振动幅度阈值驱动发电的能量采集器及传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微机械传感器领域，涉及一种振动幅度阈值驱动发电的能量采集器及 传感器。
【背景技术】
[0002] "事件驱动（event-driven) "机制是无线传感网部署中的重要技术。所 谓事件驱动，是指仅在某些特定事件（例如地震、火灾、温度/湿度等达到某一阈 值）发生时，传感器才被唤醒进行数据传输工作，在其他时刻则保持低功耗休眠状 态[S.Tilak,N. B. Abu-Ghazaleh and W.Heinzelman. "A taxonomy of wireless micro-sensor network models. ^ACM SIGM0BILE Mobile Computing and Communications Review6, no. 2(2002) :28-36.]。这一机制对于有效利用能源、延长传感网寿命、降低使 用成本等有着重要意义。通常意义上的事件驱动是在网络的媒质接入控制（MC)层进 行的，通过MAC协议调度传感网的各个节点[I. Demirkol, C. Ersoy and F. Alagoz. 〃MAC protocols for wireless sensor networks:a survey. "Communications Magazine, IEEE44, no. 4(2006) : 115-121.]。实际上，事件驱动机制对于无线传感网的物理层也有 重要意义。所谓"事件"，指的就是" 一个变量值的变化" [K. M，Chandy，B. E. Aydemir，E. M. Karpilovsky D. M. Zimmerman. ^Event-driven architectures for distributed crisis management. "Computer Science256 (2003) :80]。在传感器的物理层，我们关心的就是一 些关键物理量的变化，例如地震一定会引起加速度的巨大变化，火灾则会引起温度的显著 变化。这些变化完全可以用于在物理层对传感器进行唤醒，从而进一步减少传感网的能量 和网络资源消耗，提高工作效率。更进一步，这些物理量的变化（震动/加速度突变、温度 升高）也蕴含着可观的能量，这就为将能量采集和传感功能实现在同一个器件上提供了 可能性。这一思路在国际上得到了初步探索。日本国立产业技术综合研究所（AIST)的 Itoh等开发出一种直接数字输出的压电式加速度传感器，用于探测禽流感导致的家禽运 动状态异常[T. Itoh, T. Kobayashi, H. Okada, T. Masuda and T. Suga. 〃A digital output piezoelectric accelerometer for ultra-low power wireless sensor node.^In Sensors, 2008IEEE，pp. 542-545. IEEE, 2008]。该传感器在一个悬臂梁结构上制作了多个压 电条，每个压电条后级连接阈值电压不同的CMOS开关，因此检测到不同加速度时，开启的 是不同数目的CMOS开关，从而实现直接数字输出而不需要模数转换电路。加速度传感器本 身并不需要电源，但是后级电路仍需要靠电池供电，并没有完全实现自供能。
[0003] 在传感器应用的很多场合，并不需要精确地测量各个物理量，而只是需要关注某 个物理量是否达到特定阈值，即可判断检测对象的状态，进而判断特定的事件是否发生。一 个典型的例子是长距离输油管道。输油管道是重要的经济命脉，同时也常常受到不法分子 的觊觎，破坏输油管道偷取油料的犯罪行为屡见报端。由于输油管道长度很大，且常常穿越 荒野地带，若要确保全线的安全需要大量人力实时值守，这样做的成本巨大，是不现实的。 而这正是物联网技术的用武之地。若在输油管道上沿线布置大量无线检测传感节点，即可 有效监控管道的安全。无人值守的输油管道遭到钻孔、割锯等破坏时，将会发生振动。用 传统的方法监测，则需要用加速度传感器感知这种振动，进行从模拟到数字的转换，再从中 提取出有用信息，这一过程繁琐且会消耗可观的能量。而以"从模拟到信息（A to 1)"的 思路，可以省去这些繁琐步骤，减少系统复杂度和能耗。实际上，为了造成有效的破坏，钻 孔、割锯等行为必须具有一定的强度并持续一段时间，这就意味着其引起的振动也具有一 定的强度和持续时间。"发生具有一定的强度和持续时间的振动"这一 "事件"既意味着管 道正在遭受破坏，又蕴含了可观的能量。基于这一思路，可以在能量采集器上同时实现阈 值传感器的功能。澳大利亚的ShockWatch公司开发了一种无需电源的冲击振动阈值指示 器。该器件利用化学原理，在受到高于特定加速度阈值的振动时，内含化学物质会反应变 色，从而显示出其宿主结构是否受到过冲击[WWW. shockwatch. com]。如果这一类传感器能 够与电路结合起来，则可以有更多样的信息显示和传输方式，而不只局限于目视检查。德国 CiS微感与光伏研究所的Frank等基于一种利用水凝胶在温度、湿度、pH值等变化的作用 下膨胀的原理，提出了一种自供能阈值开关[T. Frank, G. Gerlach and A. Steinke. "Binary Zero-Power Sensors: an alternative solution for power-free energy-autonomous sensor systems. "Microsystem technologiesl8, no. 7-8 (2012): 1225-1231]。当被检测物 理量达到特定阈值时，器件中的执行结构会在开态和关态之间转换，从而改变电路状态，而 不需要任何外接能源。美国Birmingham Young大学的Todd等提出了一种无源的加速度 阈值传感器[B. Todd, M. Phillips, S. M. Schultz, A. R. Hawkins and B. D. Jensen. "Low-cost RFID threshold shock sensors. "Sensors Journal, IEEE9, no. 4 (2009): 464-469]。该器 件采用了特别设计的双稳态梁结构，当检测到超过设定阈值的加速度时，这个梁结构将从 一个稳态跃变到另一稳态，而未检测到时则不发生变化。这种工作方式构成了一个开关，其 关断和接通分别代表监测对象的加速度未达到和达到阈值。后级电路只需要检测这一开关 是否导通就可以获得所需信息，这样就大大降低了传感系统的复杂度和功耗。从系统的层 面来看，上述方案实现了部分自供能。
[0004] 实际上，这些方案中，使敏感结构发生跃变的能量最终都耗散掉了，不能有效利用 能源，并且需要额外的检测设备来检测传感信号、后级电路需要靠电池供电、需要额外的能 量来传送信号，不能完全实现自供能。
[0005] 因此，提供一种振动幅度阈值驱动发电的能量采集器及传感器实属必要。
【发明内容】
[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种振动幅度阈值驱动 发电的能量采集器及传感器，用于解决现有技术中的传感器不能有效利用能源，并且需要 额外的检测设备来检测传感信号及需要额外的能量来传送信号，不能完全实现自供能的问 题。
[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种振动幅度阈值驱动发电的能量 采集器，至少包括：
[0008] 用于感应外界振动的第一级振子；所述第一级振子包括依次连接的第一弹簧、第 一质量块及第一磁体；
[0009] 用于产生电能的第二级振子；所述第二级振子包括依次连接的第二弹簧、第二质 量块及第二磁体；
[0010] 所述第一级振子与所述第二级振子均设置于一基座上；
[0011] 当外界振动幅度小于预设阈值时，能量采集器不发电；当外界振动幅度大于所述 预设阈值时，所述第一级振子驱动所述第二级振子振动，产生电能。
[0012] 可选地，所述第一级振子通过两极振子之间的脉冲磁排斥力驱动所述第二级振子 振动。
[0013] 可选地，所述第二级振子上设有用于发电的换能机构。
[0014] 可选地，所述换能机构为压电式或电磁感应式。
[0015] 可选地，所述第一级振子与第二级振子的振动方向相互平行，且所述第一级振子 与第二级振子在工作过程中不发生接触。
[0016] 可选地，所述第二级振子被有效驱动时，其振动频率为自身的谐振频率，与外界振 动频率无关。
[0017] 可选地，所述第二质量块同时作为所述第二磁体。
[0018] 可选地，所述第一弹簧与第二弹簧均为平面弹簧悬臂梁，其中，所述第一弹簧为并 联双梁结构，所述第一质量块及所述第一磁体设置于所述并联双梁结构末端；所述第二弹 簧为单悬臂梁结构，设置于所述并联双梁结构之间，所述第二磁体设置于所述单悬臂梁结 构自由端，所述第二磁体同时作为所述第二质量块，所述单悬臂梁结构的表面还设置有压 电薄膜。
[0019] 可选地，所述第一质量块为铅制；所述第一磁体与第二磁体均为钕铁硼磁铁。
[0020] 可选地，所述压电薄膜为聚偏氟乙烯。
[0021] 可选地，所述第一磁体的数量大于或等于两个，所述第二磁体的数量大于或等于 两个