CN101141093A - 微型电磁式低频振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子元件领域的微型电磁式低频振动能量采集器，包括：拾振结构、支撑结构和微线圈结构，所述的拾振结构包括金属平面弹簧和永磁体，金属平面弹簧包括四个方螺旋形的弹性臂和一个金属平台，永磁体位于金属平台上面，所述的微线圈包括微线圈绕组和绝缘衬底。金属平面弹簧和支撑结构集成在一起，拾振结构、支撑结构在微线圈之上。本发明拾振结构固有频率接近100赫兹，易于满足提高低频能量采集效率、制作成本低、集成制造等方面的综合要求。

Description

微型电磁式低频振动能量采集器

技术领域

本发明涉及的是一种电子元件技术领域的采集器，特别是一种微型电磁式低频振动能量采集器。

背景技术

半导体制造技术的不断进步使得电子器件和产品向着微型化方向发展，蓝牙技术和低功耗通讯标准(如Zigbee和IEEE802.15.4)的出现很大程度上推动了微型无线传感网络和通讯节点的研究，微机电系统由于具有能耗低、体积小、功能大、可批量生产等特点也正在迅速发展。但是，与无线传感产品和微机电系统器件的体积不断减小相比，供电问题正成为它们发展的一个很大障碍。目前给这些系统供电主要依靠电池或电力线。电池有以下缺点：寿命短，存储能量有限，相对被供电器件而言体积和质量大；在某些应用中更换电池成本很高，过程复杂。电力线的缺点是：造价昂贵，维护困难，而且在某些嵌入式系统和结构中根本无法使用电线。所以，必须寻找一种新的供电方式来代替电池和电力线。振动能量采集器可以把周围环境中的振动能转换为电能从而为无线电子器件供电，但是利用传统的机械加工技术得到的振动能量采集器，由于体积较大，无法与微型无线产品和微机电系统器件集成。微机电系统加工技术使得振动能量采集器的微型化成为可能，进而使得电子产品真正达到微型化和无线化。压电式微型振动能量采集器的输出电压比较高，但是其制作工艺很难与微机电系统加工技术集成。静电式微型振动能量采集器易于与微系统集成，但是它的缺点是开始工作时需要有一个外界电压驱动，这与无线供电是完全违背的。电磁式微型振动能量采集器不需要驱动电压，而且制作工艺与微机电系统加工技术兼容。虽然输出电压和功率低于压电式采集器，然而，随着结构和微机电系统加工技术的不断进步，这个缺点正在被逐渐克服。

经对现有技术文献的检索发现，E.Koukharenko等在《MicrosystemTechnologies》(微系统技术)，Vol12，2006，1071~1077撰文“Microelectromechanical systems vibration powered electromagneticgenerator for wireless sensor applications(适用于无线传感器的采集振动能量的电磁式MEMS发电机)”，提出了一种基于硅衬底的三明治型的结构设计。该结构分为三层，上下两层为内嵌有永磁体的派热克斯玻璃，中间层为可以在水平内左右摆动的硅平台，硅平台通过一硅悬臂梁与硅外框相连。上下永磁体磁极相反，从而在上下层之间提供匀强磁场。金属线圈嵌入到硅平台中央，经过硅悬臂梁上的沟道与外界电路连接。利用键合技术把上中下三层合成为一振动能量采集器。当外界振动作用到硅平台时，硅平台在其所在平面内发生摆动，导致线圈切割磁力线，根据电磁感应定律，线圈中产生感应电流和感应电动势，从而为与线圈相连的其他无线产品和微机电系统器件供电。该设计虽然能够采用集成电路加工技术实现，但是，有以下缺点：1)所设计的结构固有频率很大，振动振幅很小，难以采集外界环境中大量存在的100赫兹以下的低频振动能量2)所设计的结构要用深层反应离子刻蚀方法制作，加工成本很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于金属平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器，使其满足对低频振动能量采集效率高、易于集成制造等方面的综合要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：拾振结构、支撑结构和微线圈。支撑结构位于拾振结构四周，拾振结构和支撑结构位于微线圈上方。

所述拾振结构包括：金属平面弹簧和永磁体。金属平面弹簧包括四个弹性臂和中间的一个方形金属平台，永磁体位于金属平台上面，在微线圈的正上方。

所述金属平面弹簧厚度为10-30微米。

所述弹性臂宽度为100-500微米，形状为方螺旋型，拐弯处为圆角。相邻弹性臂之间的距离为100-500微米。

所述方形金属平台边长1-2毫米。

所述永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体顶面和底面。

所述的支撑结构为环形，与金属平面弹簧集成在一起。厚度在500-1000微米，永磁体可以在此范围内上下振动。

所述的微线圈包括：微线圈绕组、绝缘基底。微线圈绕组设置在绝缘基底上。

所述微线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10-30微米范围内。线圈之间有氧化铝或聚酰亚胺等绝缘材料。

本发明主要用于采集自然界环境中广泛存在的频率在100赫兹左右的低频振动能。由金属平面弹簧和永磁体构成的拾振结构，在受到外界振动特别是垂直于弹簧所在平面的振动作用时，永磁体会发生强迫振动，即沿着垂直弹簧平面的方向运动。永磁体运动的振幅与金属平面弹簧的弹性系数和外界振动的频率有关。同时还和结构内部的空气阻尼系数有关。金属平面弹簧的弹性系数越小，外界振动频率越接近拾振结构的固有频率，结构内部的空气阻尼系数越小，永磁体的振动振幅都会越大。当外界振动频率等于拾振结构的固有频率时，结构发生共振，永磁体的振幅最大，有利于最高效地采集环境中的低频振动能。与此同时，拾振结构必须具有足够的强度，确保振动过程中结构不会发生塑性变形等破坏。

本发明中由于采用了具有上述尺寸参数的方螺旋形金属平面弹簧和永磁体构成的拾振结构，其固有频率接近100赫兹，接近于自然界环境中广泛存在的振动的频率，因此，在环境中的低频振动作用下容易发生共振，增加拾振结构的振幅。方形螺旋弹性臂的设计可以使平面弹簧的弹性系数很小，同时，弹性臂之间存在的间隙可以减小永磁体振动时受到的空气阻尼，这两个因素也都会加大永磁体的振动振幅，从而提高输出性能。在拾振结构中，通过将金属弹性臂设计为方螺旋形、并且将拐弯处设计为圆角，可以减小弹性臂变形过程中的应力集中现象，避免弹性臂发生塑性变形，从而保护拾振结构。拾振结构中采用块状永磁体而不采用永磁薄膜层作为磁场来源，一方面省去了制备永磁薄膜层所需的工艺流程(诸如溅射、充磁、退火等步骤)，另一方面可以大幅度提高线圈所在区域的磁场强度。

支撑结构的厚度是根据拾振结构的振幅确定的。对于尺寸参数给定的拾振结构，理论计算可以求出结构发生共振时永磁体的最大位移。支撑结构的厚度应大于永磁体的设计最大位移，以确保下方的线圈不会在所设计的工况下因为与永磁体接触而妨碍永磁体的运动。

本发明中，永磁体只在线圈上方运动，这种结构更有利于在减小线圈绕组尺寸的同时增加能量采集效率。因为永磁体运动时无须穿过线圈绕组中央，所以线圈绕组的最内圈面积无需大于永磁体的底面积。这样一方面可以避免线圈最内圈尺寸对永磁体底面积的限制，可以适当增加永磁体的底面积，从而增加通过线圈的磁通量的变化量，另一方面同样避免了永磁体面积对线圈最内圈绕组尺寸的限制，可以减少线圈绕组最内圈的面积，从而在线圈匝数不变的情况下，减少整个线圈的尺寸。此外，由于永磁体位于线圈的上方，当外界的振动作用过大时，永磁体会因为被下方的线圈挡住而不会产生过大的振幅，从而防止由于永磁体的振幅过大而导致拾振结构发生破坏。因此，线圈相对于拾振结构还可以起到限位保护作用。

当本发明受到所处环境中的振动作用时，拾振结构会产生受迫振动，即永磁体与金属平面弹簧相对线圈上下振动，这会使线圈所在区域的磁场发生改变，进而引起线圈中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈中会产生感应电流和感应电动势。理论计算表明，永磁体和线圈之间的相对位移越大，线圈中产生的感应电流越大。本发明中给出的金属平面弹簧具有很低的弹性系数，而且永磁体振动时受到的空气阻尼较小，因此可以使永磁体在振动时有很大的位移。另外，如前面所述，当外界振动的频率与拾振结构的固有频率相等时，系统会产生共振，永磁体相对线圈的位移最大。因此，采用本发明所设计的拾振结构，便于在外界振动频率接近100赫兹的环境中，使永磁体获得较大的相对位移，从而高效地采集环境中的振动能。与此同时，在拾振结构中，通过将金属平面弹簧的弹性臂设计为方螺旋形、并且将拐弯处设计为圆角，可以减小弹性臂变形过程中的应力集中现象，避免弹性臂发生塑性变形，从而保护拾振结构。

本发明的有益效果是：首先本发明采用具有上述结构参数的器件结构，拾振结构固有频率接近100赫兹，能够在确保结构可靠性的前提下，通过提高永磁体的振动振幅来提高对所处环境中低频振动能量的采集效率，同时减小器件的体积；其次是所设计的结构可以采用微电镀技术制作，不需要大量采用昂贵的仪器设备，从而降低了器件制作的成本，简化了工艺步骤，易于采用集成电路加工技术实现批量化生产。

附图说明

图1为本发明结构的截面示意图

图2为金属平面弹簧的俯视示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：拾振结构1、支撑结构2和微线圈3。支撑结构2位于拾振结构1四周，拾振结构1和支撑结构2位于微线圈3上方。

如图2所示，所述的拾振结构1包括：金属平面弹簧4和永磁体5。金属平面弹簧4包括四个弹性臂7和中间的一个金属平台6。永磁体5位于金属平台6上面，在微线圈3的正上方。

所述金属平面弹簧4厚度为10-30微米。

所述弹性臂7形状为方螺旋型，宽度为100-500微米，拐弯处为圆角，弹性臂7之间存在100-500微米的间隙。

所述金属平台6为方形，边长1-2毫米。

所述永磁体5的底面积大于线圈3最内圈所围面积。

所述永磁体5形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体5顶面和底面。立方形的永磁体典型尺寸是1×1×1毫米，圆柱形永磁体的典型尺寸是半径和高度均为1毫米。

所述支撑结构2为环形，与金属平面弹簧4集成在一起，厚度为500-1000微米，永磁体5可以在此范围内上下振动。

所述支撑结构2可以由单晶硅、各种金属、SU-8负胶等材料制作。

所述的微线圈3包括：微线圈绕组9、绝缘基底8。微线圈绕组9可以采用电镀的方法制作在玻璃、陶瓷等材料构成的绝缘基底8上面。

所述微线圈绕组9由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10-30微米范围内。线圈之间有氧化铝或聚酰亚胺等绝缘材料。

当本发明受到所处环境中的振动作用时，拾振结构1会产生受迫振动，即永磁体5与金属平面弹簧4相对线圈3，在支撑结构2的厚度范围内上下振动，这会使线圈3所在区域的磁场发生改变，进而引起线圈3中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈3中会产生感应电流和感应电动势。本发明中给出的金属平面弹簧4具有很低的弹性系数，而且永磁体5振动时受到的空气阻尼较小，因此可以使永磁体5在振动时有很大的位移。另外，采用本发明所设计的拾振结构1，便于在外界振动频率接近100赫兹的环境中，利用共振使永磁体5获得较大的相对位移，从而高效地采集环境中的振动能。与此同时，在拾振结构1中，通过将金属平面弹簧4的弹性臂7设计为方螺旋形、并且将拐弯处设计为圆角，可以减小弹性臂7变形过程中的应力集中现象，避免弹性臂7发生塑性变形，从而保护拾振结构1。

Claims (10)

1.一种微型电磁式低频振动能量采集器，包括：拾振结构、支撑结构和微线圈，支撑结构位于拾振结构四周，拾振结构和支撑结构位于微线圈上方，其特征在于，所述拾振结构包括：金属平面弹簧和永磁体，金属平面弹簧包括四个方螺旋形弹性臂和中间的一个方形金属平台，永磁体位于金属平台上面，且在微线圈的正上方。

2.根据权利要求1所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述金属平面弹簧厚度为10-30微米。

3.根据权利要求1所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述方螺旋型弹性臂，宽度为100-500微米，拐弯处为圆角，弹性臂之间存在100-500微米的间隙。

4.根据权利要求1所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述金属平台6为方形，边长1-2毫米。

5.根据权利要求1所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述永磁体的底面积大于线圈最内圈所围面积。

6.根据权利要求1或5所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述永磁体形状为立方体或圆柱体，磁极位于永磁体顶面和底面。

7.根据权利要求6所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述立方形的永磁体尺寸是1×1×1毫米，圆柱形永磁体的尺寸是半径和高度均为1毫米。

8.根据权利要求1所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述支撑结构为环形，与金属平面弹簧集成在一起，厚度为500-1000微米，永磁体5在此范围内上下振动。

9.根据权利要求1所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述微线圈包括：微线圈绕组、绝缘基底，微线圈绕组设置在绝缘基底上。

10.根据权利要求9所述的微型电磁式低频振动能量采集器，其特征是，所述微线圈绕组由方形或圆形的多层多匝螺旋金属铜线圈组合构成，线圈的高度、线宽、匝与匝之间的距离都在10-30微米范围内，线圈之间有绝缘材料。

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