CN101575082A - 基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出利用微结构的风致振动现象发电的方法，以及基于风致振动机理和压电效应的微型发电机，其包括硅衬底、含压电层及其上下表的金属电极的复合梁/膜等，当环境风载荷引起含压电层的复合梁/膜结构的振动时，梁/膜结构的振动将引起压电层的应力的交替变化，由于压电效应，压电层的上下金属电极之间将产生交替变化的电势差，该电势差可以为负载或储能器供电。含压电层的复合梁/膜结构可以采用悬臂复合梁、两端固支复合梁、多点固支复合梁或部分边界固支的复合膜等多种结构形式。以上基于风致振动机理的微型风力发电机不需要转动机构，结构简单，便于采用硅微加工技术进行批量化加工，成本低，特别适合于为无线传感网络节点等供电。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及到MEMS微能源(Power MEMS)技术。
背景技术
集成电路和MEMS技术的发展使具有成千上万个节点的无线传感网络的构建成为可能，无线传感网络在环境监测、大型建筑物健康监测、公共安全及军事等领域有着广阔的应用前景，引起了国内外的广泛关注。由于电池尺寸大、寿命有限和需要更换等缺点，在长寿命的无线传感网络、设置于危险环境的无线传感网络和节点众多的无线传感网络中的应用受到了限制。另外，便携式电子产品等对微能源也有巨大需求。将环境能(如振动能、热能、太阳能等)转换为电能的MEMS微能源不需携带化学原料，具有尺寸小、寿命长、可以和微传感器系统一体化设计等优点，是解决无线传感网络等的能源问题的有效途径之一。
风能是自然界广泛存在的可再生清洁能源，但目前国际上对基于MEMS技术的微型风力发电机的研究几乎是空白，尚未研制出MEMS微型风力发电机。MEMS微型风力发电机在基于MEMS技术的环境监测、建筑物健康监测等无线传感网络中存在广阔应用前景，研制MEMS微型风力发电机具有重大的科学意义和应用价值。大型风力发电机大多基于法拉第电磁感应定律，即通过将风能转换为转子转动的动能，转子将转动带动线圈切割磁力线，产生的感生电动势可以为负载供电。直接将大型风力发电机微型化的微型风力发电机方案，在加工工艺和理论方面都存在诸多问题，如低摩擦空气微轴承的理论(由于尺度效应，摩擦力等表面力在微尺度时影响很大)及制作方法问题，以及多个微结构的组装方法等问题，因此该方案的可行性尚需进一步论证。综合以上分析可见，研究基于新原理的MEMS微型风力发电机具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
本发明从大跨径桥梁结构及高层建筑等的风致振动现象得到启示，提出一种基于风致振动机理的新型MEMS微型风力发电机。研究发现，大跨径桥梁在设计时不能仅考虑风载荷作用下的静力响应，还必须考虑结构的动力响应，即风载荷引起的结构振动，这种振动可能会使驾驶人或乘客感觉不舒适，也可能引起桥梁结构的疲劳，甚至引起桥梁的风毁事故。桥梁结构抗风设计的目的是通过结构设计使风致振动尽可能小，换句话说，就是使桥梁结构将尽可能少地将环境风能转换为结构振动能；而基于风致振动机理的MEMS微型风力发电机的设计则是利用微结构风致振动现象尽可能多地将环境风能转换为微结构的振动能，但必须对微结构进行设计，以确保微结构不发生发散振动。
发明内容
本发明的目的是提出利用微结构的风致振动现象发电的方法，以及基于风致振动机理和压电效应发电的微型风力发电机的结构。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
基于风致振动机理的微型风力发电机利用风载荷引起的微结构振动将环境风能转换为微结构的振动能，进一步将微结构振动能转换为电能，为负载或储能器供电。利用压电效应将微结构振动能转换为电能的基于风致振动机理的微型风力发电机包括硅衬底、含压电层及压电层上下表面金属电极的复合梁/膜等。其具体工作原理如下：环境风载荷将引起含压电层的复合梁/膜结构的振动，复合梁/膜的振动将引起压电层应力的交替变化，由于压电效应，在压电层的上下电极之间将产生交替变化的电势差，为负载或储能器供电。
基于风致振动机理的微型风力发电机的振动部分是复合梁/膜结构，通过采用微加工技术将复合微梁/膜的某些部分固定于衬底上，微型风力发电机的振动复合梁/膜结构可以采用悬臂复合梁、两端固支复合梁、多点固支复合梁或部分边界固支的复合膜等多种结构形式，以上复合微梁/膜包含压电层及压电层上下表面的金属电极等。
本发明具有以下特点：
1、本发明提出的基于风致振动机理的微型风力发电机，首先将环境风能转换为结构振动能，进一步利用压电效应将微结构的振动能转换为电能，为负载或储能器供电。
2、以上基于风致振动机理的微型风力发电机不需要转动机构，结构简单，便于采用硅微加工技术进行批量化加工，成本低。
3、以上基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机具有尺寸小、寿命长、可以和微传感器系统一体化设计等优点，特别适合于为无线传感节点等供电。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是在SOI衬底上生长的二氧化硅示意图
图2是刻蚀SOI衬底上层单晶硅的示意图
图3是热氧化的二氧化硅示意图
图4是采用剥离工艺制备的金属电极示意图
图5是制备的压电膜示意图
图6是采用剥离工艺制备的金属电极示意图
图7是在SOI基片背面涂的光刻胶示意图
图8是释放后的含一层压电层的微型发电机结构示意图
图9是含多压电层的微型发电机结构示意图
图10微型发电机典型结构一示意图
图11微型发电机典型结构二示意图
图12微型发电机典型结构三示意图
图13微型发电机典型结构四示意图
具体实施方式
基于风致振动机理和压电效应的微型发电机的典型结构包括硅衬底、含压电层及压电层上下表面金属电极的复合梁/膜等，其中复合梁/膜可以只包含一层压电层(此时复合梁/膜必须包含另一层结构层，以使该压电层位于梁/膜中性轴的一侧，如以下的图1-8所示的结构)，也可以包括多层压电层(采用多层压电层可以调节发电机的内阻抗或提高发电机的输出特性)，如以下的图9所示的结构。
以下是本微型发电机的一种结构，采用的是含一层压电层的复合梁，其工艺流程如下：
1、选取双面抛光的SOI基片为衬底，该SOI基片由厚度约450～500μm的第一单晶硅层1、厚度约1μm的第一SiO2层2和厚度约1～20μm的第二单晶硅层3组成，通过热氧化生长约200nm的第二SiO2层，涂光刻胶，光刻，BHF刻蚀SiO2，去除光刻胶，形成SiO2层图形4(如图1所示)；
2、采用感应耦合等离子刻蚀或KOH腐蚀第二单晶硅层3，去除第二SiO2层(如图2所示)；
3、热氧化生长约200nm第三SiO2层5(如图3所示)；
4、采用剥离法和溅射法生长约150nm的下金属电极(Ti/Pt)6(如图4所示)；
5、采用溶胶-凝胶法生长厚度1～10μm的钛锆酸铅(PZT)压电膜，并通过反应离子刻蚀(RIE)对PZT膜进行图形化，形成压电层图形7(如图5所示)；
6、采用剥离法和溅射法生长约150nm的上金属电极(Ti/Pt)8(如图6所示)；
7、在SOI基片的背面涂光刻胶，光刻，形成光刻胶图形9(如图7所示)；
8、以光刻胶为掩膜，采用感应耦合等离子刻蚀从SOI基片的背面刻蚀第一单晶硅层1，到第一SiO2层2时停止刻蚀，去除光刻胶，利用HF溶液去除SiO2，释放发电机的可动部分(如图8所示)。
图8所示的微型发电机的复合梁只含有一层PZT压电层，该压电层也可以采用其他压电材料，如PVDF、ZnO、AlN等，压电层的生长也可以采用溅射、MOCVD等方法。为了调节微型发电机的内阻抗，使其与负载的阻抗匹配，微型发电机的梁/膜可以采用含有多层压电层的复合梁/膜，如图9所示。
基于风致振动机理的微型风力发电机可以采用多种结构形式实现，下面列出四种典型的结构形式：典型结构一是固定在衬底10上的、含压电层的悬臂复合梁11，如图10所示；典型结构二是两端均固定于衬底10上的两端固支的、含压电层的复合梁11，如图11所示；典型结构三由多根固定于衬底10上的、含压电层的复合梁11构成，如图12所示；典型结构四是固定在衬底10上的、含压电层的复合膜12，如图13所示，图中的复合膜形状是圆形，也可以采用矩形、多边形等其它形状。对于前三种典型结构，环境风载荷将引起复合梁的振动；对于第四种典型，环境风载荷将引起复合膜的振动。在环境风对复合梁/膜结构施加的动风载荷的频率与复合梁/膜结构自振频率接近时，复合梁/膜结构就会产生剧烈振动，梁/膜结构的振动将导致梁/膜的压电层的应力交替变化，由于压电效应，压电层的上下金属电极之间将产生电势差，实现对负载或储能器供电。
Claims (4)
1、基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机，利用风载荷引起的微结构振动将环境风能转换为微结构的振动能，利用压电效应将微结构的振动能转换为电能，实现对负载或储能器的供电；其特征在于，包括硅衬底和采用微加工技术固定于衬底的含压电层及压电层上下表面金属电极的复合梁/膜，环境风载荷引起含压电层的微复合梁/膜结构的振动，复合梁/膜的振动引起压电层应力的交替变化，由于压电效应，在压电层的上下电极之间将产生交替变化的电势差，实现对负载或储能器的供电。
2、如权利要求1所述的基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机，其特征在于，所述复合梁/膜中含有一层压电层及压电层上下表面的金属电极，并且复合梁/膜必须包含另一层结构层，该结构层位于压电层下表面金属层的下面或位于压电层上表面金属层的上面，以使压电层位于复合梁/膜中性轴的一侧。
3、如权利要求1所述的基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机，其特征在于，所述在复合梁/膜中含有多层压电层，每一层压电层的上下表面均有金属电极，其中每两层压电层之间的金属电极共用。
4、如权利要求1、2或3所述的基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机，其特征在于，微型风力发电机的复合梁/膜采用悬臂复合梁、两端固支复合梁、多点固支复合梁或部分边界固支的复合膜结构。
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