超声激励的三层交联网方型压电能量收集器

摘要

本发明提供一种超声激励的三层交联网方型压电能量收集器，其采用超声波作为激励，包括最上方的大网孔压电能量收集器，中间的小网孔压电能量收集器和最下方的超声波反射层；网孔压电能量收集器包括主悬臂梁固定基板和关于主悬臂梁固定基板对称的多组悬臂梁对，悬臂梁对悬空端由副悬臂梁基板连接；超声激励作用于本发明的压电能量收集器时，部分超声激励被大网孔压电材料吸收，部分超声激励被小网孔压电材料吸收，提高了超声激励的整体吸收效率，大幅提高了能量的利用效率，提高了输出电压，且完全对称的悬臂梁及附着在其上的压电层，使得本发明的能量收集器除了可以输出超高电势外，还可以提高空间利用率和器件的集成度，并带来更好的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体涉及一种超声激励的三层交联网方型压电能量收集器。

背景技术

当电子电路的能量消耗从毫瓦级降至微瓦级时，为电路提供能量不再需要电网或电池，而是利用周围的各种环境能源，传统的压电能量收集器可通过压电效应，将外界无法直接利用的机械能转变为可以利用的电能。传统的直型压电能量收集器(中国专利公开号：CN105305879A)可收集能量频率范围小，输出电势较低；改进后的高性能圆弧型压电能量收集器(中国专利公开号：201711361801.0)虽然在一定弧度下可以将在和转化为电能，但是能量及空间利用率较低，且结构不对称容易引发稳定性问题；为了提高超声能量收集效率，人们通过改变收集面的结构提高整体的吸收效率，例如利用声音能量的发电机和声音传感器(中国专利公开号：CN104836472A)，该结构利用倾斜反射面形成声谐振腔，采用了声波作为激励，发电机将摩擦电纳米发电部件设置在声谐振腔的空腔中，声谐振腔的中空腔体能够收集外界声波，并使声波在空腔中产生谐振和汇聚形成驻波，在摩擦电纳米发电部件的弹性膜结构两侧形成声压差，在电极层与摩擦层的接触分离过程中对外输出电信号，但声波能量利用率低，电势不高。而非均匀厚度宽带超声能量收集器(Applied PhysicsLetters，112，043903，2018)则利用类似凹面镜的压电材料结构提高吸收效率，不过以上结构均无法通过平面工艺实现。

本发明基于现有技术，提出一种利用平面工艺即可实现的三层交联网吸声结构，采用超声波作为激励，在交联网压电结构下增设一个声波反射层用于将穿透声波反射回上一层网状结构，形成多层吸声结构，以此来提高吸收效率；而超声激励的三层交联网方型压电能量收集器将多对悬臂梁对称连接，结构稳定，空间利用率高，且输出电势高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种超声激励的三层交联网方型压电能量收集器，其采用超声波作为激励，多对悬臂梁对称连接，具有电势高，性能稳定，能量利用率高的优点。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种超声激励的三层交联网方型压电能量收集器，所述交联网方型压电能量收集器为三层吸声穿孔结构，包括最上方的大网孔压电能量收集器、中间的小网孔压电能量收集器和最下方的超声波反射层。

优选地，所述大网孔压电能量收集器包括主悬臂梁固定基板和关于所述主悬臂梁固定基板对称的多组悬臂梁对，每组悬臂梁对由关于所述主悬臂梁固定基板对称的一对悬臂梁组成。

优选地，所述小网孔压电能量收集器包括主悬臂梁固定基板和关于所述主悬臂梁固定基板对称的多组悬臂梁对，每组悬臂梁对由关于所述主悬臂梁固定基板对称的一对悬臂梁组成，所述一对悬臂梁关于所述主悬臂梁固定基板对称的两端由头尾相连的悬臂梁组成。

进一步地，所述悬臂梁为直型悬臂梁，所述直型悬臂梁由长方形薄片和正方形薄片连接构成。

优选地，所述悬臂梁的一端与所述主悬臂梁固定基板连接，所述悬臂梁的悬空端与相邻的另一组悬臂梁的悬空端由两侧副悬臂梁基板连接。

进一步地，所述悬臂梁对、主悬臂梁固定基板和副悬臂梁基板共同构成方型吸声穿孔结构。

优选地，所述大网孔压电能量收集器的悬臂梁长度与所述小网孔压电能量收集器的悬臂梁长度不同；所述大网孔压电能量收集器的悬臂梁对的设置间隔与所述小网孔压电能量收集器的悬臂梁对的设置间隔不同。

优选地，所述大网孔压电能量收集器的悬臂梁长度为所述小网孔压电能量收集器的悬臂梁长度的2倍；所述大网孔压电能量收集器的悬臂梁对的设置间隔为所述小网孔压电能量收集器的悬臂梁对的设置间隔的2倍。

优选地，所述能量收集器的衬底由硅材料制成，所述衬底上附着有一层钛或铂金属材料，金属材料上附着有一层二氧化硅材料，二氧化硅材料上附着有一层硫化镉压电材料，压电材料上附着有一层钛或铂金属材料；所述能量收集器的质量块由铝材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，1)本发明为三层吸声穿孔结构，包括最上方的大网孔压电能量收集器、中间的小网孔压电能量收集器和最下方的超声波反射层，通过在交联网压电结构下方增设一个声波反射层用于将穿透声波反射回上一层网状结构，形成吸声穿孔结构，有效提高了吸收效率；2)本发明的三层交联网方型压电能量收集器采用超声波作为激励，大量超声波能量进入结构，部分超声激励被大网孔压电能量收集器直接吸收，部分超声激励被小网孔压电能量收集器吸收，从而提高超声激励的整体吸收效率，大幅提高了能量的利用效率，提高了输出电压；3)本发明的三层吸声穿孔结构提高了空间利用率，提高了本发明作为压电集成芯片的集成单元小模块的集成度，具有容易集成化、微型化的特点，并且完全对称的悬臂梁组成很好地提升了器件的稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种超声激励的三层交联网方型压电能量收集器的结构示意图；

图2为本发明的大网孔压电能量收集器的结构示意图；

图3为本发明的小网孔压电能量收集器的结构示意图；

图4为本发明的大网孔压电能量收集器的单个悬臂梁截面结构示意图；

图5为本发明的小网孔压电能量收集器的单个悬臂梁截面结构示意图。

其中，1-大网孔压电能量收集器，2-小网孔压电能量收集器，3-超声波反射层，20-大网孔压电能量收集器的主悬臂梁固定基板，21，22,23,24,25,26-大网孔压电能量收集器的直型悬臂梁，27，28,29,30-大网孔压电能量收集器的两侧副悬臂梁，31-小网孔压电能量收集器的主悬臂梁固定基板，32,33,34,35,36,37,38,39,40,41-小网孔压电能量收集器的直型悬臂梁，42,43,44,45,46,47,48,49-小网孔压电能量收集器的两侧副悬臂梁，50-硅，51-二氧化硅，52-硫化镉，53-钛或铂金属，54-金属铝。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明的目的、优点和特点将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明提供的一种超声激励的三层交联网方型压电能量收集器，具体实施方案如下：

如图1所示，该压电能量收集器包括三层：最上方的大网孔压电能量收集器(1)，中间的小网孔压电能量收集器(2)和最下方的超声波反射层(3)。

最上方的大网孔压电能量收集器(1)，如图2所示，包括主悬臂梁固定基板(20)，所述主悬臂梁固定基板两侧平行设置多组直型悬臂梁对，如直型悬臂梁对(21,22)、(23,24)、(25,26)。

所述每组悬臂梁对由一对直型悬臂梁组成，每对悬臂梁对均由关于主悬臂梁固定基板(20)对称的两个直型悬臂梁组成(如21,22)。

每组所述直型悬臂梁的一端均与主悬臂梁固定基板(20)连接，每组所述直型悬臂梁所在的另一端均与相邻的直型悬臂梁的悬空端由两侧副悬臂梁基板(27,28,29,30)连接，每组所述直型悬臂梁关于主悬臂梁固定基板(20)对称。

中间的小网孔压电能量收集器(2)，如图3所示，包括主悬臂梁固定基板(31)，所述主悬臂梁固定基板(31)两侧平行设置多组直型悬臂梁对，如直型悬臂梁对(32,33)、(34,35)、(36,37)、(38,39)、(40,41)。

所述每组悬臂梁对由一对直型悬臂梁组成，所述一对悬臂梁对关于主悬臂梁固定基板(31)对称的两端由两个头尾相连的直型悬臂梁(32,33，34,35，36,37，38,39，40,41)组成。

每组所述直型悬臂梁的一端均与主悬臂梁固定基板(31)连接，每组所述直型悬臂梁所在的悬空端均与相邻的直型悬臂梁的悬空端由两侧副悬臂梁基板(42,43,44,45,46,47,48,49)连接，每组所述直型悬臂梁对关于主悬臂梁固定基板(31)对称。

所述直型悬臂梁对(32,33)、(34,35)、(36,37)、(38,39)、(40,41)、主悬臂梁固定基板(31)和副悬臂梁基板(42,43,44,45,46,47,48,49)共同构成方型吸声穿孔结构。

最上方的大网孔压电能量收集器(1)的单个悬臂梁截面图如图4，其衬底由硅材料(50)制成，质量块由金属铝(54)材料制成。作为一种实施方式，所述悬臂梁可以由长方形薄片和正方形薄片连接构成，如图所示，所述长方形薄片上附着有一层钛或铂金属(材料同53)，金属材料上附着有一层二氧化硅材料(51)，二氧化硅材料(51)上附着有一层硫化镉压电材料(52)，压电材料上附着有一层钛或铂金属材料(53)；所述正方形薄片上附着有质量块。

中间的小网孔压电能量收集器(2)的单个悬臂梁截面图如图5所示。结构材料类似于最上方的大网孔压电能量收集器(1)的截面图。

在具体实施中，多组悬臂梁依托主悬臂梁极板实现纵向级联；每一组悬臂梁的各个悬臂梁依托正方形薄片实现横向级联，通过这种方法构成了悬臂梁网络。所述的交联网方型压电能量收集器将悬臂梁在横向、纵向上分别级联，组成交错链接的对称的悬臂梁网络。这种结构有效地提高了压电层的空间利用率，进而使本技术方案的能量收集器具有更高的输出电压及更好的稳定性。

结合图2、图3，本技术方案的超声波激励的三层交联网方型压电能量收集器结构由若干片完全对称的悬臂梁及附着在其上的压电层组成，具有更深刻的对称性，这使得超声激励的三层吸声穿孔结构式压电能量收集器具有更好的稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。