊與懸臂梁根據環境振動頻率接收振動，以及所述換能單元根據接收的振動獲得所受應力且轉換成電能；所述框體通過電極將電能引出。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁忠誠，王燕，劉瑞華，柳正球，丁若堯，
申請(專利權)人：南京郵電大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32