本發(fā)明專利技術(shù)屬于能量收集與轉(zhuǎn)換裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種邊緣電場驅(qū)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(jié)構(gòu)組成；電極部分覆蓋駐極體上表面；可動結(jié)構(gòu)感知面內(nèi)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(nèi)運(yùn)動。電極由電阻率不超過2×10-6Ω·m的導(dǎo)電性材料制成；駐極體為具有電荷存儲能力的電介質(zhì)材料；駐極體或可動結(jié)構(gòu)可以以固連方式級聯(lián)，形成陣列式裝置。本發(fā)明專利技術(shù)可以有效收集各種振動或沖擊類型的動能，同時(shí)解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點(diǎn)所導(dǎo)致的振動結(jié)構(gòu)的諧振頻率不易匹配、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題，可廣泛應(yīng)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。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于能量收集與轉(zhuǎn)換裝置
，特別涉及一種邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置。
技術(shù)介紹
隨著新材料的大量涌現(xiàn)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，各種傳感器不斷出現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械儀器檢測、建筑環(huán)境監(jiān)控、無線通信網(wǎng)絡(luò)、植入式醫(yī)療器械等多種領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)生活帶來了便利。通常情況下，采用化學(xué)能電池作為這類低功耗傳感器的能源。雖然新技術(shù)和新材料的應(yīng)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(yīng)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(shù)，各種新型的微型設(shè)備供能技術(shù)的研究，成為國際能源研究的熱點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)太陽能的收集，而且太陽能需要能量的轉(zhuǎn)化和貯存，使其在微系統(tǒng)方面的應(yīng)用受到限制。除此之外，環(huán)境的機(jī)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(jìn)而為傳感器供能，用于補(bǔ)充或完全取代電池的作用，具有極大的應(yīng)用前景。目前經(jīng)常采用的振動能轉(zhuǎn)換為電能的方式為壓電式，即通過帶有壓電材料的振動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對運(yùn)動，在壓電材料中形成應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生電勢，通過外接電路轉(zhuǎn)化為電能輸出。壓電方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，可以采用成熟的微電子工藝制造，并與相關(guān)電路單片集成。但是，對于壓電式換能，應(yīng)使振動結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(diǎn)，較難滿足壓電式能量轉(zhuǎn)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。本專利技術(shù)就是在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)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(shí)解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點(diǎn)所導(dǎo)致的振動結(jié)構(gòu)的諧振頻率不易匹配、能量轉(zhuǎn)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。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，從實(shí)際工作環(huán)境中轉(zhuǎn)換和收集寬頻帶的面內(nèi)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(zhuǎn)化成電能，然后向傳感器或其他低功耗系統(tǒng)供電。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是由電極、駐極體和可動結(jié)構(gòu)組成；電極部分覆蓋駐極體的上表面；可動結(jié)構(gòu)感知面內(nèi)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(nèi)運(yùn)動。所述電極由電阻率不超過2Χ10_6Ω ·πι的導(dǎo)電性材料制成。所述駐極體由具有電荷存儲能力的電介質(zhì)材料構(gòu)成。所述可動結(jié)構(gòu)為滾珠結(jié)構(gòu)，或與支撐結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成懸臂梁或彈簧-質(zhì)量塊振動結(jié)構(gòu)，使得可動結(jié)構(gòu)在電極之間、駐極體上表面做滾動、離面振動或面內(nèi)振動。所述多個(gè)駐極體或所述多個(gè)可動結(jié)構(gòu)以固連方式級聯(lián)，形成陣列式結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)的有益效果為 本專利技術(shù)可以有效收集各種振動或沖擊類型的動能，同時(shí)解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點(diǎn)所導(dǎo)致的振動結(jié)構(gòu)的諧振頻率不易匹配、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題，可廣泛應(yīng)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。附圖說明圖I是本專利技術(shù)基本結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號I-電極；2_駐極體；3_可動結(jié)構(gòu)；4_支撐結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)提供了一種邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。本專利技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖I所示，該裝置由電極I、駐極體2和可動結(jié)構(gòu)3組成；2個(gè)電極I分散位于駐極體2的上表面；可動結(jié)構(gòu)3感知面內(nèi)振動、離面振動、俯仰激勵或沖擊激勵，在駐極體2上方、兩個(gè)電極I之間的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動，將振動能量轉(zhuǎn)化成電能，然后向傳感器或其他低功耗系統(tǒng)供電。實(shí)施例I如圖2所示，兩個(gè)電極I位于駐極體2上表面，可動結(jié)構(gòu)3為球體，在兩個(gè)電極I之間、駐極體2上表面做垂直于平面的滾動。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)3靜止時(shí)，駐極體2在電極I的側(cè)面形成一個(gè)穩(wěn)定的電場，電極I內(nèi)的感應(yīng)電荷排列穩(wěn)定，不發(fā)生變化。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)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(shí)，駐極體2在電極I側(cè)面形成的電場也發(fā)生變化，使得電極I內(nèi)的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負(fù)載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。實(shí)施例2如圖3所示，兩個(gè)電極I位于駐極體2上表面，可動結(jié)構(gòu)3為質(zhì)量塊。電極I和駐極體2經(jīng)支撐結(jié)構(gòu)4與可動結(jié)構(gòu)3連接成整體，可動結(jié)構(gòu)3與支撐結(jié)構(gòu)4構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，使得可動結(jié)構(gòu)3在兩個(gè)電極I之間、駐極體2上方的區(qū)域做離面振動。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)3靜止時(shí)，駐極體2在電極I的側(cè)面形成一個(gè)穩(wěn)定的電場，電極I內(nèi)的感應(yīng)電荷排列穩(wěn)定，不發(fā)生變化。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)3在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生離面振動時(shí)，駐極體2在電極I側(cè)面形成的電場也發(fā)生變化，使得電極I內(nèi)的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負(fù)載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。實(shí)施例4如圖4所示，多個(gè)電極I分散設(shè)置于駐極體2的上表面，可動結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)3均固連在支撐結(jié)構(gòu)4表面，連接成整體。電極I和可動結(jié)構(gòu)3構(gòu)成陣列式的邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置。可動結(jié)構(gòu)3與支撐結(jié)構(gòu)4構(gòu)成彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，使得可動結(jié)構(gòu)3在各個(gè)電極I之間及駐極體2上方區(qū)域做離面振動。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)3靜止時(shí)，駐極體2在電極I的側(cè)面形成一個(gè)穩(wěn)定的電場，電極I內(nèi)的感應(yīng)電荷排列穩(wěn)定，不發(fā)生變化。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)3在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生離面振動時(shí)，駐極體2在電極I側(cè)面形成的電場也發(fā)生變化，使得電極I內(nèi)的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負(fù)載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。權(quán)利要求1.一種邊緣電場驅(qū)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(jié)構(gòu)(3)組成；電極(I)部分覆蓋駐極體(2)的上表面；可動結(jié)構(gòu)(3)感知面內(nèi)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(nèi)運(yùn)動。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的邊緣電場驅(qū)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(dǎo)電性材料制成。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的邊緣電場驅(qū)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(zhì)材料構(gòu)成。4.根據(jù)權(quán)利要求f3任一項(xiàng)所述的邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述可動結(jié)構(gòu)(3)為滾珠結(jié)構(gòu)，或與支撐結(jié)構(gòu)(4)組合構(gòu)成懸臂梁或彈簧-質(zhì)量塊振動結(jié)構(gòu)，使得可動結(jié)構(gòu)(3)在電極(I)之間、駐極體(2)上表面做滾動、離面振動或面內(nèi)振動。5.根據(jù)權(quán)利要求f3任一項(xiàng)所述的邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于，所述多個(gè)駐極體(2)或所述多個(gè)可動結(jié)構(gòu)(3)以固連方式級聯(lián)，形成陣列式結(jié)構(gòu)。全文摘要本專利技術(shù)屬于能量收集與轉(zhuǎn)換裝置
，特別涉及一種邊緣電場驅(qū)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(jié)構(gòu)組成；電極部分覆蓋駐極體上表面；可動結(jié)構(gòu)感知面內(nèi)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(nèi)運(yùn)動。電極由電阻率不超過2×10-6Ω·m本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種邊緣電場驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于：由電極（1）、駐極體（2）和可動結(jié)構(gòu)（3）組成；電極（1）部分覆蓋駐極體（2）的上表面；可動結(jié)構(gòu)（3）感知面內(nèi)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（1）之間的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：卜靈，伍曉明，王曉紅，劉理天，
申請(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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