專利名稱：一種邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于能量收集與轉換裝置技術領域，特別涉及一種邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置。
背景技術：
隨著新材料的大量涌現(xiàn)和電子技術飛速發(fā)展，各種傳感器不斷出現(xiàn)，廣泛應用于機械儀器檢測、建筑環(huán)境監(jiān)控、無線通信網(wǎng)絡、植入式醫(yī)療器械等多種領域，為人們的生產(chǎn)生活帶來了便利。通常情況下，采用化學能電池作為這類低功耗傳感器的能源。雖然新技術和新材料的應用使得電池壽命更長，然而出于體積和容量的限制，需要周期性地更換或充電，使得其應用受到一定程度的限制。在一些情況下，由于傳感器體積限制或使用環(huán)境惡劣，不宜采用電池供電，急需研究新的供能技術，各種新型的微型設備供能技術的研究，成為國際能源研究的熱點。為解決傳感器對電池的依賴，最常見的供能方式為采用太陽能，但對于黑暗密閉環(huán)境，無法實現(xiàn)太陽能的收集，而且太陽能需要能量的轉化和貯存，使其在微系統(tǒng)方面的應用受到限制。除此之外，環(huán)境的機械振動也是最為常見的一種能量存在形式，通過能量收集裝置收集振動能量，進而為傳感器供能，用于補充或完全取代電池的作用，具有極大的應用前景。目前經(jīng)常采用的振動能轉換為電能的方式為壓電式，即通過帶有壓電材料的振動結構產(chǎn)生相對運動，在壓電材料中形成應力，進而產(chǎn)生電勢，通過外接電路轉化為電能輸出。壓電方式的優(yōu)點是結構簡單、便于制造，可以采用成熟的微電子工藝制造，并與相關電路單片集成。但是，對于壓電式換能，應使振動結構盡可能地工作于諧振狀態(tài)，才能收集到較多的振動能量，獲得較高的能量轉換效率。但是，傳感器工作環(huán)境的振動能通常具有頻率低、頻率成分多的特點，較難滿足壓電式能量轉換對于頻率的要求。因此，需要開發(fā)一種適用于寬頻帶振動、沖擊或激勵方式多樣的振動環(huán)境的能量收集裝置。本發(fā)明就是在這一基礎上進行設計的，根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的能量收集裝置，可以有效收集各種振動或沖擊類型的動能，同時解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點所導致的振動結構的諧振頻率不易匹配、能量轉換效率低等問題，適用于寬頻帶、振動或激勵方式多樣的振動環(huán)境,能夠高效收集環(huán)境振動能量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，從實際工作環(huán)境中轉換和收集寬頻帶的面內振動、離面振動、俯仰激勵和沖擊激勵等振動能量，將振動能量轉化成電能，然后向傳感器或其他低功耗系統(tǒng)供電。本發(fā)明所采用的技術方案是由電極、駐極體和可動結構組成；電極部分覆蓋駐極體的上表面；可動結構感知面內振動、離面振動、俯仰激勵或沖擊激勵，在駐極體上方、各電極之間的區(qū)域內運動。
所述電極由電阻率不超過2Χ10_6Ω ·πι的導電性材料制成。所述駐極體由具有電荷存儲能力的電介質材料構成。所述可動結構為滾珠結構，或與支撐結構組合構成懸臂梁或彈簧-質量塊振動結構，使得可動結構在電極之間、駐極體上表面做滾動、離面振動或面內振動。所述多個駐極體或所述多個可動結構以固連方式級聯(lián)，形成陣列式結構。本發(fā)明的有益效果為 本發(fā)明可以有效收集各種振動或沖擊類型的動能，同時解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點所導致的振動結構的諧振頻率不易匹配、能量轉換效率低等問題，可廣泛應用于寬頻帶、振動或激勵方式多樣的振動環(huán)境的能量收集。


圖I是本發(fā)明基本結構原理示意圖。圖2是本發(fā)明實施例I的結構示意圖。圖3是本發(fā)明實施例2的結構示意圖。圖4是本發(fā)明實施例3的結構示意圖。圖中標號I-電極；2_駐極體；3_可動結構；4_支撐結構。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。本發(fā)明的基本結構原理如圖I所示，該裝置由電極I、駐極體2和可動結構3組成；2個電極I分散位于駐極體2的上表面；可動結構3感知面內振動、離面振動、俯仰激勵或沖擊激勵，在駐極體2上方、兩個電極I之間的區(qū)域內運動，將振動能量轉化成電能，然后向傳感器或其他低功耗系統(tǒng)供電。實施例I如圖2所示，兩個電極I位于駐極體2上表面，可動結構3為球體，在兩個電極I之間、駐極體2上表面做垂直于平面的滾動。當可動結構3靜止時，駐極體2在電極I的側面形成一個穩(wěn)定的電場，電極I內的感應電荷排列穩(wěn)定，不發(fā)生變化。當可動結構3在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生垂直于平面的滾動時，駐極體2在電極I側面形成的電場也發(fā)生變化，使得電極I內的感應電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。實施例2如圖3所示，兩個電極I位于駐極體2上表面，可動結構3為質量塊。電極I和駐極體2經(jīng)支撐結構4與可動結構3連接成整體，可動結構3與支撐結構4構成懸臂梁結構，使得可動結構3在兩個電極I之間、駐極體2上方的區(qū)域做離面振動。當可動結構3靜止時，駐極體2在電極I的側面形成一個穩(wěn)定的電場，電極I內的感應電荷排列穩(wěn)定，不發(fā)生變化。當可動結構3在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生離面振動時，駐極體2在電極I側面形成的電場也發(fā)生變化，使得電極I內的感應電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。實施例4如圖4所示，多個電極I分散設置于駐極體2的上表面，可動結構3為由硅片刻蝕形成的不規(guī)則形狀。電極I、駐極體2和可動結構3均固連在支撐結構4表面，連接成整體。電極I和可動結構3構成陣列式的邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置。可動結構3與支撐結構4構成彈簧-質量塊結構，使得可動結構3在各個電極I之間及駐極體2上方區(qū)域做離面振動。當可動結構3靜止時，駐極體2在電極I的側面形成一個穩(wěn)定的電場，電極I內的感應電荷排列穩(wěn)定，不發(fā)生變化。當可動結構3在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生離面振動時，駐極體2在電極I側面形成的電場也發(fā)生變化，使得電極I內的感應電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。
權利要求
1.一種邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于由電極(I)、駐極體(2)和可動結構(3)組成；電極(I)部分覆蓋駐極體(2)的上表面；可動結構(3)感知面內振動、離面振動、俯仰激勵或沖擊激勵，在駐極體(2 )上方、各電極(I)之間的區(qū)域內運動。
2.根據(jù)權利要求I所述的邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述電極(I)由電阻率不超過2Χ10_6Ω ·πι的導電性材料制成。
3.根據(jù)權利要求I所述的邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述駐極體(2)由具有電荷存儲能力的電介質材料構成。
4.根據(jù)權利要求f3任一項所述的邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述可動結構(3)為滾珠結構，或與支撐結構(4)組合構成懸臂梁或彈簧-質量塊振動結構，使得可動結構(3)在電極(I)之間、駐極體(2)上表面做滾動、離面振動或面內振動。
5.根據(jù)權利要求f3任一項所述的邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于，所述多個駐極體(2)或所述多個可動結構(3)以固連方式級聯(lián)，形成陣列式結構。
全文摘要
本發(fā)明屬于能量收集與轉換裝置技術領域，特別涉及一種邊緣電場驅動的靜電式振動能量收集裝置。本裝置由電極、駐極體和可動結構組成；電極部分覆蓋駐極體上表面；可動結構感知面內振動、離面振動、俯仰激勵或沖擊激勵，在駐極體上方、各電極之間的區(qū)域內運動。電極由電阻率不超過2×10-6Ω·m的導電性材料制成；駐極體為具有電荷存儲能力的電介質材料；駐極體或可動結構可以以固連方式級聯(lián)，形成陣列式裝置。本發(fā)明可以有效收集各種振動或沖擊類型的動能，同時解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點所導致的振動結構的諧振頻率不易匹配、能量轉換效率低等問題，可廣泛應用于寬頻帶振動、沖擊或激勵方式多樣的振動環(huán)境的能量收集。
文檔編號H02N3/00GK102946212SQ201210445979
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權日2012年11月8日
發(fā)明者卜靈, 伍曉明, 王曉紅, 劉理天 申請人:清華大學