一种多模态宽频磁电能量收集结构及制备方法

本发明属于磁电能量收集，尤其涉及一种多模态宽频磁电能量收集结构及制备方法。

背景技术：

1、磁电能量收集技术通过磁致伸缩-压电耦合效应实现能量的转换与收集，在自供电电子系统中具有广阔的应用前景。现有层状磁电能量收集结构大多采用单一浓度的压电层与磁致伸缩层复合而成，受磁电复合材料自身特性的限制，其振动响应仅存在单一共振高峰，导致能量收集的频率范围较为狭窄，难以高效捕获环境中随机变化的弱磁场能量。

2、为拓宽能量收集的工作频带，现有技术中常采用多悬臂梁阵列或大尺寸结构设计，但多悬臂梁阵列结构复杂、集成度低，难以适配微型电子设备的安装需求；大尺寸结构则无法满足微型电子设备的小型化、轻量化使用要求，进一步限制了磁电能量收集技术在微型电子领域的应用。

3、同时，压电复合层的压电性能与陶瓷填料的浓度密切相关，不同浓度的陶瓷填料对应不同的压电常数

d33和共振频率。现有技术未充分利用陶瓷填料浓度梯度来调控压电层的振动特性，无法通过单一结构实现多模态振动响应，导致小尺寸场景下宽频磁场能量收集的技术瓶颈难以突破；此外，传统磁电能量收集结构多设置质量块或粘合层，不仅存在能量损耗大的问题，还会降低层间结合的稳定性，进一步限制了磁电转换效率的提升。例如，传统采用单一浓度压电层（如pvdf/metglas器件，尺寸0.5cm×3cm×84mm）与磁致伸缩层粘合的方案，在0.05oe弱磁场测试条件下，其有效能量收集频带宽度仅为约1.3khz，输出电压仅0.42v左右，且因引入粘合层导致应变传递损耗约30%，难以满足微型自供电设备对宽频带、高输出的实际需求。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种多模态宽频磁电能量收集结构及制备方法，尤其适用于磁电（me）能量收集器件，可用于环境弱磁场能量的收集，能够为无线传感器、物联网节点等低功耗电子设备提供自供电支持。针对现有技术中磁电（me）能量收集器件存在的频带窄、小尺寸下难以拓宽频率范围、结构复杂、层间结合稳定性差等缺陷，本发明提供一种多模态宽频磁电能量收集结构，通过浓度梯度压电层的无粘合层一体化设计，实现多振动峰响应，在1cm×1cm的小尺寸前提下，大幅拓宽磁场能量收集的频率范围，同时有效提升磁电转换效率与结构稳定性，解决现有技术的应用痛点。

2、所述技术方案如下：一种多模态宽频磁电能量收集结构，该结构包括浓度梯度压电层组件、磁致伸缩层以及银电极层；所述浓度梯度压电层组件由上层压电复合层、中层压电复合层、下层压电复合层通过旋涂法一体化成型，层间无粘合层；所述磁致伸缩层紧密复合于下层压电复合层的下方，所述银电极层覆盖于上层压电复合层的上方，整体形成平板式紧凑型磁电能量收集结构。

3、进一步，所述上层压电复合层、中层压电复合层、下层压电复合层均采用p(vdf-trfe)/bto-oh复合体系，通过旋涂法逐层制备成型；所述浓度梯度压电层组件的整体平面尺寸为1cm×1cm。

4、进一步，所述上层压电复合层、中层压电复合层、下层压电复合层内部的bto-oh体积浓度沿厚度方向呈连续递增梯度分布，bto-oh体积浓度范围为3.75%～16%，相邻两层的浓度差值控制在3%～7%。

5、进一步，所述下层压电复合层的bto-oh最优体积浓度为14%～15.5%。

6、进一步，所述磁致伸缩层采用非晶合金材料，平面尺寸为1cm×1cm；所述银电极层采用高导电银电极，通过涂布工艺制备于上层压电复合层的上表面。

7、本发明的另一目的在于提供一种多模态宽频磁电能量收集结构的制备方法，该制备方法用于对所述多模态宽频磁电能量收集结构的制备，该制备方法包括：

8、s1、制备p(vdf-trfe)/bto-oh复合浆料；

9、s2、完成磁致伸缩层的热压复合；

10、s3、采用旋涂法制备浓度梯度压电层组件；

11、s4、制备银电极层并完成整体封装。

12、在步骤s1，制备p(vdf-trfe)/bto-oh复合浆料包括：

13、分别配制体积浓度为3.75%、7.5%、15%的p(vdf-trfe)/bto-oh复合浆料，以n,n-二甲基甲酰胺dmf为溶剂，将p(vdf-trfe)粉末与bto-oh颗粒按比例混合；采用超声机超声分散2h保证颗粒均匀分散，再采用200w功率超声脱气30min去除浆料气泡，得到均匀稳定的复合浆料。

14、在步骤s2中，完成磁致伸缩层的热压复合包括：

15、采用临时支撑结构固定metglas非晶合金片，在温度140℃、保温120min、压力0.8–1.2mpa的工艺条件下进行热压复合，得到稳定的磁电复合基底。

16、在步骤s3中，采用旋涂法制备浓度梯度压电层组件包括：

17、将磁电复合基底固定于旋涂仪载物台，先滴涂15%浓度复合浆料于metglas合金片表面，旋涂转速1200rpm、旋涂时间30s，随后在120℃条件下热固化30min形成下层压电复合层；冷却至室温后，依次采用相同工艺旋涂7.5%、3.75%浓度的复合浆料，每旋涂一层均在120℃热固化30min，逐层叠加形成无粘合层的梯度压电整体结构，依次形成中层压电复合层与上层压电复合层。

18、进一步，所述浓度梯度压电层组件采用五阶梯度浓度分层设计，五层梯度体积浓度依次为3.75%、5.5%、7.5%、11%、15%，形成连续渐变的浓度梯度压电结构。

19、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：

20、（1）多模态宽频响应，适配弱磁场宽频收集：通过p(vdf-trfe)/bto-oh复合层的浓度梯度设计，结合各层厚度的差异化调控，使器件的振动响应从传统的单一共振峰转变为多稳定振动峰，能量收集频率范围拓宽至1~10khz，相较于传统单一浓度纯me器件拓宽90%以上，能够高效捕获环境中随机变化的弱磁场能量，适配不同场景下的能量收集需求。

21、（2）小尺寸高集成，适配微型电子设备：现有技术中，为拓宽频带常采用多悬臂梁阵列或大尺寸质量块设计，导致平面尺寸难以控制在1cm²以内或厚度超过500μm，无法满足微型电子设备的表面贴装需求；而粘合层工艺不仅增加厚度，还引入应变传递损耗（传统粘接效率仅70%-80%）。本发明通过无粘合层一体化设计，器件整体平面尺寸精准控制为1cm×1cm，总厚度≤137μm（浓度梯度压电层总厚度90-100μm+磁致伸缩层32μm+电极层5μm），采用平板式无质量块设计，结构紧凑、集成度高，无需复杂的机械激励模块，可直接贴合安装于微型无线传感器、物联网节点等小型设备表面，有效解决了传统宽频收集结构尺寸过大的适配难题。现有技术中，多悬臂梁阵列以面积换带宽导致平面尺寸≥数平方厘米，无法≤1cm²；现有技术质量块设计以厚度换频率导致厚度＞500μm，无法平面贴合；现有技术增加厚度10-30μm，应变传递效率仅70%-80%，粘合层累积进一步恶化了集成度；

22、本发明旋涂一体化成型，无需多个振动空间，实现1cm²宽频响应；无粘合层设计，省去粘合层厚度，总厚度≤137μm；应变传递效率＞95%，小尺寸下效率反超；本发明通过浓度梯度替代机械阵列、无粘合层替代粘合层复合、纯me转换替代质量块激励的差异化技术路径，首次在1cm²平面内实现宽频响应，突破了微型化与宽频响应不可兼得的技术瓶颈。

23、（3）纯me转换高效稳定，能量输出性能优异：浓度梯度压电层组件2最下层的复合层采用bto-oh最佳浓度设计（该最佳浓度范围为13%-16%，优选14%-15.5%，同时满足d33≥40pc/n、介电损耗tanδ≤0.05、成膜致密度≥95%），压电常数

d33≥40pc/n，结合磁致伸缩层与压电层的紧密复合，大幅提升了磁电耦合效率；同时，纯me能量转换机制无振动部件的磨损，使器件的使用寿命延长至5000h以上，稳定性显著提升，能够长期稳定工作。

24、（4）无粘合层一体化制备，工艺简单易规模化：浓度梯度压电层组件通过旋涂法逐层叠加并加热固化成型，无需额外设置粘合层，不仅简化了制备流程、降低了工艺成本，还使层间界面结合强度相较于传统粘合结构提升30%；各层的厚度参数可通过旋涂转速精准调控，批量生产时器件的一致性好，适合工业化大规模量产。

25、作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

26、（1）本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

27、（a）下游自供电硬件降本增效收益：本器件可直接贴装于物联网无源传感器、工业设备测温/测振节点、智能家居无线开关、可穿戴医疗监测设备、轨道交通弱电传感模块等场景，无需配套外接电池、充电线路，大幅省去电池采购、定期更换、布线维护成本。传统依靠纽扣电池供电的传感节点，电池更换周期平均6–12个月，单台设备年均运维成本数十元；采用本磁电能量收集器件后，设备自持供电寿命可达5000h以上，整机生命周期内无需电源维护，单批次百万级物联网终端可节省千万级运维开支。

28、（b）器件生产端规模化经济效益：整体制备仅采用旋涂、热压、涂布简易工艺，无精密微加工、无多层粘接、无机械悬臂/质量块装配工序，原材料仅p(vdf-trfe)、改性钛酸钡、非晶合金、导电银浆，原料易得、设备投入门槛低；无粘合层省去粘接剂、对位贴合工序，单器件制造成本降低，适合大批量流水线量产，具备极强产业化落地潜力。

29、（c）衍生技术增值价值：本浓度梯度压电旋涂一体化工艺可拓展至压电传感、柔性振动能量收集、超声换能器等相关器件开发，企业可依托本核心工艺形成系列专利产品矩阵，对外提供材料配方、器件定制、工艺方案技术授权，开辟技术服务盈利渠道。

30、（2）本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

31、（a）微型化与宽频不可兼容的技术空白：国内外现有磁电能量收集器件拓宽频带仅两条主流路线：多悬臂梁阵列、增加质量块结构。前者平面尺寸普遍大于数平方厘米，后者器件厚度超500μm，二者均无法实现1cm²极小平面下平板薄型化宽频响应；行业长期缺少1cm×1cm超薄平板、无机械阵列、无质量块的宽频磁电收集方案，本发明首次采用浓度梯度压电层替代机械阵列实现多模态共振，填补该细分结构设计空白。

32、（b）弱磁场超低尺寸下高效磁电转换器件产品空白：现有同尺寸（1cm²）纯me器件有效带宽仅1khz左右、输出电压不足0.5v，无法覆盖1–10khz环境随机磁场；本三层梯度结构带宽6.3khz、五层梯度可达7.7khz，相较传统器件带宽提升384%以上，输出电压提升185%，填补微型弱磁场宽频高输出磁电能量收集器件产品空白。

33、（3）本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

34、（a）难题1：微型尺寸与宽频能量收集相互制约：想要拓宽工作频带必须增大器件面积、增加悬臂阵列或加装质量块，缩小尺寸则共振峰单一、有效带宽急剧收窄，二者无法兼得。多年来行业只能二选一，无法实现小型化+宽频同步实现。解决方案：摒弃机械阵列、质量块思路，利用压电填料浓度梯度调控每层共振频率，单1cm²平板结构生成多组独立共振峰，在极小尺寸下大幅拓宽频带，彻底解决该两难问题。

35、（b）难题2：传统单一浓度压电层压电性能受限，同尺寸0.05oe弱磁场下输出仅0.4v左右，不足以支撑无线传感芯片工作；调整填料浓度易出现压电常数下降、介电损耗升高、薄膜开裂等副作用，难以平衡压电性能与成膜质量。解决方案：底层匹配14%-15.5%最优bto-oh浓度，兼顾高、低介电损耗、高成膜致密度，多层梯度协同耦合磁致伸缩层，输出电压提升至1.2v以上，可直接驱动无源传感芯片，解决弱磁场下能量输出不足难题。

36、（4）本发明的技术方案是否克服了技术偏见：

37、（a）拓宽磁电收集频带只能依靠机械结构设计（悬臂阵列、质量块）行业固有认知：压电材料自身共振特性固定，仅能通过改变机械结构、增加多组振动单元产生多共振峰，单纯调整压电材料填料浓度无法实现宽频多模态响应。本发明克服该偏见：跳出机械结构改良思路，创新性利用压电陶瓷填料浓度梯度改变每层压电薄膜弹性模量、压电常数与固有共振频率，仅依靠材料组分梯度即可在单一平板结构内形成多振动峰，无需任何辅助机械振动结构，证明材料梯度调控是宽频设计全新可行路径。

38、（b）压电填料浓度梯度会大幅提升薄膜介电损耗、恶化磁电转换性能：现有研究普遍认为，多层陶瓷填料浓度差异会造成薄膜内部应力不均，增大介电损耗，削弱整体磁电耦合效率，梯度设计得不偿失，优先采用单一均匀填料浓度压电层。本发明克服该偏见：通过限定3.75%-16%合理浓度区间、控制3%-7%适度层间浓度差，搭配底层最优浓度匹配，梯度薄膜整体介电损耗tanδ≤0.05，压电性能分层互补，多峰耦合后整体转换效率远高于单一浓度薄膜，证明可控梯度设计不会劣化性能，反而显著提升综合能量收集能力。

39、（c）1cm²微型平板结构无法实现1khz以上宽频能量收集：行业普遍测试结论为平面尺寸缩小至1cm²时，器件结构刚度提升、共振区间收窄，有效带宽难以突破2khz，微型器件仅适合窄带定点磁场采集，无法适配环境随机宽频磁场。三层梯度结构有效带宽6.3khz、五层梯度可达7.7khz，在1cm²极小平面实现超宽频响应，打破微型平板器件带宽受限的固有技术认知，颠覆小尺寸磁电器件窄频应用的固有设计思路。