压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器

摘要

一种能源技术领域的压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器，包括：框架、双稳态梁、悬臂梁和永磁铁，双稳态梁的两端固定于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，悬臂梁的一端固定于框架上，另一端悬空设置，正线磁致伸缩层、压电层和负线磁致伸缩层依次相连。本发明采用双稳态结构，并利用复合材料中压磁相的磁致伸缩效应和压电相的压电效应的乘积特性来实现磁、机和电的转换，使MEMS换能元件在低频振动环境下获得较大输出功率。不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，且可在较宽的环境振动频率范围内输出较大稳定的功率。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及的是一种压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器。

背景技术

近年来，随着无线通讯与微机电系统MEMS(Micro-Flectro-Mechanical Systems微机电系统)技术的不断进步，使得微电子设备和微传感器等微型系统应用范围不断扩大，已广泛应用于民用、医学、军事等领域。由于这些设备是便携式的，其必需自带电源，电源的性能和质量是目前大多数MEMS技术应用的关键所在。传统的电化学电池供电方式存在着寿命短、需要经常更换和储存能量有限等缺点，且在某些条件下更换电池过程复杂，成本很高或根本就不可能实现更换。目前，环境振动能量采集技术是解决以上问题的有效方法之一。

基于振动的能量采集方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式。相对于静电和电磁式，压电能量采集器具有结构简单、能量密度高和寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点。因此，利用压电材料获取环境振动实现发电近来成为人们的关注热点。

目前完全集成制造的MEMS压电式振动能量收集器，还难以满足低功耗器件应用的需求：一方面，由于尺寸微小其固有频率较高，通常远高于环境振动频率，自然环境振动频率一般小于1000Hz范围内，而且主要集中在小于100Hz的范围内，因此，目前的MEMS能量采集技术还无法有效在低频环境下(小于100Hz)进行能量采集；另一方面，所获得的电能功率密度还较小，且依赖于外部环境振动频率，当压电能量采集器的系统频率与外部振动频率相匹配产生共振时，将输出最大功率，但是，当压电能量采集器的系统频率偏离外部振动频率时，输出的功率将减少。

经对现有技术文献的检索发现，文献号：IEEE：Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control(IEEE期刊：超声、铁电和频率控制)，55(2008)2104~2108，Huan Xue，Yuantai Hu等人公开了一种Broadband piezoelectric energyharvesting devices using multiple bimorphs with different operating frequencies(利用多个不同频率双晶片的宽频带压电能量采集器)，该技术采用多个不同自然频率的双晶片压电悬臂梁通过串联或并联方式组成阵列来实现更宽的等效频带。但是，这样一方面增大了压电能量采集器的结构尺寸，而且使悬臂梁的制造过程变得复杂。

进一步检索发现，美国专利号：US6984902，该技术公开了一种基于压电超磁致伸缩叠层复合材料的高效率振动能量采集器，利用复合材料中压磁相的磁致伸缩效应和压电相的压电效应的乘积特性来实现磁、机和电的转换，该技术虽能获得较大的输出功率，但未解决宽频问题，且器件较大实用性不强。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器，使换能元件在低频振动环境下获得较大的输出功率，以解决传统的MEMS压电能量采集器工作频带窄、固有频率高和输出功率低等问题。

本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括：框架、双稳态梁、悬臂梁和永磁铁，其中：双稳态梁的两端固定于框架上，永磁铁附着于双稳态梁上，悬臂梁的一端固定于框架上，另一端悬空设置。

所述的悬臂梁包括：正线磁致伸缩层、压电层和负线磁致伸缩层，其中：正线磁致伸缩层、压电层和负线磁致伸缩层依次相连。

所述的压电层的极化方向为其厚度方向。

所述的正线磁致和负线磁致伸缩层的厚度是1~10μm。

所述的双稳态梁弯曲设置于框架内且两端固定于框架。

所述的双稳态梁是微梁结构制成。

所述的永磁铁的磁极方向和悬臂梁长度方向一致。

本发明采用双稳态结构，并利用复合材料中压磁相的磁致伸缩效应和压电相的压电效应的乘积特性来实现磁、机和电的转换，使MEMS换能元件在低频振动环境下获得较大输出功率。与现有的MEMS压电能量采集器相比，它不但结构简单，制作容易，体积减小，并且它可运行于低频环境中，且可在较宽的环境振动频率范围内输出较大稳定的功率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的悬臂梁在磁场作用下的弯曲示意图；

图3是本发明中的双稳态梁和永磁铁的两个稳态位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：框架1、悬臂梁2、永磁铁3和双稳态梁4，其中：双稳态梁4弯曲设置于框架1内，并且两端固定于框架1上，永磁铁3附着于双稳态梁4的下表面，悬臂梁2的一端固定于框架1上，另一端悬空设置。

如图2所示，悬臂梁2包括：正线磁致伸缩层5、压电层6和负线磁致伸缩层7，其中：正线磁致伸缩层5、压电层6和负线磁致伸缩层7依次相连。压电层6的上表面设有一层正线磁致伸缩层5，本实施例选用TbFe薄膜，压电层6的下表面设有一层负线磁致伸缩层7，本实施例选用SmFe薄膜。正负线磁致伸缩层串联连接，压电层6的极化方向为其厚度方向。

永磁铁3的磁极方向为悬臂梁2的长度方向，施加于正负线磁致伸缩层的磁场方向H和悬臂梁2的水平长度方向一致。

本实施例双稳态梁4是由微梁结构制成，微梁结构的长度比框架1内空隙的宽度要长，微梁结构在框架1内水平放置，且其两端与框架1内部固支在一起，在轴向力作用下微梁结构发生屈曲，构成双稳态梁4。

如图3所示，双稳态梁4结构长度比框架1内部的宽度要长，在框架1内部受轴向力作用下发生屈曲，并稳定平衡放置于框架1内部，此时为双稳态梁4的第一个稳态位置A。当环境振动作用于双稳态梁4上的外界横向力增大到一定值时，双稳态梁4向下运动稳定在另一个状态，此时为双稳态梁4的第二个稳态位置B。

本实施例的工作原理为：当把本装置放置于环境振动中，在一定的振动加速度条件下，双稳态梁4可在第一稳态位置A和第二稳态位置B间相互切换。当双稳态梁4从第一稳态位置A转为第二稳态位置B时，双稳态梁4上的永磁铁3和悬臂梁2之间的距离将减少，作用于正线磁致伸缩层5和负线磁致伸缩层7的磁场增大，在磁场的作用下，正线磁致伸缩层5和负线磁致伸缩层7在悬臂梁2长度方向伸长或缩短，且上下两层伸长缩短过程总是以同步相反进行，即正线磁致伸缩层5伸长，负线磁致伸缩层7因磁致伸缩性相反而缩短。正线磁致伸缩层5和负线磁致伸缩层7的长度变化，使悬臂梁2的未固定端便向下或向上弯曲，图2所示的是悬臂梁2在磁场作用下向下弯曲示意图。随后，由于外界环境的振动，双稳态梁4将从第二个稳态位置B切换到第一个稳态位置A，此时，永磁铁3和悬臂梁2间的距离增大，永磁铁3作用于正线磁致伸缩层5和负线磁致伸缩层7的磁场强度减弱，根据超磁致伸缩材料的特性，此时，正线磁致伸缩层5和负线磁致伸缩层7伸长和缩短状态将改变，即原来伸长的将缩短，原来缩短的将伸长，这将使悬臂梁2恢复到初始位置。但在某一时刻，当双稳态梁4再一次切换到第二稳态位置B时，永磁铁3施加于正线磁致伸缩层5和负线磁致伸缩层7的磁场再一次增强，引起悬臂梁2弯曲。因此，只要外界振动加速度足够提供双稳态梁4稳态转换所需的临界力，悬臂梁2就能够获得足够的弯曲，而与外界的环境振动频率无关，因而实现了低频环境下获得较大的输出功率。

本实施例中：首先将永磁铁3粘附于双稳态梁4的中间位置，使双稳态梁4处于第一稳态位置；其次对双稳态梁4施加大于直梁屈曲临界力的轴线预应力，使屈曲双稳态梁4两端固定于能量采集器框架1上；然后使悬臂梁2的一端固支于能量采集器框架1上，另一端悬空设置。

如表1所示，本实施例的实际应用要求所用尺寸如表所示。

  整个能量采  集器尺寸(  mm²)  双稳态梁尺  寸(长×宽  ×厚)(mm³  )  双稳态梁的  拱高(稳态  时)(mm)  双稳态梁与  悬臂梁间距  (mm)  永磁铁块尺  寸(长×厚)  (mm²)  悬臂梁的压  电层(mm)  正负线磁致  伸缩层(mm  )  1×1  1×0.04×  0.03  0.15  0.2  0.3×0.03  0.02  0.003

表11×1mm²尺寸能量采集器的一组设计参数

本实施例压电超磁致伸缩复合式宽频振动能量采集器能够在一个较宽的工作频域内输出稳定的功率，与现有相关技术相比，其工作频带以及单位时间内输出功率密度都能提高一个数量级以上。