本發(fā)明屬于儲能感知一體化，特別涉及一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、儲能感知一體化器件是一種集成高容量儲能/供能和傳感能力的器件，在系統(tǒng)中能夠依賴提前儲存的電能對外供電，同時具備特定的環(huán)境感知能力。這種一體化架構(gòu)能夠有效節(jié)省感知單元的尺寸，提高系統(tǒng)工作時長，在對體積、能量有極高要求的場合具有良好的應(yīng)用前景。比如，高過載沖擊感知型儲能傳感一體化器件可以應(yīng)用于侵徹武器中進行連續(xù)高過載沖擊傳感，從而有效提高系統(tǒng)的集成程度。然而，目前大部分儲能感知一體化器件不具備明顯的閾值特性，這可能導(dǎo)致武器裝備在普通跌落或者日常勤務(wù)處理中產(chǎn)生響應(yīng)信號，從而造成裝備系統(tǒng)的誤觸發(fā)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)。其特征在于，所述高過載沖擊感知微系統(tǒng)以儲能感知一體化器件為儲能傳感核心，由固定雙極板層2和可變形摩擦層3組成的自供電可調(diào)閾值觸發(fā)開關(guān)1、功能電路模塊4和儲能傳感一體化模塊5被嵌入電氣互連7的硬質(zhì)板材6中封裝起來，得到自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)，使得高過載沖擊感知微系統(tǒng)具備儲能、傳感、防誤觸發(fā)、信號處理的多種功能；所述儲能傳感一體化模塊5具有高過載沖擊感知能力；該模塊配備了一個基于摩擦電效應(yīng)的具有可調(diào)閾值的觸發(fā)開關(guān)，并輔以必要的功能電路。

2、所述硬質(zhì)板材封裝是由帶有金屬導(dǎo)電通道的若干矩形或環(huán)形硬質(zhì)印制電路板，通過焊錫焊接完成，保證了封裝強度、自由度和電氣連接的可靠性。

3、所述的自供電觸發(fā)開關(guān)由固定雙電極層將可變形摩擦層以一定預(yù)應(yīng)力壓實封裝在腔體中；當高過載沖擊超過閾值，可變形摩擦層變形并與固定雙電極層分離，在摩擦電荷的作用下在兩電極之間產(chǎn)生電勢差，從而形成觸發(fā)脈沖，起到開關(guān)作用。

4、所述的沖擊閾值可以通過調(diào)節(jié)可變形摩擦層的彈性系數(shù)、厚度、組分和開關(guān)腔體高度間接調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力的大小和結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量的大小，從而改變此閾值；這使得自供電觸發(fā)開關(guān)的閾值靈活可調(diào)，能夠適應(yīng)更多應(yīng)用場景。

5、所述固定雙電極層整體為硬質(zhì)材料，分為上側(cè)的參考電極9和下側(cè)的基本電極8，二者互不接觸；基本電極8裸露，在未受沖擊狀態(tài)下與可變形摩擦層接觸；所述可變形摩擦層具有一定可變形性，其底部與硬質(zhì)封裝固定；基本電極與可變形摩擦層的上表面需接觸并產(chǎn)生一定量的摩擦電荷。

6、所述高過載沖擊感知微系統(tǒng)的高過載沖擊感知原理，在高g沖擊場景下，當沖擊加速度與可變形摩擦層結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量的乘積超過預(yù)應(yīng)力時，本相互擠壓的固定雙電極層和可變形摩擦層分離。由于二者之間的摩擦電效應(yīng)，相互分離的表面之間帶有極性相反的電荷，下電極的電勢變化很大，而上電極的電勢變化很小，兩極板之間就產(chǎn)生了電勢差。沖擊結(jié)束，固定雙電極層和可變形摩擦層重新擠壓回到初始狀態(tài)，從而電勢差消失。這樣，在高過載沖擊超過閾值工況下，觸發(fā)開關(guān)無需外部供電就能夠輸出脈沖，從而觸發(fā)并喚醒系統(tǒng)中的其他組分開始工作。這種設(shè)計一方面能夠防止系統(tǒng)在低過載沖擊條件下誤觸發(fā)，另一方面還能夠保證系統(tǒng)不需要工作時處于休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗。

7、所述可變形摩擦層結(jié)構(gòu)(摩擦電器件)的普遍特點是電壓信號幅值高；并且，由于兩極板之間的電勢差主要取決于與可變形摩擦層接觸的下極板的電勢，結(jié)合電勢與距離成平方反比的規(guī)律，可以推斷出，固定雙電極層和可變形摩擦層只要分離，即使分離的距離不大，也會產(chǎn)生比較大的信號。因此，此自供電可調(diào)閾值觸發(fā)開關(guān)具有靈敏、響應(yīng)信號大的特點。另外，通過調(diào)節(jié)可變形摩擦層的彈性系數(shù)、厚度、組分和開關(guān)腔體的高度等參數(shù)，可以間接調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力的大小和結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量的大小，從而靈活地控制此自供電觸發(fā)開關(guān)的閾值。

8、本發(fā)明的有益效果在于，為高過載沖擊感知型儲能傳感一體化器件配備了相關(guān)功能電路和一種基于摩擦電效應(yīng)的具有可調(diào)閾值開關(guān)特性的觸發(fā)開關(guān)，并通過帶有電氣互連的硬質(zhì)板封裝成了多功能的一體化微系統(tǒng)。觸發(fā)開關(guān)具有響應(yīng)信號大、響應(yīng)靈敏、閾值可調(diào)等優(yōu)點，使得該高過載沖擊感知微系統(tǒng)可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域等對可靠性、靈活性要求高的場合。

技術(shù)特征：

1.一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)，其特征在于，所述高過載沖擊感知微系統(tǒng)以儲能感知一體化器件為儲能傳感核心，由固定雙極板層(2)和可變形摩擦層(3)組成的自供電可調(diào)閾值觸發(fā)開關(guān)(1)、相關(guān)功能電路模塊(4)和儲能傳感一體化模塊(5)被嵌入電氣互連(7)的硬質(zhì)板材(6)中封裝起來，得到自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)，使得高過載沖擊感知微系統(tǒng)具備儲能、傳感、防誤觸發(fā)、信號處理的多種功能；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)，其特征在于，所述的自供電觸發(fā)開關(guān)由固定雙電極層將可變形摩擦層以一定預(yù)應(yīng)力壓實封裝在腔體中；當高過載沖擊超過閾值，可變形摩擦層變形并與固定雙電極層分離，在摩擦電荷的作用下在兩電極之間產(chǎn)生電勢差，從而形成觸發(fā)脈沖，起到開關(guān)作用。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)，其特征在于，所述的沖擊閾值可以通過調(diào)節(jié)可變形摩擦層的彈性系數(shù)、厚度、組分和開關(guān)腔體高度，間接調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力的大小和結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量的大小，從而改變此閾值；這使得自供電觸發(fā)開關(guān)的閾值靈活可調(diào)，能夠適應(yīng)更多應(yīng)用場景。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)，其特征在于，所述固定雙電極層整體為硬質(zhì)材料，分為上側(cè)的參考電極(9)和下側(cè)的基本電極(8)，二者互不接觸；基本電極(8)裸露，在未受沖擊狀態(tài)下與可變形摩擦層接觸；所述可變形摩擦層具有一定可變形性，其底部與硬質(zhì)封裝固定；基本電極與可變形摩擦層的上表面需接觸并產(chǎn)生一定量的摩擦電荷。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了屬于儲能感知一體化領(lǐng)域的一種具有自供電可調(diào)閾值開關(guān)的高過載沖擊感知微系統(tǒng)。該微系統(tǒng)采用了帶有電氣互連的硬質(zhì)封裝，將感能一體化器件、功能電路和可調(diào)閾值的自供電觸發(fā)開關(guān)集成起來。其中，感能一體化電容器件采用經(jīng)典的三疊層短路結(jié)構(gòu)：非沖擊環(huán)境下，器件作為高能量密度電容器為系統(tǒng)穩(wěn)定供電；在功能電路的控制下，器件中間層在電解液環(huán)境中發(fā)生形變，與器件下電極接觸形成軟短路，實現(xiàn)對高過載沖擊的敏銳感知。本發(fā)明自供電觸發(fā)開關(guān)防止自傳感系統(tǒng)在低g值條件下被誤觸發(fā)解決了容易誤觸發(fā)的問題，提高了儲能感知系統(tǒng)的可靠性和靈敏度，有望應(yīng)用于航天、軍事等高可靠性要求的領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：王曉峰,王宇涵,王逸群,戴可人,江斌
受保護的技術(shù)使用者：清華大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21