基于駐極體薄膜的能量采集器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于駐極體薄膜的能量采集器，屬于新型環(huán)保能量采集技術(shù)領(lǐng)域，該能量采集器包括電能產(chǎn)生裝置和用于提供恒定輸出電流的整流裝置；所述電能產(chǎn)生裝置包括上電極、下電極和雙極性駐極體薄膜，駐極體薄膜設(shè)置在上電極和下電極之間，所述整流裝置分別與上電極和下電極電連接；所述的駐極體薄膜采用雙極性駐極體薄膜，薄膜的上、下表面分別分布有正負電荷。本實用新型基于駐極體薄膜的能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單、材料穩(wěn)定性好、微弱電能易被存儲的特點。
【專利說明】
基于駐極體薄膜的能量采集器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于新型環(huán)保能量采集技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于將機械振動能量轉(zhuǎn)換成電能的振動能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]能量采集是指采集環(huán)境的能源，如熱、輻射或動能并轉(zhuǎn)換成為電能。隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)和超低能耗的集成電路設(shè)計的進展，電路和器件的尺寸以及驅(qū)動它們所需能量都正在顯著減少。這些所需能量量級已進入能量采集器所能提供能量的范圍。因此能量采集器正在成為取代電池為這些電路和器件(如無線傳感器和人體植入式裝置)供能的替代方案。
[0003]從振動能轉(zhuǎn)換到電能是能量采集方式的一種。其中由振動能轉(zhuǎn)換為電能的方法有三種，分別是靜電式、電磁式和壓電式。靜電能量采集器包含有至少一個可變電容構(gòu)件。此可變電容的兩個帶電極板形成一個電場。靜電能量采集器即從環(huán)境的振動對此電場做功而萃取能量。與同屬于振動能轉(zhuǎn)換的電磁和壓電能量采集器相比，靜電能量采集器的顯著優(yōu)點在于其可以很容易用MEMS微制造技術(shù)(如硅微制造技術(shù))制成適用于微系統(tǒng)的具亞微米級精度的微型產(chǎn)品(如硅基微靜電能量采集器)。硅基微靜電能量采集器可用類似于集成電路的制程技術(shù)而得以大規(guī)模低成本生產(chǎn)并更可與同為硅基的微電子集成電路、器件和微系統(tǒng)直接整合在一起而實現(xiàn)完全自供能的能獨立運行的不含電池的微系統(tǒng)。
[0004]目前大部分振動能量采集器都已懸臂梁或彈簧作為振動部件，但是這種振動類型的缺點是只能相應一個方向的振動，當環(huán)境中的振動源的振動方向發(fā)生變化的時候，位于其他方向的振動能量就不能被振動能量采集器采集，在一定程度上減少了采集器的采集效率。同時，振動能量采集器的中磁鐵可能會對外部電子元件產(chǎn)生電磁干擾，因此需要使電子元件和振動能量采集器之間保持一定的安全距離，這也增大了振動能量采集器的總體體積。由于能量采集器的能量輸出范圍在微瓦到毫瓦之間，輸出盡可能多電能是能量采集器發(fā)展和研制的主要目標。然而由于目前微制造技術(shù)的限制，靜電能量采集器只能被制成簡單的僅含單層可變電容構(gòu)件而極大地限制其對于振動能的采集和電能的輸出。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型針對上述能量采集器存在的不足，構(gòu)造了一種基于雙極性駐極體薄膜的雙層可變電容構(gòu)件能量采集器。
[0006]為了達到目的，本實用新型提供的技術(shù)方案為:
[0007]本實用新型的一種基于雙極性駐極體薄膜的能量采集器，包括電能產(chǎn)生裝置和用于提供恒定輸出電流的整流裝置，所述電能產(chǎn)生裝置包括上電極、下電極和駐極體薄膜，駐極體薄膜設(shè)置在上電極和下電極之間，所述整流裝置分別與上電極和下電極電連接;所述的駐極體薄膜采用雙極性駐極體薄膜，薄膜的上、下表面分別分布有正負電荷。
[0008]作為本實用新型的進一步改進，所述的整流裝置包括二極管Dl、D2、D3、D4，依次電連接形成一個串聯(lián)電路，上電極與二極管Dl、D4的連接點連接，下電極與二極管D2、D3的連接點連接。
[0009]作為本實用新型的進一步改進，所述的能量采集器還包括有儲能電容，儲能電容的一端與二極管D1、D2的連接點連接，儲能電容的另一端接地。
[0010]作為本實用新型的進一步改進，所述的能量采集器還包括二極管D5，D1、D2的連接點連接二極管D5的正極。
[0011]作為本實用新型的進一步改進，所述的駐極體薄膜不與上電極和下電極中的任意一個電極接觸。
[0012]采用本實用新型提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果:
[0013]該能量采集器采用雙極性駐極體薄膜，將其作為MEMS微能量采集器的核心材料構(gòu)造了一種雙層可變電容構(gòu)件，能夠更有效地實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。
[0014]該能量采集器駐極體薄膜的表面電位高并有很好的穩(wěn)定性，將其作為MEMS微能量采集器的核心材料能夠?qū)崿F(xiàn)獨立自助的向外提供穩(wěn)定電能。
[0015]該能量采集器輸出功率達到了毫瓦級;基于實際情況，對發(fā)電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設(shè)計了一種用超級電容收集微小電能的簡單結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型基于駐極體薄膜的能量采集器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實用新型優(yōu)化后的駐極體薄膜的能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為進一步了解本實用新型的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作詳細描述。
[0019]實施例1
[0020]結(jié)合圖1，基于駐極體薄膜的能量采集器的結(jié)構(gòu)包括電能產(chǎn)生裝置、整流裝置。其中電能產(chǎn)生裝置包括上電極、下電極和駐極體薄膜，駐極體薄膜采用大小為3 X3cm2、厚度為2mm，最大振幅為1.2mm的雙極性駐極體復合膜，薄膜的上、下表面分別分布有正負電荷；該駐極體薄膜設(shè)置在上電極、下電極之間，且不與上電極和下電極中的任何一個接觸。將二極管D1、D2、D3、D4電連接，形成一個串聯(lián)電路，組成該能量采集器的整流裝置，然后將二極管DI和D4的連接點與上電極電連接，將二極管D2和D3的連接點與下電極電連接。
[0021]本實施例的工作原理:
[0022]駐極體薄膜經(jīng)過熱極化和電暈極化，其在內(nèi)部偶極子及空間電荷發(fā)生極化并用表面等效電荷表征，再對表面進行電暈放電后薄膜表面具有很高的電壓，薄膜通過自身電場在兩端的金屬電極上感應出電荷Q1、Q2，此時裝置左邊部分等效為可變電容。初始時，駐極體薄膜為可變電容提供固定的感應電荷；當駐極體與金屬極板之間的空氣間隙發(fā)生變化時，兩極板間的電荷將重新排布，感應電荷變化量為AQ，從而對負載供電。
[0023]實施例2
[0024]參照圖2，該實施例的電能產(chǎn)生裝置和整流裝置的結(jié)構(gòu)，以及兩者的連接方式與實施例I基本相同，不同之處在于:該實施例還在能量采集器中安裝了儲能電容和用于控制輸出電壓的二極管D5，儲能電容的一端與二極管D1、D2的連接點連接，儲能電容的另一端接地;二極管D5的正極連接二極管D2、D3的連接點，負極與輸出端連接。
[0025]本實施例的工作原理:
[0026]駐極體薄膜經(jīng)過熱極化和電暈極化，其在內(nèi)部偶極子及空間電荷發(fā)生極化并用表面等效電荷表征，再對表面進行電暈放電后薄膜表面具有很高的電壓，薄膜通過自身電場在兩端的金屬電極上感應出電荷Q1、Q2，此時裝置左邊部分等效為可變電容。初始時，駐極體薄膜為可變電容提供固定的感應電荷；當駐極體與金屬極板之間的空氣間隙發(fā)生變化時，兩極板間的電荷將重新排布，感應電荷變化量為AQ，從而對負載供電。
[0027]儲能電容具有循環(huán)充放電及放電時間長、充電線路簡單及壽命長的特點，整個發(fā)電裝置等效為一個交流電源，經(jīng)整流后對儲能電容充電；當儲能電容兩端的電壓大于二極管D5壓降時則對外輸出電壓。
[0028]以上示意性的對本實用新型及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本實用新型的實施方案之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟發(fā)，在不脫離本實用新型創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于駐極體薄膜的能量采集器，其特征在于:其包括電能產(chǎn)生裝置、用于提供恒定輸出電流的整流裝置，所述電能產(chǎn)生裝置包括上電極、下電極和駐極體薄膜，駐極體薄膜設(shè)置在上電極和下電極之間，所述整流裝置分別與上電極和下電極電連接;所述的駐極體薄膜采用雙極性駐極體薄膜，薄膜的上、下表面分別分布有正負電荷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于駐極體薄膜的能量采集器，其特征在于:所述整流裝置包括二極管01、02、03、04，依次電連接形成一個串聯(lián)電路，上電極與二極管01、04的連接點連接，下電極與二極管D2、D3的連接點連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于駐極體薄膜的能量采集器，其特征在于:所述的能量采集器還包括有儲能電容，儲能電容的一端與二極管D1、D2的連接點連接，儲能電容的另一端接地。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于駐極體薄膜的能量采集器，其特征在于:所述能量采集器還包括二極管D5，二極管Dl、D2的連接點連接二極管D5的正極。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于駐極體薄膜的能量采集器，其特征在于:所述的駐極體薄膜不與上電極和下電極中的任意一個電極接觸。
【文檔編號】H02N1/08GK205490228SQ201620150670
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】陳鋼進, 李岳峰
【申請人】杭州電子科技大學