CN101814860A - 基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微能源领域，具体是一种基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源。适应了微电子机械系统发展对微能源的需要，包括基底、外围基座、悬臂梁、质量块，基底与外围基座的下表面键合固定，质量块中央开设有竖直通孔，质量块的上表面和/或下表面上加工有感应线圈；基底上表面固定有微型永久性柱状磁体，悬臂梁上设有PZT压电薄膜；外围基座上设置有若干外接引线键合焊盘，感应线圈两端和PZT压电薄膜的两极化表面分别经引线与相应的外接引线键合焊盘连接。本发明结构合理、简洁，易于小型化与集成化，能以高输出能量密度和高输出效率为微电子机械系统提供电源，实现微电子机械系统自给供电，满足微电子机械系统发展对微能源的需要。

Description

基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源
技术领域
本发明涉及微能源领域，具体是一种基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源。
背景技术
微电子机械系统(MEMS--Micro Electro Mechanical Systems)是在较小的物理尺寸上集成有微机械元件、微传感器、微机械执行器、微电子元件、电路和供能部件的系统。根据目前微电子机械系统的发展状况，系统中供能部件的发展现状是制约微电子机械系统进入实用化、自动化的最大障碍。因此，努力实现供能部件微型化，使之成为适应微电子机械系统发展的微能源是当前亟待实现的热点发展目标之一。
目前，国内外微能源的应用、研发主要集中在微型锂电池、微太阳能电池、微燃料电池、温差电池、微型核电池等微能源产品上。
其中，微型锂电池的研究和应用已经相当成熟，具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，广泛应用于为手机、MP3、MP4、照相机、电脑等便携式电子设备。但令人遗憾的是，微型锂电池需要人工不断的进行二次充电，且使用寿命(充电次数)有限，因此，无法满足微电子机械系统应用的要求，尤其难以应用在处于极端恶劣环境、长期无人值守的微电子机械系统中。
微太阳能电池的能量转化部分采用光敏半导体材料，结构相对简单，性能比较稳定，已经广泛应用在各种航天设备上；但仅限于有光照的地方才可以实现能量转换，同时考虑到微尺度情况下表面受光面积非常有限，因此，对要求置入系统结构内的微电子机械系统来说，将微太阳能电池应用于微电子机械系统就更加困难。
微燃料电池中微型燃料发电机和直接甲醇燃料电池研究相对较多；其中，微型燃料发电机制备工艺复杂，对材料的性能要求较高；而直接甲醇燃料电池是一种直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能通过质子交换膜转换为电能的微型发电装置，具有较高的功率密度和稳定的输出电能，然而其通常采用可燃性气体作为燃料，电池工作时有水汽排出，需要解决除汽问题；而且安装微燃料电池的便携式微电子设备难以通过登机、乘车等安检，因此微燃料电池的应用不可避免地存在局限性。
温差电池制备工艺比较简单，在一定温差环境中利用某些功能材料的热电效应产生电能。但在微米尺寸下，由于获得的温度梯度较小，温差电池输出的电能较低，同样存在应用局限性。
微型核电池是利用同位素辐射能制备的具有超长供能寿命的新型微电池，主要包括热核电池和辐射伏特效应电池，但因为各国对放射性同位素的使用要求非常严格，其研究和利用存在局限性。
发明内容
本发明为了适应微电子机械系统发展对微能源的需要，提供了一种基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源，包括基底、采用微机电器件加工工艺(即MEMS加工工艺)在半导体衬底上加工出的：外围基座、单端与外围基座固定的悬臂梁、与悬臂梁另一端固定的质量块(即悬臂梁-质量块结构)，基底与外围基座的下表面键合固定，质量块通过悬臂梁支悬于基底的正上方，质量块中央开设有竖直通孔，且质量块的上表面和/或下表面上应用微机电器件加工工艺加工有绕竖直通孔设置的感应线圈；基底上表面与质量块竖直通孔正对处键合固定有与基底垂直的微型永久性柱状磁体，质量块上的感应线圈处于微型永久性柱状磁体的上方，或者通过质量块的竖直通孔套置于微型永久性柱状磁体的上部；悬臂梁上设有PZT压电薄膜；外围基座上设置有若干外接引线键合焊盘，感应线圈两端和PZT压电薄膜的两极化表面分别经引线与相应的外接引线键合焊盘连接。所述悬臂梁-质量块结构、质量块上感应线圈、以及悬臂梁上PZT压电薄膜的实现工艺对于本技术领域的技术人员来说，是成熟、公知的。
本发明所述微电源供电原理如下：由质量块敏感外界振动，外界振动会引起质量块上下运动，导致悬臂梁发生弯曲形变，进而使悬臂梁上PZT压电薄膜内部产生极化现象，在其两极化表面出现正负相反的电荷(即正压电效应)；同时，质量块上下运动使其上感应线圈随动，通过感应线圈的磁通量会发生改变，产生感应电流(即电磁感应现象)。其中，感应线圈在以微机电器件加工工艺加工实现时，其密度可远大于传统的线圈绕制方式，能够获得更大的能量。
应用时，直接将待供电的微电子机械系统通过引线与本发明所述微电源外围基座上设置的外接引线键合焊盘焊接即可，本发明所述微电源悬臂梁上PZT压电薄膜输出的电能、质量块上感应线圈输出的感应电流经由微电子机械系统内的电压或电流调理电路调理后获得稳定的输出电能，为微电子机械系统内各部分器件供电，满足微电子机械系统工作需求。
所述悬臂梁与质量块采用四悬臂梁-中心质量块结构，且四悬臂梁上皆设有PZT压电薄膜；所述四悬臂梁-中心质量块结构固有频率低，与环境振动极易产生共振，促进电能生成；且四悬臂梁上皆设置PZT压电薄膜不但增加了基于压电效应的发电能量，而且便于提高本发明所述微电源的总体能源密度；
与现有技术相比，本发明以独特结构将两种发电方式：分别基于压电效应的压电发电和基于电磁感应现象的磁电发电结合在一起，实现以外界振动为驱动源的复合式发电，综合了压电发电和磁电发电的优点，能以高输出能量密度和高输出效率为微电子机械系统提供电源；且本发明所述微电源的结构易于实现微型化和集成化，满足微电子机械系统的发展需要。
本发明结构合理、简洁，易于小型化与集成化，能以高输出能量密度和高输出效率为微电子机械系统提供电源，实现微电子机械系统自给供电，满足微电子机械系统发展对微能源的需要。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为质量块上感应线圈的绕制示意图；
图中：1-基底；2-外围基座；3-悬臂梁；4-质量块；5-竖直通孔；6-感应线圈；7-微型永久性柱状磁体；8-PZT压电薄膜。
具体实施方式
如附图1-4所示，基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源，包括基底1、采用微机电器件加工工艺在半导体衬底上加工出的：外围基座2、单端与外围基座2固定的悬臂梁3、与悬臂梁3另一端固定的质量块4，基底1与外围基座2的下表面键合固定，质量块4通过悬臂梁3支悬于基底1的正上方，质量块4中央开设有竖直通孔5，且质量块4的上表面和/或下表面上应用微机电器件加工工艺加工有绕竖直通孔5设置的感应线圈6；基底1上表面与质量块4竖直通孔5正对处键合固定有与基底1垂直的微型永久性柱状磁体7，质量块4上的感应线圈6处于微型永久性柱状磁体7的上方，或者通过质量块4的竖直通孔5套置于微型永久性柱状磁体7的上部；悬臂梁3上设有PZT压电薄膜8；外围基座2上设置有若干外接引线键合焊盘，感应线圈6两端和PZT压电薄膜8的两极化表面分别经引线与相应的外接引线键合焊盘连接。附图中未专门表示出外接引线键合焊盘和引线，且所述外接引线键合焊盘、引线的具体分布不是一成不变的，要根据具体情况、以及加工难易程度等方面来具体确定。
所述悬臂梁3与质量块4采用四悬臂梁-中心质量块结构，且四悬臂梁上皆设有PZT压电薄膜8。

Claims (2)

1.一种基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源，包括基底(1)、采用微机电器件加工工艺在半导体衬底上加工出的：外围基座(2)、单端与外围基座(2)固定的悬臂梁(3)、与悬臂梁(3)另一端固定的质量块(4)，基底(1)与外围基座(2)的下表面键合固定，质量块(4)通过悬臂梁(3)支悬于基底(1)的正上方，其特征在于：质量块(4)中央开设有竖直通孔(5)，且质量块(4)的上表面和/或下表面上应用微机电器件加工工艺加工有绕竖直通孔(5)设置的感应线圈(6)；基底(1)上表面与质量块(4)竖直通孔(5)正对处键合固定有与基底(1)垂直的微型永久性柱状磁体(7)，质量块(4)上的感应线圈(6)处于微型永久性柱状磁体(7)的上方，或者通过质量块(4)的竖直通孔(5)套置于微型永久性柱状磁体(7)的上部；悬臂梁(3)上设有PZT压电薄膜(8)；外围基座(2)上设置有若干外接引线键合焊盘，感应线圈(6)两端和PZT压电薄膜(8)的两极化表面分别经引线与相应的外接引线键合焊盘连接。
2.根据权利要求1所述的基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源，其特征在于：所述悬臂梁(3)与质量块(4)采用四悬臂梁-中心质量块结构，且四悬臂梁上皆设有PZT压电薄膜(8)。
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