双稳态压电元件的成型方法及压电能量收集器

技术领域

本发明涉及可再生能源发电技术领域，具体而言，涉及一种双稳态压电元件的成型方法及压电能量收集器。

背景技术

近年来人们对环保型能源需求的不断增长；同时，随着诸如物联网(IoT)等技术的不断发展，无线传感器及其他各种无线设备被大量部署。这些设备由于环境所限，供能问题也日益突出；目前广泛使用的电池技术也逐渐在容量和体积等多方面面临挑战；压电能量采集(PEH)技术捕获周围环境广泛存在的振动能并转化为电能，绿色环保，环境适应性强；它在满足能源多样化需求的同时，也为诸如物联网等特定应用场景下的设备自供能提供了新的发展方向。

为了适应更多复杂的环境振动工况，具有宽频特征的双稳态及多稳态压电能量收集器是这一种潜在的解决方案；例如中国专利公开号为：CN114039509A公开了一种基于波形弹簧和悬臂梁组成的双稳态压电能量收集装置，具有更易突破非线性势能阱限制的特性；中国专利公开

发明内容

本发明解决的问题是如何解决压电能量收集芯片变形不均匀、如何实现宽频振动能量收集以及如何简化压电能量收集器和提高功率输出。

为解决上述问题，本发明提供一种双稳态压电元件的成型方法，双稳态压电元件包括金属层和至少一层的压电层，所述压电层设在金属层上，所述成型方法具体包括：

步骤1、选取压电陶瓷晶片，所述压电陶瓷晶片包括金属基层和至少一层的压电基层；

步骤2、采用皮秒激光的方式对压电基层进行预设尺寸的切割，切割得到双稳态压电元件预设尺寸的压电层；

步骤3、采用皮秒激光方式对切割后的压电层表面进行电极雕刻；

步骤4、采用纳秒激光的方式在金属基层对应压电层长度方向的两侧切割出预设宽度的槽道；

步骤5、采用纳秒激光的方式对金属基层进行预设尺寸的切割，得到双稳态压电元件预设尺寸的金属层；所述金属层对应两条槽道之间的部位为压电梁，所述金属层对应槽道的外侧部位为支撑梁，所述压电梁与支撑梁因纳秒激光产生残余应力产生形变，所述压电梁与支撑梁之间的宽度差异致使压电梁产生屈曲变形。

本成型工艺发明的有益效果是：采用皮秒激光方式切割压电层和雕刻电极能够最大程度的减少压电层压电性能的损伤，同时采用纳秒激光方式切割金属基层形成压电梁和支撑梁，同时压电梁和支撑梁因纳秒激光热处理产生的残余应力下产生分布均匀形变，且因压电梁与支撑梁的宽度差异使得压电梁产生屈曲变形而具备双稳态特征。

作为优选，所述压电层经过步骤2的切割后，对压电层进行极化操作，以增强压电层的压电性能。

作为优选，所述步骤1的压电陶瓷晶片为压电陶瓷单晶片或压电陶瓷双晶片；所述金属层为不锈钢材料或铜合金材料，所述压电层为压电陶瓷材料或压电聚合物材料。

一种基于双稳态压电元件的多稳态压电能量收集器，包括安装框架和四个双稳态压电元件，所述安装框架的表面开设有安装槽，所述安装框架上设有能量收集电路元件和用于输出的探针，所述探针与能量收集电路元件电连接；所述双稳态压电元件的一端固定在安装槽的槽边，且所述双稳态压电元件通过导线与能量收集电路元件电连接，所述双稳态压电元件的另一端水平延伸至安装槽并呈水平悬挂状态，所述双稳态压电元件延伸至安装槽的端部固定有质量块。

本发明多稳态压电能量收集器的有益效果是：采用四个双稳态压电元件悬挂式固定在安装槽处，并将四个双稳态压电元件通过导线并联后汇集在能量收集电路元件来实现双稳态压电能量收集，最终由探针输出，为后续的用电器供电；同时，通过分别在四个双稳态压电元件的端部设置质量块，使得双稳态压电能量收集器在宽频振源上时，四个双稳态压电元件的固有频率不同使得多稳态能量收集器可以获得稳定的宽频功率输出。

作为优选，四个所述双稳态压电元件平均设在安装槽相对两侧的槽边，所述安装槽相对两侧的双稳态压电元件之间错开分布，互不影响。

作为优选，四个所述双稳态压电元件的尺寸不同，使得四个双稳态压电元件具有不相同的固有频率，从而使得多稳态能量收集器可以获得稳定的宽频功率输出。

一种基于双稳态压电元件的四稳态压电能量收集器，包括第一固定支架、第一双稳态压电元件和第二双稳态压电元件，所述第一固定支架上设有能量收集电路元件和用于输出的探针，所述第一双稳态压电元件的一端连接在第一固定支架的侧壁上并呈水平悬挂状态，所述第一双稳态压电元件与能量收集电路元件电连接，所述第一双稳态压电元件的另一端与第二双稳态压电元件的一端对接，且所述第一双稳态压电元件的压电层通过连接线与第二双稳态压电元件的压电层串联，所述第二双稳态压电元件的另一端连接有质量块。

本发明四稳态压电能量收集器的有益效果是：采用两个双稳态压电元件串联后并水平悬挂在安装支架的侧壁上，使得压电能量收集器具有明确稳定状态的转换顺序，从而实现有效频带随激励呈阶梯增长。

作为优选，所述第一双稳态压电元件和第二双稳态压电元件的压电梁的屈曲程度不同，使得第二双稳态压电单元更易发生稳定状态转换，其中屈曲程度主要通过激光加工参数和几何参数调控。

一种基于双稳态压电元件的多稳态压电能量收集器，包括第二固定支架、第三双稳态压电元件和第四双稳态压电元件，所述第三双稳态压电元件的一端连接在第二固定支架的侧壁上，所述第三双稳态压电元件呈水平悬挂状态，所述第三双稳态压电元件另一端的固定有第一质量块，所述第三双稳态压电元件靠近第一质量块的金属层上开设有安装嵌口，所述第四双稳态压电元件设在安装嵌口内，所述第四双稳态压电元件的一端与安装嵌口固定，所述第四双稳态压电元件的另一端延伸至安装嵌口内并接有第二质量块；同时，所述第二固定支架上设有能量收集电路元件和用于输出的探针，所述探针与能量收集电路元件电连接，所述第三双稳态压电元件、第四双稳态压电元件分别通过导线与能量收集电路元件电连接。

本发明多稳态压电能量收集器的有益效果是：两个差异明显的双稳态压电元件通过上述内嵌的方式组合后，在激励作用下可发生内共振，从而可获得低激励水平下的宽频效果。

附图说明

图1为本发明具体实施例1的流程图；

图2为本发明具体实施例2的流程图；

图3为本发明具体实施例3的结构示意图；

图4为本发明具体实施例4的结构示意图；

图5为本发明具体实施例5的结构示意图；

图6为本发明不同温度梯度下，压电梁屈曲程度曲线。

附图标记说明：

1、双稳态压电元件；1.1、金属层；1.1.1、压电梁；1.1.2、支撑梁；1.2、压电层；1.3、电极；1.4、槽道；1.5、安装嵌口；1-1、第一双稳态压电元件；1-2、第二双稳态压电元件；1-3、第三双稳态压电元件；1-4、第四双稳态压电元件；2、压电陶瓷晶片；2.1、金属基层；2.2、压电基层；3、安装框架；3.1、安装槽；4、能量收集电路元件；5、探针；6、导线；7、质量块；7-1、第一质量块；7-2、第二质量块；8、第一固定支架；9、第二固定支架。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

具体实施例1

如图1所示的一种双稳态压电元件的成型方法，双稳态压电元件1包括金属层1.1和至少一层的压电层1.2，所述压电层1.2设在金属层1.1上，所述金属层1.1为不锈钢材料或铜合金材料，所述压电层1.2为压电陶瓷材料或压电聚合物材料，本具体实施例主要用于加工d31型双稳态压电元件1，所述成型方法具体包括：

步骤1、选取压电陶瓷晶片2，所述压电陶瓷晶片2包括金属基层2.1和至少一层的压电基层2.2；所述压电陶瓷晶片2为压电陶瓷单晶片或压电陶瓷双晶片，本具体实施例采用压电陶瓷单晶片；

步骤2、采用皮秒激光的方式对压电基层2.2进行预设尺寸的切割，切割得到双稳态压电元件1预设尺寸的压电层1.2；

步骤3、采用皮秒激光方式对切割后的压电层1.2表面进行电极雕刻得到电极1.3；

步骤4、采用纳秒激光的方式在金属基层2.1对应压电层1.2长度方向的两侧切割出预设宽度的槽道1.4；

步骤5、采用纳秒激光的方式对金属基层2.1进行预设尺寸的切割，得到双稳态压电元件1预设尺寸的金属层1.1；所述金属层1.1对应两条槽道1.4之间的部位为压电梁1.1.1，所述金属层1.1对应槽道1.4的外侧部位为支撑梁1.1.2，所述压电梁1.1.1与支撑梁1.1.2因纳秒激光产生残余应力产生形变，所述压电梁1.1.1与支撑梁1.1.2之间的宽度差异致使压电梁1.1.1产生屈曲变形。

产生屈曲变形的原理为：与激光束接触的切割面的温度达到材料的熔点，而当激光束经过后材料熔融表面温度将在热辐射和热传导的作用下迅速下降，从而使得切割表面附近的材料具有快速的高温度差；由于这个温度差和快速的降温过程，在靠近切割面的小的区域内将产生残余应力，这个区域称为热影响区；本发明将采用激光加工过程所产生的残余应力作为预应力来实现前述的双稳态结构。

在本具体实施例实施过程中，由于两个切割面距离更近，热影响区内的残余应力水平对宽度更小的支撑梁影响要高于宽度较大的压电梁，这将导致支撑梁和压电梁存在变形差，即使加工的工艺参数相同且为单一的加工过程；加工完毕后，压电梁与支撑梁之间的变形差将起到轴向压缩量ΔL的作用，此压缩量ΔL将作用于压电梁上使其发生屈曲而具有双稳态特征，而两个支撑梁像两个拉紧的弦起到约束屈曲主梁的作用。

此外，将形状为矩形(W×L1)，在此矩形内有两个对称的狭长的缝隙，从而将这个形状分为五部分，分别是两个端部，以及位于中间的宽度(W1)较大的压电梁和两个位于外侧的宽度(W2)较小的支撑梁；由于三个梁是由两个长度为L的缝隙分割后得到，因此这三个梁的长度都为L；若压电梁的长度缩短ΔL，那么即相当于在压电梁上施加一个预压缩量ΔL，从而可使得压电梁发生屈曲从而具有双稳态特征；通过施加热载荷的方式可在不破坏结构的情况下使压电梁缩短ΔL，从而实现预压缩量ΔL，其可近似地表示为：

ΔL＝αLΔT

式中，α是线性热膨胀系数，L为压电梁的初始长度，ΔT为压电梁与支撑梁之间的温度梯度；压电梁在此温度梯度的作用下将缩短，而其缩短量相当于预压缩量作用于支撑梁上，使其具有双稳态特征；如图6所示，在不同温度梯度下，压电梁的屈曲形状；显而易见的是随着温度梯度的增大，压电梁的屈曲程度逐渐增加。

具体实施例2

如图2所示，本具体实施例主要用于加工d33型双稳态压电元件，所述成型方法主要在具体实施例1的基础上增加：在所述压电层1.2经过步骤2的切割后，对压电层1.2进行极化操作，以增强压电层1.2的压电性能。

具体实施例3

如图3所述的一种基于双稳态压电元件1的多稳态压电能量收集器，包括安装框架3和四个通过具体实施例1成型的双稳态压电元件1，所述安装框架3的表面开设有安装槽3.1，所述安装框架3上设有能量收集电路元件4和用于输出的探针5，所述探针5与能量收集电路元件4电连接；所述双稳态压电元件1的一端固定在安装槽3.1的槽边，且所述双稳态压电元件1通过导线6与能量收集电路元件4电连接，所述双稳态压电元件1的另一端水平延伸至安装槽3.1并呈水平悬挂状态，所述双稳态压电元件1延伸至安装槽3.1的端部固定有质量块7，四个所述双稳态压电元件1平均设在安装槽3.1相对两侧的槽边，所述安装槽3.1相对两侧的双稳态压电元件1之间错开分布；通过分别在四个双稳态压电元件1的端部设置质量块7，使得双稳态压电能量收集器在宽频振源上时，四个双稳态压电元件1具有不同的固有频率，从而使得多稳态能量收集器可以获得稳定的宽频功率输出；本具体实施例中四个所述双稳态压1电元件的尺寸不同，使得四个双稳态压电元件1具有相不相同的固有频率，从而使得多稳态能量收集器可以获得稳定的宽频功率输出。

具体实施例4

如图4所示的一种基于双稳态压电元件的四稳态压电能量收集器，包括第一固定支架8以及通过具体实施例1成型的第一双稳态压电元件1-1和第二双稳态压电元件1-2，所述第一双稳态压电元件1-1和第二双稳态压电元件1-2的压电梁1.1.1及其压电层1.2的屈曲方向相同，所述第一固定支架8上设有能量收集电路元件4和用于输出的探针5，所述第一双稳态压电元件1-1的一端连接在第一固定支架8的侧壁上并呈水平悬挂状态，所述第一双稳态压电元件1-1与能量收集电路元件4电连接，所述第一双稳态压电元件1-1的另一端与第二双稳态压电元件1-2的一端对接，本具体实施例具体将第一双稳态压电元件1-1的金属层1.1与第二双稳态压电元件1-2的金属层1.1一体成型，且所述第一双稳态压电元件1-1的压电层1.2通过连接线与第二双稳态压电元件1-2的压电层1.2串联，所述第二双稳态压电元件1-2的另一端连接有质量块7；所述第一双稳态压电元件1-1和第二双稳态压电元件1-2的压电梁1.1.1的屈曲程度不同，使得第二双稳态压电单元1-2更易发生稳定状态转换，其中屈曲程度主要通过激光加工参数和几何参数调控。

具体实施例5

如图5所示，一种基于双稳态压电元件的多稳态压电能量收集器，包括第二固定支架9、第三双稳态压电元件1-3和第四双稳态压电元件1-4，所述第三双稳态压电元件1-3的一端连接在第二固定支架9的侧壁上，所述第三双稳态压电元件1-3呈水平悬挂状态，所述第三双稳态压电元件1-3另一端的固定有第一质量块7-1，所述第三双稳态压电元件1-3靠近第一质量块7-1的金属层1.1上开设有安装嵌口1.5，所述第四双稳态压电元件1-4设在安装嵌口1.5内，所述第四双稳态压电元件1-4的一端与安装嵌口1.5固定，本具体实施例采用第四双稳态压电元件1-4的金属层1.1与安装嵌口1.5一体成型以实现固定，所述第四双稳态压电元件1-4的另一端延伸至安装嵌口1.5内并接有第二质量块7-2；同时，所述第二固定支架9上设有能量收集电路元件4和用于输出的探针5，所述探针5与能量收集电路元件4电连接，所述第三双稳态压电元件1-3、第四双稳态压电元件1-4分别通过导线6与能量收集电路元件4电连接。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。