振動式能量采集器制造技術(shù)

一種振動式能量采集器，包括偏置電壓生成裝置、至少兩個層疊設(shè)置的運動極板以及設(shè)置在兩個運動極板之間且用于使得相鄰兩個運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距的隔離裝置；每個運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層；支撐構(gòu)件設(shè)置在運動質(zhì)量塊的外圍并對運動質(zhì)量塊進行支撐；電極層設(shè)置在每個運動極板上與相鄰運動極板相對的表面上；偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個運動極板之間且設(shè)置在其中一個的電極層表面；偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個運動極板之間形成固定電場。上述振動式能量采集器具有較寬的工作頻率，從而使得器件在該頻率范圍內(nèi)具有較高的能量采集效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及能量采集
，特別是涉及一種振動式能量采集器。
技術(shù)介紹
振動式能量采集器是能量采集器中的一種，它可以將自然界普遍存在的機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能，進而不間斷地為各種低功耗電子元件或者微系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)的振動式能量采集器具有固定的共振頻率。而在許多情況下，振動源通常工作在一個特殊的頻率范圍，或者工作在一個隨機振動頻率范圍內(nèi)。當(dāng)振動源頻率偏離振動式能量采集器的共振頻率時，會導(dǎo)致能量采集效率降低。
技術(shù)實現(xiàn)思路
基于此，有必要提供一種工作頻率較寬且能量采集效率較高的振動式能量采集器。一種振動式能量采集器，包括偏置電壓生成裝置、至少兩個層疊設(shè)置的運動極板以及設(shè)置在兩個所述運動極板之間且用于使得相鄰兩個所述運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距的隔離裝置；每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層；所述支撐構(gòu)件設(shè)置在所述運動質(zhì)量塊的外圍并對所述運動質(zhì)量塊進行支撐；所述電極層設(shè)置在每個運動極板上與相鄰運動極板相對的表面上；所述隔離裝置設(shè)置在所述支撐構(gòu)件上；所述偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個所述運動極板之間且設(shè)置在其中一個的電極層表面；所述偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個所述運動極板之間形成固定電場。在其中一個實施例中，所述支撐構(gòu)件和所述運動質(zhì)量塊均由硅基材料制成。在其中一個實施例中，所述偏置電壓生成裝置為駐極體；所述駐極體上存在電荷分布從而為相鄰兩個運動極板提供偏置電壓。在其中一個實施例中，所述支撐構(gòu)件包括支撐主體和懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述支撐主體為中空結(jié)構(gòu)，用于放置所述運動質(zhì)量塊；所述懸臂梁結(jié)構(gòu)分布與所述支撐主體、所述運動質(zhì)量塊連接。在其中一個實施例中，所述支撐構(gòu)件包括四個所述懸臂梁結(jié)構(gòu)；四個所述懸臂梁結(jié)構(gòu)對稱分布于所述支撐主體上。在其中一個實施例中，所述隔離裝置為絕緣層。在其中一個實施例中，所述電極層為金屬層或硅基導(dǎo)電材料層。在其中一個實施例中，所述運動質(zhì)量塊上與相鄰運動質(zhì)量塊相對的一面上設(shè)置有凸點；所述運動質(zhì)量塊上的凸點在所述運動質(zhì)量塊不受外力時不與相鄰的運動質(zhì)量塊接觸。上述振動式能量采集器，包括至少兩個層疊設(shè)置的運動極板，相鄰運動極板之間通過隔離裝置形成預(yù)設(shè)間距，且每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層。因此，在外部振動源的作用下，各運動極板發(fā)生相互碰撞，由于碰撞耦合現(xiàn)象可以拓寬器件的輸出頻帶，從而使得振動式能量采集器具有較寬的工作頻率，進而提高器件在該頻率范圍內(nèi)的能量輸出效率，提高能量采集效率。附圖說明圖1為一實施例中的振動式能量采集器的主視圖；圖2為圖1中的振動式能量采集器的爆炸圖；圖3為圖1中的振動式能量采集器的剖視圖；圖4為一實施例中的振動式能量采集器測試電路示意圖；圖5為一實施例中的振動式能量采集器工作時最佳負載電阻的測試曲線；圖6為一實施例中的振動式能量采集器在外部負載阻值是20MΩ時，正弦驅(qū)動信號頻率從125Hz到200Hz變化時的輸出功率變化曲線；圖6a～6f為圖6中，振動式能量采集器在180Hz時，不同加速度下的電壓輸出曲線。具體實施方式為了使本技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本技術(shù)進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本技術(shù)，并不用于限定本技術(shù)。圖1為一實施例中的振動式能量采集器的主視圖。圖2為圖1中的振動式能量采集器的爆炸圖，圖3則為圖1中的振動式能量采集器的剖視圖。該振動式能量采集器為靜電式，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能進行存儲或者向外供電。參見圖1～3，該振動式能量采集器包括兩個運動極板110和120、位于兩個運動極板之間的隔離裝置200和偏置電壓生成裝置300。運動極板110和運動極板120層疊相對設(shè)置，從而形成一個變間距式可變電容結(jié)構(gòu)。其中，運動極板110作為下級板，運動極板120則作為上極板。運動極板110和運動極板120的結(jié)構(gòu)相似，二者可以具有相同的諧振頻率，也可以具有不同的諧振頻率。在本實施例中，運動極板110和運動極板120均包括支撐構(gòu)件112、運動質(zhì)量塊114和電極層116。支撐構(gòu)件112設(shè)置在運動質(zhì)量塊114的外圍，并對運動質(zhì)量塊114進行支撐，以使得運動質(zhì)量塊114在外力作用下能夠產(chǎn)生振動。在本實施例中，支撐構(gòu)件112和運動質(zhì)量塊114均為硅基材料構(gòu)成，且為一體結(jié)構(gòu)。支撐構(gòu)件112和運動質(zhì)量塊114均由單晶硅10以及形成于單晶硅10兩面的二氧化硅層20構(gòu)成。在其他的實施例中，支撐構(gòu)件112和運動質(zhì)量塊114也可以為獨立結(jié)構(gòu)并通過鍵和技術(shù)進行相互連接。支撐構(gòu)件112包括支撐主體1122和懸臂梁結(jié)構(gòu)1124。支撐主體1122為中空結(jié)構(gòu)，用于放置運動質(zhì)量塊114。懸臂梁結(jié)構(gòu)1124分別與支撐主體1122和運動質(zhì)量塊114連接，從而實現(xiàn)對運動質(zhì)量塊114的支撐。在本實施例中，設(shè)置有四個懸臂梁結(jié)構(gòu)1124，且四個懸臂梁結(jié)構(gòu)1124對稱分布于支撐主體1122上。在其他的實施例中，懸臂梁結(jié)構(gòu)1124可以根據(jù)運動質(zhì)量塊114的質(zhì)量以及大小進行設(shè)置，而并不限于本實施例中的具體結(jié)構(gòu)。支撐構(gòu)件112中的懸臂梁結(jié)構(gòu)1124的長度、厚度以及寬度會影響器件的諧振頻率，因此可以根據(jù)需要進行設(shè)計。在本實施例中，運動質(zhì)量塊114上還設(shè)置有多個凸點1142。多個凸點1142的高度滿足振動式能量采集器在不受到外力作用時，凸點1142不與相鄰的運動質(zhì)量塊114接觸即可。運動質(zhì)量塊114上的凸點1142僅設(shè)置在于運動極板110和120的兩個相對面上，從而可以避免運動極板110和120之間因為靜電吸附力而相互接觸粘附的情況發(fā)生。凸點1142在運動質(zhì)量塊114的表面呈中心對稱分布，以確保受力均勻。電極層116覆蓋在運動極板110和120上與另一運動極板相對的一面。電極層116可以為金屬層。金屬層生長方式可以是磁控濺射、蒸鍍、電鍍等。在其他的實施例中，電極層116也可以為硅基導(dǎo)電材料層。隔離裝置200設(shè)置在運動極板110和120之間，使得運動極板110和運動極板120在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距。隔離裝置200固定在支撐構(gòu)件112上，且分別與運動極板110和120接觸。在本實施例中，隔離裝置200采用具有預(yù)設(shè)高度的絕緣層，例如可以為亞克力材料層。通過調(diào)整隔離裝置200也即絕緣層的厚度可以實現(xiàn)對運動極板110和運動極板120之間的初始間距的控制。偏置電壓生成裝置300用于生成偏置電壓以在運動極板110和運動極板120之間形成固定電場。在本實施例中，偏置電壓生成裝置300設(shè)置在運動極板110和運動極板120之間。具體地，偏置電壓生成裝置300設(shè)置在運動極板110的運動質(zhì)量塊114上，且位于運動質(zhì)量塊114上與運動極板120相對的一面。當(dāng)周圍環(huán)境的振動驅(qū)使運動極板110或者運動極板120上運動質(zhì)量塊114發(fā)生運動時，會導(dǎo)致運動極板110和運動極板120之間的間距發(fā)生變化。此時，極板之間的固定電場就會發(fā)生變化，繼而對外輸出電能，實現(xiàn)振動能量到電能的轉(zhuǎn)換，完成對振動能量的采集。在本實施例中，偏置電壓生成裝置300為駐極體。駐極體覆蓋在運動極板的運動質(zhì)量塊114表面。駐極體可以駐存電荷，以形成固定電場，從而為運動極板110和運動極板120提供偏置電壓。駐極體可以采用無極駐極體材料或者有機駐極體材料，涂覆方式可以采用旋涂或本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種振動式能量采集器，其特征在于，包括偏置電壓生成裝置、至少兩個層疊設(shè)置的運動極板以及設(shè)置在兩個所述運動極板之間且用于使得相鄰兩個所述運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距的隔離裝置；每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層；所述支撐構(gòu)件設(shè)置在所述運動質(zhì)量塊的外圍并對所述運動質(zhì)量塊進行支撐；所述電極層設(shè)置在每個運動極板上與相鄰運動極板相對的表面上；所述隔離裝置設(shè)置在所述支撐構(gòu)件上；所述偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個所述運動極板之間且設(shè)置在其中一個的電極層表面；所述偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個所述運動極板之間形成固定電場。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種振動式能量采集器，其特征在于，包括偏置電壓生成裝置、至少兩個層疊設(shè)置的運動極板以及設(shè)置在兩個所述運動極板之間且用于使得相鄰兩個所述運動極板在無外力作用下保持預(yù)設(shè)間距的隔離裝置；每個所述運動極板均包括支撐構(gòu)件、運動質(zhì)量塊和電極層；所述支撐構(gòu)件設(shè)置在所述運動質(zhì)量塊的外圍并對所述運動質(zhì)量塊進行支撐；所述電極層設(shè)置在每個運動極板上與相鄰運動極板相對的表面上；所述隔離裝置設(shè)置在所述支撐構(gòu)件上；所述偏置電壓生成裝置位于相鄰兩個所述運動極板之間且設(shè)置在其中一個的電極層表面；所述偏置電壓生成裝置用于在相鄰兩個所述運動極板之間形成固定電場。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動式能量采集器，其特征在于，所述支撐構(gòu)件和所述運動質(zhì)量塊均由硅基材料制成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動式能量采集器，其特征在于，所述偏置電壓生成裝置為駐極體；所述駐極...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：汪飛，張玉龍，
申請(專利權(quán))人：南方科技大學(xué)，
類型：新型
國別省市：廣東;44