基于PDMS薄膜结构的MEMS宽频压电能量采集器

摘要

一种微机电技术领域的基于PDMS薄膜结构的MEMS宽频压电能量采集器，包括：圆形框架和设于圆形框架内的PDMS膜、若干压电悬臂梁和质量块，其中：若干压电悬臂梁径向内嵌于PDMS薄膜内且一端固定在圆形框架上另一端悬空，质量块内嵌于PDMS薄膜内且位于圆形框架的中心。本发明使压电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的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种基于PDMS薄膜结构的MEMS宽频压电能量采集器。

背景技术

微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。为解决传统的电池体积大、寿命短，无法满足无线传感器网络、嵌入式系统等新技术的长寿命的独立供能要求这一难题，基于MEMS的能量采集技术可以将环境中的能源采集转换为电能，因具备体积小，能量密度高，寿命长，无须更换，可与MEMS加工工艺兼容等优点，可以实现供能模块和电子器件的集成化和自供能，成为目前的研究热点之一。

MEMS压电能量采集器的基本工作原理是压电效应，即压电材料在外界振动下发生形变，引起材料内部偶极子的不对称，发生极化现象，同时在材料的外表面上出现正负相反的电荷。压电能量采集器的输出功率与外部环境振动频率密切相关，当压电能量采集器的固有频率与外部环境振动频率相同时，发生共振现象并得到最大输出功率，但是，当压电能量采集器的固有频率偏离外部振动频率时，输出的功率将不断减少。

PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜弹性好，强度高，易于成型，并且可以灵敏的感觉到振动环境中的微小震动。利用MEMS技术研制的压电式振动能量收集器，由于在固有频率附近输出最大的电压，尽量拓宽能量采集器的固有频率范围，即拓宽有效频带，可以获得较好的发电效果。因此，在宽频范围内的能量采集技术是当前MEMS能量采集技术领域的一大热点和难题。

经对现有技术文献的检索发现，A.Erturk，J.Hoffmann，and D.J.Inman等在《APPLIEDPHYSICS LETTERS》94，254102(2009)中撰文“A piezomagnetoelastic structure forbroadband vibration energy harvesting”(“一种宽频的弹性压电振动能量采集器”《应用物理快报》)。该文中提及到的实现频率拓宽的方法是将弹性压电梁在在两块磁铁上方摆动，在磁铁磁力的作用下可以实现能量采集频率的拓宽。虽然这种方法可以实现宽频采集能量的效果，但是这种能量采集器对材料要求较高，而且整个系统制造过程十分复杂。

Yi Qi，Noah T.Jafferis，Kenneth Lyons等在《Nano Letter》10(2)(2010)524-528撰文“Piezoelectric Ribbons Printed onto Rubber for Flexible Energy Conversion”(“一种可弯曲的将压电材料嵌入橡胶薄膜内的能量采集系统”《纳米快报》)。该文中提及到的实现能量采集的PDMS材料：把压电材料PZT“Nanoribbon(纳米带)”嵌入到PDMS薄膜内部，PDMS薄膜把感受到的外界压力传递给PZT“Nanoribbon(纳米带)”使其产生变形输出电压，紧密连接的PZT“Nanoribbon(纳米带)”的存在，可以使系统可以得到较高的输出电压，但是这种材料尚未制成能量采集器件。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于PDMS薄膜结构的MEMS宽频压电能量采集器，使压电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的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：圆形框架和设于圆形框架内的PDMS膜、若干压电悬臂梁和质量块，其中：若干压电悬臂梁径向内嵌于PDMS薄膜内且一端固定在圆形框架上另一端悬空，质量块内嵌于PDMS薄膜内且位于圆形框架的中心。

所述的压电悬臂梁的长度小于圆形框架的内径；

所述的压电悬臂梁的个数大于三个，且分别以平均分布的方式设置于圆形框架上，所有压电悬臂梁的一端均正对质量块。

所述的压电悬臂梁包括：金属层和设置于其上下两侧的压电层，其中：上层压电层和下层压电层上均设有相互串联的电极，所有压电悬臂梁的电极为并联连接。

本发明的工作原理为：PDMS薄膜水平展开于框架内部，压电悬臂梁内嵌于PDMS薄膜内部，质量块置于PDMS薄膜的中心位置。当把本发明放置于环境振动中，在一定的振动加速度条件下，PDMS薄膜感受外界环境中的振动并带动质量快和内嵌于PDMS薄膜上的压电悬臂梁一起振动，压电悬臂梁在振动激励下输出电压。质量块可以放大PDMS薄膜感受的外界振动，从而提高压电悬臂梁的输出电压。PDMS薄膜的特性使它可以感受外界环境中很小的振动并把振动传递给质量块和压电悬臂梁，另外，PDMS薄膜对外界环境中振动的感知，只与振动加速度有关，而与外界振动的频率关系不大。因此，压电悬臂梁可以在一个很宽的频率范围内输出有效频率，从而提高了能量采集效率。

本发明采用PDMS薄膜结构，使MEMS压电换能元件在低频振动环境下获得输出功率，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稳定的功率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明剖视图。

具体实施方式

下面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：圆形框架1、设于圆形框架内的PDMS薄膜2、压电悬臂梁3和质量块4，其中：八根压电悬臂梁3径向内嵌于PDMS薄膜2内且一端固定在圆形框架1上另一端悬空，质量块4内嵌于PDMS薄膜2内且位于圆形框架1的中心。

所述的压电悬臂梁3的长度小于圆形框架1的内径；

所述的压电悬臂梁3分别以平均分布的方式设置于圆形框架1上，所有压电悬臂梁3的一端均正对质量块4。

所述的压电悬臂梁3包括：金属层5和设置于其上下两侧的压电层6，其中：上层压电层和下层压电层上均设有相互串联的电极7，所有压电悬臂梁3的电极为并联连接。

如图2所示，所述金属层5的长度大于压电层6和电极7的长度，并且两端露出，压电梁6和电极7的长度相同，金属层5、压电层6和电极7的宽度相同。

本实施例中的PDMS薄膜2的内径与圆形框架1内径相同，PDMS薄膜在圆形框架1内水平展开，且其边缘与框架内部粘接在一起。

PDMS薄膜2水平展开于框架内部，压电悬臂梁3内嵌于PDMS薄膜2内部，质量块4置于PDMS薄膜2的中心位置。当把本装置置于环境振动中，在一定的振动加速度条件下，PDMS薄膜2感受外界环境中的振动并带动质量快4和内嵌于PDMS薄膜上的压电悬臂梁3一起振动，压电悬臂梁3在振动激励下输出电压。

质量块4可以放大PDMS薄膜2感受的外界振动，从而提高压电悬臂梁的输出电压。

本实施例在制作时，将一质量块粘附于PDMS薄膜的中心位置。制作8块压电悬臂梁，大小相同，一端固支于能量采集器框架上，另一端自由，8片压电悬臂梁围绕有机薄膜中心呈辐射状等距内嵌于PDMS薄膜内部。