一種壓電-電磁復合式低頻寬帶俘能器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓電-電磁復合式低頻寬帶俘能器，屬于新能源和發電技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，隨著現代集成電路技術和微機電系統(MEMS)技術的迅速發展，各種微機電器件或系統和低功耗電子產品越來越多地應用到航空航天、兵器工業、生物醫藥、結構健康監測等領域。目前仍然采用化學電池為這些系統或器件供電，但是使用化學電池存在著比較突出的問題:重量和體積較大，無法在工作空間較小的系統中使用；供能壽命有限，能量耗盡需重復充電或更換；對環境的污染較大。這些已經成為微機電系統和低功耗電子產品進一步應用的不利因素。因此，為微機電系統和低功耗電子器件供能的新型供電技術成為亟待解決的關鍵技術問題。
[0003]近年來，國內外科學家都在積極研宄新的供能方式，其中一種非常有前途的方法就是設計一種裝置直接從環境中提取能量為無線傳感器等低功耗電子器件供能。可從環境獲得有限電能的方式包括光、溫度梯度場、振動、風、水流、電磁波等等。其中，具有結構簡單、不發熱、便于實現小型化和集成化等優點的壓電或電磁俘能裝置備受關注。現階段國內外在俘能方面的研宄主要集中在單一轉換機理上，所設計的結構大多只基于一種俘能機理，但不同類型的振動型俘能器都有其各自不同的特點，如壓電式俘能器雖然輸出電壓較大，但由于內阻較大導致輸出電流較小，通常只有幾微安；電磁式俘能器的輸出電流較大，但輸出電壓較小，只有幾十到幾百毫伏。這些俘能器的共同缺點都是頻帶窄，振動頻率固定，環境適應能力較差。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了解決現有俘能器存在頻帶窄、振動頻率固定與環境適應能力較差的問題，提供一種壓電-電磁復合式低頻寬帶俘能器。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0006]一種壓電-電磁復合式低頻寬帶俘能器，包括壓電俘能裝置、電磁俘能裝置、夕卜框、電極以及基座；
[0007]壓電俘能裝置包括壓電雙晶片、懸臂梁；
[0008]電磁俘能裝置包括永磁鐵、感應線圈和兩側磁鐵；
[0009]壓電雙晶片固定在懸臂梁上下表面；壓電雙晶片表面涂覆銀，電荷通過電極連接導線引出到能量轉換電路進行處理；懸臂梁一端固定在振動體的基座上，一端粘貼作為質量塊的矩形永磁鐵以降低俘能結構的振動頻率；永磁鐵兩側分別放置感應線圈；在永磁鐵振動過程中感應線圈切割磁力線產生感應電流；在兩感應線圈后分別放置兩側磁鐵；放置兩側磁鐵的主要作用就是利用磁鐵間作用力增大懸臂梁的振動振幅并使磁鐵間的磁力線密度增加以使更多的磁力線參與到電磁感應中獲得更大感應電流。
[0010]由壓電雙晶片構成的壓電懸臂梁俘能結構在外界振動激勵作用下產生上下振動，壓電雙晶片由于變形產生壓電效應在壓電雙晶片表面產生電荷，兩片壓電雙晶并聯后經壓電俘能電路輸出到能量存儲電路處理后存儲起來，在懸臂梁振動的同時，懸臂梁末端的永磁鐵也隨著懸臂梁發生上下振動，永磁鐵兩側的線圈切割磁力線由于電磁感應產生感應電流，線圈串聯后經電磁俘能電路輸出到能量存儲電路存儲后存儲起來。
[0011]壓電俘能裝置經能量采集電路轉換后輸出電壓大、電流小，電磁俘能裝置經能量采集電路轉換后輸出電流大、電壓小，壓電俘能裝置的輸出和電磁俘能裝置的輸出經能量存儲電路輸出較高電壓和較高電流存儲在儲能元件中以供使用。
[0012]所述的壓電雙晶片材料為壓電陶瓷；
[0013]所述的壓電雙晶片固定在懸臂梁上下表面，采用粘貼方式固定；
[0014]所述的能量轉換電路，主要包括二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、電阻、電容，所述的二極管D1、二極管D2、二極管D3與二極管D4構成橋式整流電路；在振動的正半周時，二極管D2和二極管D3導通；在振動的負半周時，二極管Dl和二極管D4導通，負載上得到的始終是正向直流電壓。
[0015]有益效果
[0016]1、本發明的這種壓電-電磁復合式俘能器，利用壓電效應和電磁感應在振動條件下俘能，可產生較大電流和較高電壓，有效彌補了壓電或電磁單獨俘能方式的不足，利用有效的能量轉換電路可做到較高電壓和較高電流的同時輸出，更有利于為充電電池或超級電容充電。
[0017]2、本發明的這種壓電-電磁復合式俘能器，利用永磁鐵與兩側磁鐵之間的磁力耦合作用使壓電俘能結構的振動模態產生變化，使懸臂梁的振幅和振動頻率發生變化，從而改變了復合俘能器的發電特性，提高了俘能器的環境適應能力。
[0018]3、本發明的這種壓電-電磁復合式俘能器，由于永磁鐵與兩側感應線圈之間的電磁感應作用，會在線圈中產生感應電流，但根據楞次定律，感應電流也會在線圈內產生感應磁場，這個感應磁場與永磁鐵的磁場之間也存在著相互作用，因此，磁鐵間的相互作用和電磁感應的相互作用實現了壓電俘能結構懸臂梁的非線性振動，可有效拓寬俘能帶寬；
[0019]4、本發明的這種壓電-電磁復合式俘能器，采用壓電雙晶片和感應線圈共同俘能，做到了在有限空間內兩種俘能方式的復合，輸出功率比單一壓電式俘能器輸出功率提高了 38%，3dB帶寬相比于壓電式俘能器提高了 67%。
【附圖說明】
[0020]圖1為壓電-電磁復合俘能流程圖；
[0021 ] 圖2為壓電-電磁復合俘能器結構示意圖；
[0022]圖3為壓電-電磁復合俘能器裝配圖；
[0023]圖4為能量轉換電路；
[0024]圖5為壓電雙晶片懸臂梁示意圖。
[0025]其中，I一外框、2—壓電雙晶片、3 —電極、4一懸臂梁、5—基座、6—永磁鐵、7—感應線圈、8—兩側磁鐵。
【具體實施方式】
[0026]為進一步闡述本發明達到預期目的所采取的技術手段及功效，使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，結合附圖及實施例對本發明的【具體實施方式】、結構特征及其功效做如下詳細說明。
[0027]實施例1
[0028]一種壓電-電磁復合式低頻寬帶俘能器，包括壓電俘能裝置、電磁俘能裝置外框
1、電極3、基座5 ;壓電俘能裝置包括壓電雙晶片2、懸臂梁4 ;電磁俘能裝置包括永磁鐵6、感應線