CN101546965B - 基于mems的平面振动双螺旋压电换能器 - Google Patents
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Abstract
基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器，涉及一种换能器，尤其是涉及一种基于微机电系统(MEMS)技术，主要应用于环境中的低频振动能量收集，还可用于惯性传感器、加速计、陀螺仪、作动器等的平面振动双螺旋压电换能器。提供一种基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器。设有外壳、PZT压电薄膜、两组大质量块、两对电极和一对接线端。换能器平面振动，即收集平面内振动的机械能；双螺旋状压电梁式结构，d31工作模式的压电器件，能够产生较大的机电耦合特性；新颖可靠的电极结构能够同时用于极化和传导，电极串联输出；采用MEMS工艺制作，与硅加工工艺兼容，易与其它基于MEMS工艺的传感器集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种换能器，尤其是涉及一种基于微机电系统(MEMS)技术，主要应用于环境中的低频振动能量收集，还可用于惯性传感器、加速计、陀螺仪、作动器等的平面振动双螺旋压电换能器。
背景技术
目前广泛研究的换能器从工艺制备上分为非MEMS换能器与MEMS换能器。采用MEMS工艺的换能器在收集环境中低频振动中的有效能量时，换能器较高的固有频率与环境中低频振动源的匹配性，是制约器件得以实现的关键问题。解决这一问题的途径之一，是通过压电材料与硅微机械结构的耦合设计来实现。这种压电型换能器的结构通常采用如下步骤获得：把一层压电薄膜覆盖在金属梁或平板上，在梁的末端加载一定重量的质量块来降低谐振频率，通过梁的振动，拾取梁上压电薄膜的应力应变产生的电荷。但是，采用此方法存在如下挑战：
1)压电型MEMS换能器需要工作于谐振状态以产生足够大的机械应力和应变转换为电能，因此要求器件的机械结构有足够低的谐振频率与振动源相匹配；
2)质量块的位移应尽可能地大；
3)整个器件应产生一致的应力和应变以便于获得最大的机电耦合；
4)压电层的覆盖面积应尽可能地大，以便于拾取最多的电荷；
5)选择的压电材料要有高的机电耦合系数、压电系数等性能参数，制造工艺相对成熟，可与MEMS结构良好兼容等优点；
6)材料的压电模式应产生大的机电耦合特性；
7)输出性能稳定。
在前期研究中，压电型MEMS换能器结构形式多为悬臂梁式([1]S P Beeby，M J Tudor andN M White.Energy harvesting vibration sources for Microsystems applications.Meas.Sci.Technol.17：R175-R195，2006；[2]Y.Jeon，R.Sood，J.Jeong and S.Kim，”MEMS power generator withtransverse mode thin film PZT”，Sensors and Actuators A：Physical，vol.122，pp.16-22，2005；[3]SRoundy，P K Wright and J M Rabaey.Energy Scavenging for Wireless Sensor Networks.Norwell，MA：Kluwer-Academic，2003)，在梁的尾端加载较大的质量块。这种结构虽然能够通过增加悬臂梁自由端集中质量或梁长高比来降低换能器的固有频率，但易导致梁的抗弯刚度不够而稳定性差，进而机电耦合特性下降。这种结构的补救措施可将悬臂梁设计成锥状，但因此又会导致失去大量有效可使用的能量收集面积，从而导致输出功率降低。
换能器的实现有两种工作模式，d31(压电材料外部施加的应力方向3与极化方向1垂直)压电模式和d33(压电材料外部施加的应力方向3与极化方向3一致)压电模式([4]N J Kidner，Z J Homrighaus，T O Mason，E J Garboczi.Modeling interdigital electrode structures for thedielectric characterization of electroceramic thin films.Thin Solid Films，496：539-545，2006)。d31模式下，压电材料的电极为平板式电极，外部振动引起的应力和机械形变与产生的电场方向相互垂直；d31模式实现的作动器/传感器通用方法：将压电薄膜平敷于两个导电层之间，即压电层。导电层和压电层再置于整个结构材料上。但是，存在如下问题：1)压电薄膜瘦长，输出电压较低；2)相似尺寸的压电材料，d33模式的开路电压能够比d31模式高很多。d33模式下，压电材料的电极为表面叉指电极，外部振动引起应力和机械形变与产生的电场方向相同。考虑d33模式的叉指电极采集电荷的面积远小于d31模式的平板电极，因此，在采集电荷量的性能上d31模式仍优于d33模式。
由于螺旋状结构压电换能器不仅可以降低结构的固有频率，又可以减小结构最大尺寸，有利于换能器的微型化([5]Chen B，Sheeseman B A，Safari S，Danforth S C，Chou T W.Theoretical and numerical predictions of the electromechanical behavior of spiral-shaped leadzirconate titanate(PZT)actuators.IEEE Trans.Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control2002，49 319-326；[6]Choi W J，Jeon Y.，Jeong J H，Sood R，Kim S G.Energy harvesting MEMSdevice based on thin film piezoelectric cantilevers.J.Electroceram，2006，17543-548；[7]Hu Y，Hu Hand Yang J，A low frequency piezoelectric power harvester using a spiral-shaped bimorph.Sciencein China Series g：Physics，Mechanics & Astronomy 2006，49649-659)。现有的螺旋状压电结构研究主要是基于作动器实现，在换能器实现上，螺旋状压电结构设计还没有仅限于平面振动，螺旋弹簧的上下(Z向)振动会导致压电材料沿着螺旋长度方向应力应变交替变化电荷无法收集，导致电极结构设计难度大大增加。
非MEMS换能器结构形式多为悬臂梁式，结构形式及制造工艺易于实现([8]LuanGuidong，Zhang Jinduo，Wang Renqian.Piezoelectric Transducers and Arrays.Beijing UniversityPress，Beijing，2005；[9]Sunghwan Kim，Low power energy harvesting with piezoelectricgenerators，[Dissertation]，University of Pittsburgh，2002；[10]Timothy Eggborn，Analytical Modelsto Predict Power Harvesting with Piezoelectric Materials，[Dissertation]，Virginia PolytechnicInstitute and State University，2003；[11]Shad Roundy，Eli S.Leland，et al.Improving PowerOutput for Vibration-Based Energy Scavengers.IEEE，pervasive computing，2005，4(1)：28-36)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器(以下将基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器简称为双螺旋压电换能器)。
本发明设有：
外壳；
两组阿基米德螺旋压电弹簧，在振动源的激励下，两组阿基米德螺旋压电弹簧作平面内振动；
PZT压电薄膜，PZT压电薄膜设在两组阿基米德螺旋压电弹簧上，PZT压电薄膜用于收集两组阿基米德螺旋压电弹簧上因压电效应产生的电荷；
两组大质量块，两组大质量块分别连接于两组阿基米德螺旋压电弹簧的尾部，两组大质量块用于降低双螺旋压电换能器较高的固有频率，以与环境中低频振动源相匹配，实现在谐振状态下对低频振动环境的能量采集和转换；
两对电极，两对电极用于换能器的电极极化和传感，两对电极的工作模式为d31压电模式；
一对接线端，每个接线端部当中的第一端与正工作电极和负工作电极相连，在外壳内，这一对接线端部当中的每一个的第二端部设置在所述外壳之外。
所述外壳可设有顶部硅结构、中间硅结构和底部绝热玻璃盖板；顶部硅结构与中间硅结构由平敷在中间硅结构表面的一层金属膜连接，中间硅结构的另一表面与底部绝热玻璃盖板键合。
本发明在一组阿基米德螺线压电弹簧结构中，将PZT压电薄膜平敷于金属电极之间，PZT压电薄膜预先沿厚度方向极化，沿PZT压电薄膜厚度方向平敷的电极为极化电极；PZT压电薄膜顶部电极沿螺旋压电弹簧的长度方向左右分布，以产生电压输出，顶部电极为工作电极。PZT压电薄膜底部电极接地。另一组螺旋压电弹簧的电极结构相同。两组螺旋压电弹簧的电极串联后从接线端输出，因此当螺旋压电弹簧平面振动时，实现了d31工作模式且输出功率翻倍。另外，顶部硅结构与中间硅结构由平敷在中间硅结构表面的一层金属膜连接。中间硅结构的另一表面与底部绝热玻璃盖板键合。
本发明具有以下突出优点：
1)换能器平面振动，即收集平面内振动的机械能；
2)双螺旋状压电梁式结构，d31工作模式的压电器件，能够产生较大的机电耦合特性；
3)新颖可靠的电极结构能够同时用于极化和传导，电极串联输出；
4)采用MEMS工艺制作，与硅加工工艺兼容，易与其它基于MEMS工艺的传感器集成。
从以下附图以及优选的具体实施方式的详细描述，将更加清楚地理解本发明的其他特点、要素和特性以及优点。
附图说明
图1是本发明实施例所述双螺旋压电换能器的剖视结构示意图。
图2是图1中所用压电阿基米德螺旋弹簧的结构透视示意图。
图3是图2的平面视图。
图4是本发明实施例的电极结构示意图。
图5是与大质量块相连的阿基米德螺旋压电弹簧部分透视示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明，以下实施例主要适用于能量收集或低频范围使用的设备。
参见图1～5，本发明实施例所述双螺旋压电换能器设有外壳、两组阿基米德螺旋压电弹簧、PZT压电薄膜、两组大质量块、两对电极和一对接线端。
中间硅结构由第1中间硅结构2、第2中间硅结构3、第3中间硅结构4、第4中间硅结构12和第5中间硅结构15组成。顶部硅结构1、第1中间硅结构2和底部绝热玻璃盖板17的连接给出双螺旋压电换能器的外壳，第2中间硅结构3、第3中间硅结构4、第4中间硅结构12和第5中间硅结构15不是外壳的组成部分。绝热玻璃盖板17的厚度约为500μm，绝热玻璃盖板17的材料可采用美国生产牌号为派来克斯Pyrex 7740耐热高硼硅玻璃，该耐热高硼硅玻璃具有强度高、便于同硅衬底结合的特点。双螺旋压电换能器的结构尺寸没有固定限制，由具体应用决定。
中间硅结构由MEMS工艺制备，中间硅结构材料可采用厚度约为400μm的多晶硅片。具有压电层结构的两组阿基米德螺旋压电弹簧20、21分别与第5中间硅结构15相连接。
双螺旋压电换能器的两组独立的阿基米德螺旋压电弹簧20、21的各自尾部分别连接大质量块22、23。质量块22由第4中间硅结构12和金属膜11组成，金属膜11平敷于第4中间硅结构12的外表面。质量块23由第3中间硅结构4和金属膜18组成，金属膜18平敷于第3中间硅结构4的外表面。质量块22、23具有和螺旋压电弹簧20、21圆心相同的弧状结构，弧长度为1/4圆周，宽度小于其厚度和沿螺旋压电弹簧方向的长度。在外部振动源的激励下，阿基米德螺旋压电弹簧20、21沿平面方向伸缩，产生应力应变。质量块22、23厚度约为400μm，使得双螺旋压电换能器的固有频率有效降低，以便与外界振动频率匹配。
如图1和4所示，在阿基米德螺旋压电弹簧20结构中，一层PZT压电薄膜13覆盖在金属电极5、6、16之间。金属电极5、6组成顶部电极，即工作电极。金属电极5、6沿阿基米德螺旋压电弹簧的长度方向左右分布，拾取PZT压电薄膜13的应力应变产生的电荷，以产生电压输出。金属电极16为底部电极，底部电极接地，沿阿基米德螺旋压电弹簧的长度方向覆盖在中间硅结构3表面。顶部电极和底部电极用于PZT压电薄膜层预先极化。阿基米德螺旋压电弹簧21的结构组成与阿基米德螺旋压电弹簧20相同。PZT压电薄膜层预先沿厚度方向极化，极化方向如图4的粗箭头所示，两组阿基米德螺旋压电弹簧20、21中PZT压电薄膜极化方向相同，这样的电极设计同时实现了换能器的电极极化和传感，产生了最高的机电耦合系数，实现了d31耦合压电工作模式。两组阿基米德螺旋压电弹簧20、21中工作电极正负极串联后经接线端(硅柱)9、10引出形成双螺旋压电换能器的最终工作电极7、8。接线端(硅柱)9、10分别与顶部硅结构1相连接。在一对接线端(硅柱)9、10中，每个接线端部当中第一端与串联后正负工作电极相连，在外壳内，这一对接线端部当中每一个的第二端部被设置在所述外壳之外，与平敷于顶部硅结构1表面的金属最终工作电极7、8连接。
如图1所示，所述双螺旋压电换能器顶部硅结构1与第1中间硅结构2由平敷在第1中间硅结构2表面的一层金属膜19连接。第1中间硅结构2的另一表面与底部绝热玻璃盖板17键合。从而构成所述换能器的外壳。除保证阿基米德螺旋压电弹簧Z向有效刚度外，顶部硅结构1与各中间硅结构2、3、4、12、15也将进一步限制阿基米德螺旋压电弹簧Z向位移，以实现平面振动。此外，两组阿基米德螺旋压电弹簧的电极串联后从接线端输出，因此当阿基米德螺旋压电弹簧平面振动时，实现了d31工作模式且输出功率翻倍。
在本实施例中，双螺旋压电换能器结构层优选Si，压电薄膜13、14的材料优选PZT材料，采用大致Sol-gel工艺流程制备得到PZT压电薄膜，尽管PZT材料具有高的机电耦合系数、压电系数等性能参数，但不局限于PZT材料，根据双螺旋压电换能器的实际应用，还可采用压电聚合薄膜等材料。
本发明不限于上述各优选实施方案，可以在本发明所述的范围内作出各种改型。再有，本发明的外壳也不限于上述各优选实施方案中通过硅结构、金属膜与玻璃材料所形成的外壳，只要能够形成所述各接线端即可。通过以上对本发明的具体描述，明显表现出与其它换能器不同的特征以及优点。尽管以上描述了本发明的优选实施方案，但可以理解，本发明的技术人员可以在不脱离本发明的范围的前提下作出各种改型和变化。
Claims (4)
1.基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器，其特征在于设有：
外壳；
两组阿基米德螺旋压电弹簧，在振动源的激励下，两组阿基米德螺旋压电弹簧作平面内振动；
PZT压电薄膜，PZT压电薄膜设在两组阿基米德螺旋压电弹簧上，PZT压电薄膜用于收集两组阿基米德螺旋压电弹簧上因压电效应产生的电荷；
两组大质量块，两组大质量块分别连接于两组阿基米德螺旋压电弹簧的尾部，两组大质量块用于降低双螺旋压电换能器较高的固有频率，以与环境中低频振动源相匹配，实现在谐振状态下对低频振动环境的能量采集和转换；
两对电极，两对电极用于换能器的电极极化和传感，两对电极的工作模式为d31压电模式；
一对接线端，每个接线端部当中的第一端与正负工作电极相连，在外壳内，这一对接线端部当中的每一个的第二端部设置在所述外壳之外。
2.如权利要求1所述的基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器，其特征在于所述外壳设有顶部硅结构、中间硅结构和底部绝热玻璃盖板；顶部硅结构与中间硅结构由平敷在中间硅结构表面的一层金属膜连接，中间硅结构的另一表面与底部绝热玻璃盖板键合。
3.如权利要求1所述的基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器，其特征在于所述质量块的横截面为矩形。
4.如权利要求1所述的基于MEMS的平面振动双螺旋压电换能器，其特征在于所述接线端为硅柱。
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