一种压电陶瓷能量采集器

技术领域

本申请涉及能量采集设备领域，特别涉及一种压电陶瓷能量采集器。

背景技术

一些应用蓝牙技术的电子器件功耗一般为毫瓦级，能够对所处环境信号进行实时感知、采集和检测，因此被广泛地应用于民用、工业和军事等领域。这些电子器件往往在苛刻的环境条件下工作、如各种建筑、江河湖泊、公路桥梁、人体内部等人类难以接近的野外环境或生物体内。这对供能器件的工作环境、体积、成本及寿命等条件均提出了很高的要求。为了长时间甚至永久性地为无线传感网络节点等低功耗电子设备供电，人们开始研究如何从这些电子设备周围环境中采集其他形式的能量并将其转换成电能的能量采集设备，比如压电陶瓷能量采集器。

压电陶瓷能量采集器基于压电材料的压电效应，在环境振动的激励下，器件中的压电层产生应变在表面产生极化电荷，从而将环境振动的机械能转换成了所需要的电能。

环境振动源具有频率低、加速度小的特点，且大多数的环境振动是由多个环境振动源相互作用的结果，故而又具有多振动源的特点。传统的压电陶瓷能量采集器如最常见的悬臂梁结构压电陶瓷能量采集器，其工作频率就被固定在了一个较高的谐振频率点上，且有效工作频带也被局限在了较窄的频带范围内，所以有效工作频带带宽较窄。外部环境的振动频率一旦偏离压电陶瓷能量采集器的谐振频率时，其输出电压便会明显降低。因此，如何与低频多振动源的振动环境相适应进行振动的能量采集工作，即如何在低频环境中尽可能的采集到各个振源的振动能量成为压电陶瓷能量采集器的一个亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种压电陶瓷能量采集器，其能够改善上述问题。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请提供一种压电陶瓷能量采集器，其包括：

基座、振动基板、压电陶瓷片和第一质量块和第二质量块；

所述振动基板包括主梁、第一L型副梁和第二L型副梁；

所述基座的一侧表面为贴附面，垂直于所述贴附面的方向为第一方向；垂直于所述贴附面的平面为工作面，在所述工作面上与所述第一方向垂直的方向为第二方向，与所述工作面垂直的方向为第三方向；

所述主梁黏附于所述基座的所述贴附面上，所述主梁上黏附有所述压电陶瓷片；所述主梁的两端在所述第一方向上延伸有所述第一L型副梁和所述第二L型副梁；

所述第一L型副梁包括第一延伸梁和多个第一振动梁，所述第一延伸梁沿所述第二方向朝向所述第二L型副梁延伸有多个所述第一振动梁，每个所述第一振动梁的末端都黏附有第一质量块；

所述第二L型副梁包括第二延伸梁和多个第二振动梁，所述第二延伸梁沿所述第二方向朝向所述第一L型副梁延伸有多个所述第二振动梁，每个所述第二振动梁的末端亦黏附有第二质量块；

相邻的所述第一振动梁之间形成空隙，所述第二振动梁位于所述空隙之间。

可以理解，本申请公开了一种压电陶瓷能量采集器，该压电陶瓷能量采集器的振动基板呈叉指式结构，它由两个参数不同的二自由度结构组成。第一L型副梁的第一延伸梁和多个第一振动梁构成一个二自由度直角型振子，第二L型副梁的第二延伸梁和多个第二振动梁构成另一个二自由度直角型振子。两个二自由度直角型振子叠加作用于主梁上，有利于压电陶瓷能量采集器各阶谐振频率降低、谐振频率间距缩短，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。

在本申请可选的实施例中，所述第一振动梁上与所述第一延伸梁垂直的两边沿上排布有多个镂空区域；所述第二振动梁上与所述第二延伸梁垂直的两边沿上亦排布有多个镂空区域。

在本申请可选的实施例中，所述第一振动梁和所述第二振动梁上的所述镂空区域沿所述第二方向排布。

可以理解，第一振动梁和第二振动梁上沿第二方向排布镂空区域有利于进一步地降低压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率。

在本申请可选的实施例中，所述第一延伸梁上与所述主梁垂直的两边沿上排布有多个镂空区域；所述第二延伸梁上与所述主梁垂直的两边沿上亦排布有多个镂空区域。

在本申请可选的实施例中，所述第一延伸梁和所述第二延伸梁上的所述镂空区域沿所述第一方向排布。

可以理解，第一延伸梁和第二延伸梁上沿第一方向排布镂空区域亦有利于进一步地降低压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率。

在本申请可选的实施例中，所述第一振动梁和所述第二振动梁在所述第二方向上的尺寸相等；所述主梁和所述第一振动梁在所述第二方向上的尺寸比为14比9；所述主梁和所述第二振动梁在所述第二方向上的尺寸比亦为14比9。

可以理解，保持压电陶瓷能量采集器各项尺寸不变，包括主梁长度为70mm不变，只从15mm至45mm改变第一振动梁和第二振动梁的长度，测试主梁与第一振动梁长度比对压电陶瓷能量采集器各项输出性能的影响。结果表明，随主梁与第一振动梁长度比逐渐降低，压电陶瓷能量采集器各阶谐振频率均明显降低，各阶谐振频率的间距也明显缩小。直至主梁与第一振动梁长度比为70/45(即14/9)时，压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率达到最小，各阶谐振频率的间距非常接近，这非常有利于实现工作频带间的串联。

在本申请可选的实施例中，所述主梁在所述第二方向上的尺寸为70mm，所述第一振动梁和所述第二振动梁在所述第二方向上的尺寸为45mm；相邻所述第一振动梁和所述第二振动梁的间距为5mm。

可以理解，相邻第一振动梁和第二振动梁的间距取1mm、3mm、5mm、7mm、9mm时，分别对压电陶瓷能量采集器的主梁上的压电陶瓷片在0～50Hz内前四阶工作频带的电压输出情况进行分析。随着间距逐渐增大，主梁压电陶瓷片上一二阶电压输出峰值逐渐降低，三四阶电压输出值逐渐升高。一二阶谐振频率间距保持平稳，二三阶谐振频率间距逐渐增大；工作频带间的谷值先升高后降低，间距为5mm时，两个谷值达到最大值。因此，相邻第一振动梁和第二振动梁的间距为5mm时，器件主梁压电片实现了最佳的宽带效果。

在本申请可选的实施例中，所述第一质量块和所述第二质量块的尺寸和材料相同。

在本申请可选的实施例中，所述第一延伸梁上的所述第一振动梁的数量与所述第二延伸梁上的所述第二振动梁的数量相等。

在本申请可选的实施例中，所述振动基板采用磷青铜材料；所述压电陶瓷片采用PZT-5系列压电陶瓷；所述第一质量块和所述第二质量块均采用镍材料制成。

可以理解，由于磷青铜材料具备较好的延展性，因此振动基板采用磷青铜材料。由于压电陶瓷PZT-5H具备优良的机电参数的时间稳定性和温度稳定性，且是压电陶瓷PZT-5系列中机电耦合系数较高，压电性能较强的，因此，本结构压电陶瓷片选择PZT-5H；镍材料具有较高的密度、成熟的加工工艺，故本结构第一质量块和第二质量块均采用镍材料。

有益效果：

可以理解，本申请公开了一种压电陶瓷能量采集器，该压电陶瓷能量采集器的振动基板呈叉指式结构，它由两个参数不同的二自由度结构组成。第一L型副梁的第一延伸梁和多个第一振动梁构成一个二自由度直角型振子，第二L型副梁的第二延伸梁和多个第二振动梁构成另一个二自由度直角型振子。两个二自由度直角型振子叠加作用于主梁上，有利于压电陶瓷能量采集器各阶谐振频率降低、谐振频率间距缩短，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举可选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本申请提供的一种压电陶瓷能量采集器的结构示意图；

图2是图1所示的压电陶瓷能量采集器的俯视图；

图3是本申请提供的另一种压电陶瓷能量采集器的俯视图；

图4是本申请提供的另一种压电陶瓷能量采集器的俯视图；

图5是本申请提供的另一种压电陶瓷能量采集器的俯视图；

图6是图1所示压电陶瓷能量采集器的的主梁压电陶瓷片电压输出情况仿真图。

附图标号：

基座10、振动基板20、主梁21、第一L型副梁22、第一延伸梁221、第一振动梁222、第二延伸梁231、第二振动梁232、第二L型副梁23、压电陶瓷片30、第一质量块40、第二质量块50、镂空区域60。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

环境振动源具有频率低、加速度小的特点，且大多数的环境振动是由多个环境振动源相互作用的结果，故而又具有多振动源的特点。传统的压电陶瓷能量采集器如最常见的悬臂梁结构压电陶瓷能量采集器，其工作频率就被固定在了一个较高的谐振频率点上，且有效工作频带也被局限在了较窄的频带范围内，所以有效工作频带带宽较窄。外部环境的振动频率一旦偏离压电陶瓷能量采集器的谐振频率时，其输出电压便会明显降低。因此，如何与低频多振动源的振动环境相适应进行振动的能量采集工作，即如何在低频环境中尽可能的采集到各个振源的振动能量成为压电陶瓷能量采集器的一个亟待解决的问题。

为了降低压电陶瓷能量采集器的谐振频率，可以增加压电陶瓷能量采集器中振动梁的自由度，但是一味地增加器件振动梁的自由度会引起振动梁的不稳定，在工作中容易发生断裂。

如图1和图2所示，本申请提供一种压电陶瓷能量采集器，其包括：基座10、振动基板20、压电陶瓷片30和第一质量块40和第二质量块50；振动基板20包括主梁21、第一L型副梁22和第二L型副梁23。

基座10的一侧表面为贴附面，垂直于贴附面的方向为第一方向(如图中X方向所示)；垂直于贴附面的平面为工作面，在工作面上与第一方向垂直的方向为第二方向(如图中Y方向所示)，与工作面垂直的方向为第三方向(如图中Z方向所示)。

主梁21黏附于基座10的贴附面上，主梁21上黏附有压电陶瓷片30；主梁21的两端在第一方向上延伸有第一L型副梁22和第二L型副梁23。

第一L型副梁22包括第一延伸梁221和多个第一振动梁222，第一延伸梁221沿第二方向朝向第二L型副梁23延伸有多个第一振动梁222，每个第一振动梁222的末端都黏附有第一质量块40；第二L型副梁23包括第二延伸梁231和多个第二振动梁232，第二延伸梁231沿第二方向朝向第一L型副梁22延伸有多个第二振动梁232，每个第二振动梁232的末端亦黏附有第二质量块50；相邻的第一振动梁222之间形成空隙，第二振动梁232位于空隙之间。

可以理解，本申请公开了一种压电陶瓷能量采集器，该压电陶瓷能量采集器的振动基板20呈叉指式结构，它由两个参数不同的二自由度结构组成。第一L型副梁22的第一延伸梁221和多个第一振动梁222构成一个二自由度直角型振子，第二L型副梁23的第二延伸梁231和多个第二振动梁232构成另一个二自由度直角型振子。两个二自由度直角型振子叠加作用于主梁21上，有利于压电陶瓷能量采集器各阶谐振频率降低、谐振频率间距缩短，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。

如图3所示，在本申请可选的实施例中，第一振动梁222上与第一延伸梁221垂直的两边沿上排布有多个镂空区域60；第二振动梁232上与第二延伸梁231垂直的两边沿上亦排布有多个镂空区域60。

在本申请可选的实施例中，第一振动梁222和第二振动梁232上的镂空区域60沿第二方向排布。

可以理解，第一振动梁222和第二振动梁232上沿第二方向排布镂空区域60有利于进一步地降低压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率。

如图4和图5所示，在本申请可选的实施例中，第一延伸梁221上与主梁21垂直的两边沿上排布有多个镂空区域60；第二延伸梁231上与主梁21垂直的两边沿上亦排布有多个镂空区域60。

在本申请可选的实施例中，第一延伸梁221和第二延伸梁231上的镂空区域60沿第一方向排布。

可以理解，第一延伸梁221和第二延伸梁231上沿第一方向排布镂空区域60亦有利于进一步地降低压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率。

对于经典的单自由度悬臂梁来说，其各阶谐振频率满足以下公式：

其中，f

其中，M

其中，

其中，W、L为单自由度悬臂梁的宽度和长度，l

因此在无论是第一振动梁222和第二振动梁232，还是第一延伸梁221和第二延伸梁231，只要在宽度方向上存在镂空区域60，就会影响压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率的降低。

在本申请可选的实施例中，振动基板20采用磷青铜材料；压电陶瓷片30采用PZT-5系列压电陶瓷；第一质量块40和第二质量块50均采用镍材料制成。

可以理解，由于磷青铜材料具备较好的延展性，因此振动基板20采用磷青铜材料。由于压电陶瓷PZT-5H具备优良的机电参数的时间稳定性和温度稳定性，且是压电陶瓷PZT-5系列中机电耦合系数较高，压电性能较强的，因此，本结构压电陶瓷片30选择PZT-5H；镍材料具有较高的密度、成熟的加工工艺，故本结构第一质量块40和第二质量块50均采用镍材料。

在本申请可选的实施例中，第一振动梁222和第二振动梁232在第二方向上的尺寸相等；主梁21和第一振动梁222在第二方向上的尺寸比为14比9；主梁21和第二振动梁232在第二方向上的尺寸比亦为14比9。

在本申请可选的实施例中，主梁21在第二方向上的尺寸为70mm，第一振动梁222和第二振动梁232在第二方向上的尺寸为45mm；相邻第一振动梁222和第二振动梁232的间距为5mm。

在本申请实施例中，振动基板20、压电陶瓷片30、第一质量块和第二质量块的材料具体参数如表1所示。设定压电陶瓷能量采集器的各项初始尺寸如表2所示。

表1压电陶瓷能量采集器的材料参数

表2压电陶瓷能量采集器的各项初始参数

保持表2中压电陶瓷能量采集器各项尺寸不变，包括主梁21长度为70mm不变，只从15mm至45mm改变第一振动梁222和第二振动梁232的长度，测试主梁21与第一振动梁222长度比对压电陶瓷能量采集器各项输出性能的影响。表3为压电陶瓷能量采集器前四阶谐振频率随主梁与第一振动梁长度比变化关系表。

表3谐振频率随主梁与第一振动梁长度比变化关系表

结果表明，随主梁21与第一振动梁222长度比逐渐降低，压电陶瓷能量采集器各阶谐振频率均明显降低，各阶谐振频率的间距也明显缩小。直至主梁21与第一振动梁222长度比为70/45(即14/9)时，压电陶瓷能量采集器的各阶谐振频率达到最小，各阶谐振频率的间距非常接近，这非常有利于实现工作频带间的串联。

保持表2中压电陶瓷能量采集器各项尺寸不变，相邻第一振动梁222和第二振动梁232的间距取1mm、3mm、5mm、7mm、9mm时，分别对压电陶瓷能量采集器的主梁21上的压电陶瓷片30在0～50Hz内前四阶工作频带的电压输出情况进行分析。随着间距逐渐增大，主梁21压电陶瓷片30上一二阶电压输出峰值逐渐降低，三四阶电压输出值逐渐升高。一二阶谐振频率间距保持平稳，二三阶谐振频率间距逐渐增大；工作频带间的谷值先升高后降低，间距为5mm时，两个谷值达到最大值。

因此，相邻第一振动梁222和第二振动梁232的间距为5mm时，主梁21压电片实现了最佳的宽带效果，如图6所示。从图中可以看出，主梁压电陶瓷片在0-50Hz的低频扫频范围内共有三个电压输出峰值，三四阶谐振频率过于靠近，体现为一个波峰，这里统称为第三阶电压输出峰值。主梁压电陶瓷片片前三阶电压输出峰值分别为13.2V、15.9V、5V；前三阶电压输谷值分别为9.2V、4V；第一阶有效工作频带带宽BW1为6Hz，有效工作频带内的输出电压大于9.3V；第二阶有效工作频带带宽BW2为3.2Hz，有效工作频带内的输出电压大于11.2V；第三阶有效工作频带带宽BW3达到最大为25Hz，有效工作频带内的输出电压大于3.5V。也就是说该压电陶瓷能量采集器可以采集25HZ范围的极低环境振动能，并将其转换为超过3.5V的电能为需要的电子器件进行供电，这说明本申请所公开的压电陶瓷能量采集器的有效工作频带带宽大幅度提高，且尺寸较小、一阶谐振频率较低，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。

在本申请可选的实施例中，第一质量块40和第二质量块50的尺寸和材料相同。

在本申请可选的实施例中，第一延伸梁221上的第一振动梁222的数量与第二延伸梁231上的第二振动梁232的数量相等。

有益效果：

可以理解，本申请公开了一种压电陶瓷能量采集器，该压电陶瓷能量采集器的振动基板20呈叉指式结构，它由两个参数不同的二自由度结构组成。第一L型副梁22的第一延伸梁221和多个第一振动梁222构成一个二自由度直角型振子，第二L型副梁23的第二延伸梁231和多个第二振动梁232构成另一个二自由度直角型振子。两个二自由度直角型振子叠加作用于主梁21上，有利于压电陶瓷能量采集器各阶谐振频率降低、谐振频率间距缩短，能够很好地与低频多源的振动环境相匹配，更好地实现宽频效果。

图1所示的压电陶瓷能量采集器的具体制备流程如下：

振动基板的制作，按照图1所示的压电陶瓷能量采集器中所要求的振动基板形状和尺寸剪切磷青铜基板，置于温度为300℃的加热箱中两个小时后取出并冷却至室温，以此确保振动基板的表面平整。剪切步骤可采用小型数控雕刻机对基板铜片进行剪切，小型雕刻机的雕刻精度一般为0.01mm。

清洗，用砂纸打磨冷却后的磷青铜振动基板，去除其表面的氧化膜，然后用镊子夹住脱脂棉球蘸上丙酮溶液对磷青铜振动基板和PZT-5系列的压电陶瓷片进行擦洗，并置于载玻片上晾干。

粘结，用一小的平整金属片分别将导电银胶均匀地涂在压电陶瓷片表面上，再将振动基板的主梁部分与之粘贴好，并用丙酮溶液吸收多余的胶。为了避免引起导电不良或者不导电现象，粘接层厚度一般为3～10。粘结好后，将其平整的置于平台上，在室温下凝固24小时。

焊接电极，分别对两根梁进行焊接电极工作，一般将导线焊接在压电片上表面和金属基板的下表面靠近固定端的位置。

固定质量块，将按要求尺寸订做的镍质量块用砂纸打磨净，然后将环氧树脂AB胶按1:1的比例调和均匀后，涂在质量块上下表面并按器件结构与第一振动梁、第二振动梁进行黏贴，放置待胶凝固后方可。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备和介质类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可，这里就不再一一赘述。

至此，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一用户设备和第二用户设备表示不同的用户设备，虽然两者均是用户设备。例如，在不背离本公开的范围的前提下，第一元件可称作第二元件，类似地，第二元件可称作第一元件。

当一个元件(例如，第一元件)称为与另一元件(例如，第二元件)“(可操作地或可通信地)联接”或“(可操作地或可通信地)联接至”另一元件(例如，第二元件)或“连接至”另一元件(例如，第二元件)时，应理解为该一个元件直接连接至该另一元件或者该一个元件经由又一个元件(例如，第三元件)间接连接至该另一个元件。相反，可理解，当元件(例如，第一元件)称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件(第二元件)时，则没有元件(例如，第三元件)插入在这两者之间。

以上描述仅为本申请的可选实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。